CBC 字节翻转攻击记录—以 Bugku 题目为例

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经典的CBC字节翻转攻击，还是有必要再通过一篇博文来记录一下的，也是作为一枚菜鸡的备忘录。

0x01 CBC加密流程

CBC加密的特性，简述来说：
明文首先被分割成等长的若干个明文块，每个明文块将作为下一个明文块加密过程中输入的一部分，从而影响到下一个明文块的加密结果。在一般情况下，明文会被分成等长的16字节的明文块，不足16字节部分，会用特殊填充符填充，图示如下：

snipaste20180604_165300.png

这其中有一个重要输入IV，是随机生成的初始向量，它影响第一个明文块的结果，并且将传递到整个加密链中，以保证对同一明文每次的加密结果都是不同的。

需要注意的是，CBC模式中涉及到的异或运算，是本次进行CBC翻转攻击的关键所在。

0x02 CBC翻转攻击利用点

类似于CBC加密的过程，CBC解密的过程也是将当前的密文块作为下一个密文块参与运算的输入，具体如图：

snipaste20180604_173055.png

假设我们修改了第一个密文块的第4个字节，那么根据CBC模式的解密，它将影响下一个密文块的解密结果，如图标红部分：

snipaste20180604_173204.png

而在上述的影响过程中，只涉及到异或运算，这里异或运算的特性就十足重要了！

已知A=B^C
可以得到结论B=A^C
并且也能得到A^C^B=0

上述结论拿到这里的CBC翻转攻击假设中看

设第一块的第4个字节设为变量A，第二块的明文中第4个字节设为变量C，在第二块加密产生的第4个字节设为变量B
因为A^B=C，根据结论有B=A^C
如果人为将A变量值改变为A^C的结果，那么参与运算后A^B将等于A^C^B=B^B=0，第二个产生的明文的第4个字节将变为0
如果将A变量值改变为A^C^X（这里X是任意字符），那么参与运算后，A^B将等于A^C^X^B=B^X^B=X，第二个产生的明文的第4个字节将变为X字符，这样，第二块密文块解密的结果就可控了！

上面这个简单的阐述，就是CBC翻转攻击实现的核心，下面以实例来继续说明。

0x03 Bugku的例题

题目名称：Login4
题目地址：http://118.89.219.210:49168/

访问题目是一个登陆界面：

snipaste20180604_170922.png

先直接扔到扫描器，找到备份文件：

snipaste20180604_171107.png

这里也推一波自己也日常用的CTF扫描器scanCTF：
https://github.com/MRdoulestar/scanCTF

拿到源码进行代码审计，这里列出主要逻辑代码（已给出注释）：

//设置cookie的流程调用的函数，返回一个随机的iv和使用该iv加密的post提交的username和password的结果——cipher
function login($info){
    $iv = get_random_iv();
    $plain = serialize($info);
    $cipher = openssl_encrypt($plain, METHOD, SECRET_KEY, OPENSSL_RAW_DATA, $iv);
    $_SESSION['username'] = $info['username'];
    setcookie("iv", base64_encode($iv));
    setcookie("cipher", base64_encode($cipher));
}

//检查函数，这里是对cookie中cipher和iv进行CBC翻转的利用点
function check_login(){
    //如果cookie中设置了cipher和iv参数
    if(isset($_COOKIE['cipher']) && isset($_COOKIE['iv'])){
        //将cipher和iv参数都进行base64解码
        $cipher = base64_decode($_COOKIE['cipher']);
        $iv = base64_decode($_COOKIE["iv"]);
        //进行CBC模式的AES解密
        if($plain = openssl_decrypt($cipher, METHOD, SECRET_KEY, OPENSSL_RAW_DATA, $iv)){
            //对解密结果进行反序列化，设置session中的username为反序列化后数组中的username的值
            $info = unserialize($plain) or die("<p>base64_decode('".base64_encode($plain)."') can't unserialize</p>");
            $_SESSION['username'] = $info['username'];
        }else{
            die("ERROR!");
        }
    }
}
//根据session中username参数，控制显示结果
function show_homepage(){
    //如果session中的username为admin，则返回flag
    if ($_SESSION["username"]==='admin'){
        echo '<p>Hello admin</p>';
        echo '<p>Flag is $flag</p>';
    }else{
        echo '<p>hello '.$_SESSION['username'].'</p>';
        echo '<p>Only admin can see flag</p>';
    }
    echo '<p><a href="loginout.php">Log out</a></p>';
}
//检查是否带有username和password参数，如果有参数，进入设置cookie的路径
//如果没有设置参数，进入判断cookie路径
if(isset($_POST['username']) && isset($_POST['password'])){
    $username = (string)$_POST['username'];
    $password = (string)$_POST['password'];
    //不允许提交的username为admin
    if($username === 'admin'){
        exit('<p>admin are not allowed to login</p>');
    }else{
        $info = array('username'=>$username,'password'=>$password);
        login($info);
        show_homepage();
    }
}else{
    //如果session中的username字段已经存在了，既登陆过了，则进入
    if(isset($_SESSION["username"])){
        check_login();
        show_homepage();
    }else{
    .................
    }

