由浅入深了解AES ECB模式数据加密和明文主动攻击

加密算法是信息技术领域经常使用的安全算法，使用场景包括了支付、电商、即使通讯等各类应用。在常用的对称加密算法中，AES（Advanced Encryption Standard）凭借安全性逐渐成为国际主流加密算法。对称/分组加密一般分为流加密(如OFB、CFB等)和块加密(如ECB、CBC等)。对于流加密，需要将分组密码转化为流模式工作。对于块加密(或称分组加密)，如果要加密超过块大小的数据，就需要涉及填充和链加密模式。

ECB（Electronic Code Book 电子密码本）的缺点是不能隐藏明文的模式并且可能对明文进行主动攻击。在CWE（Common Weakness Enumeration 通用缺陷列表）中定义为“损坏或危险的加密算法”，但是在实际的开发中，由于开发者缺乏对加密算法认识或者偷懒（毕竟ECB模式不需要偏移向量iv，少了 一个变量）经常使用ECB加密模式，本文主要就ECB模式的加密原理及“明文主动攻击”进行由浅入深的阐述。

AES ECB加密模式原理

AES ECB加密的大致流程如图1所示，明文按照16字节分成n块，通过加密器对每一块进行加密获得n个密文块。最后一块通常不够16字节需要按照一定的填充规则进行填充。

图1：AES ECB加密流程图

图1中的加密器加密过程如图2所示。加密的轮次根据密钥长度确定，密钥长度128位则n=10，密钥长度为192位，则n=12，密钥长度为256次则n=16。明文块16个字节被排列成4×4的二维数组，每一轮的扩展密钥W（i，i+15）同样被排列成4×4密钥数组。。

图2：AES 加密器

从AES ECB模式加密原理可知明文分组和密文分组一一对应，例如明文："this is block 10this si block 10this is block 10"，可以分为三块“this is block 10”、”this si block 10”、”this is block 10”，加密后的对应的密文（字节）：” 78 -128 64 -49 -89 100 -126 16 -103 -