以上代码考察了CBC翻转攻击的利用。它禁止直接提交用户名为admin进行登陆，但是返回flag的条件又是session中用户名要是admin。所以需要构造类似"xdmin"形式或者"axmin"等形式的用户名，之后通过修改iv和cipher，通过CBC翻转攻击将字符x还原成"admin"

代码中涉及到了序列化，数组序列化结果参考如下（这里使用ydmin和123作为username和password）：
a:2:{s:8:"username";s:5:"ydmin";s:8:"password";s:3:"123"}

攻击过程如下：

1、修改能够得到的密文的第一块（前16个字节），使得第二块密文块结果的字符中ydmin能变成admin
2、由于操作1导致第一块密文块解密后得到错误结果，修正IV初始化向量，将第一块的明文结果还原成a:2:{s:8:"userna

攻击实现Python脚本：

#!/bin/env python
import base64
import urllib
import requests
import re

session = "uubpkpbv56dtkiorccjc8md3r0"
cipher = "gn5OKkTDH1CXJv9w11bK7JEqnhzhGSzVs84FNwZ2Zfi1c1PEeQdF1jUXn2lIy3SInj8pJiVajWEF73Fl%2BgLThA%3D%3D"
iv = "PGUt3F%2FPwu93r7DGTBQvKg%3D%3D"

#进行url编码解码和base64解码操作
iv_raw = base64.b64decode(urllib.unquote(iv))
cipher_raw = base64.b64decode(urllib.unquote(cipher))
#a:2:{s:8:"username";s:5:"ydmin";s:8:"password";s:3:"123"}

#计算修正cipher，使得第二块的y可以变成a（原理回顾上述异或结论）
cipher_new = cipher_raw[0:9] + chr(ord(cipher_raw[9]) ^ ord('y') ^ ord('a') )  + cipher_raw[10:]
cipher_new = urllib.quote(base64.b64encode(cipher_new))
print cipher_new
#########################################################
#拿新的cipher作为cookie访问，拿到继续修正iv的数据
url="http://118.89.219.210:49168/index.php"
cooky={
    "iv":iv,
    "cipher":cipher_new,
    "PHPSESSID":session
}
#这里本地测试，使用了Burpsuit代理
proxy={
    "http":"http://192.168.155.1:8082"
}
x = requests.session()
res = x.get(url, cookies=cooky, proxies=proxy)
text = str(res.text)
#print text
########################################################
#使用正则提取目前cipher解密后的结果（第一块损坏）
prog = re.compile("decode\('(.*)'\)")
match = prog.search(text)
new_plain = ""
if match:
    new_plain = match.group(1)
#print new_plain
new_plain = base64.b64decode(new_plain)
########################################################
#对iv进行修正，使得新的iv可以使得第一块密文块解密得到正确结果
real_first_blk = 'a:2:{s:8:"userna'
iv_new=""
for i in range(0,16):
    iv_new += chr(ord(iv_raw[i]) ^ ord(new_plain[i]) ^ ord(real_first_blk[i])) 

print urllib.quote(base64.b64encode(iv_new))

最终得到计算得到的cipher和iv：

root@dbstar-virtual-machine:~# python cbc_cipher.py
gn5OKkTDH1CXPv9w11bK7JEqnhzhGSzVs84FNwZ2Zfi1c1PEeQdF1jUXn2lIy3SInj8pJiVajWEF73Fl%2BgLThA%3D%3D
WsHICjaxJEd2co8CBheYAA%3D%3D

访问即可：

snipaste20180604_212751.png

0x04 总结和参考

CBC翻转攻击的文章和博客已经很多了，但不亲手实现配合着写一篇，仍然觉得不能彻底掌握，因此有了这篇文章，也是自己的一个备忘录。
如有不足和不对的地方，还请指出和谅解。

参考：
https://blog.csdn.net/csu_vc/article/details/79619309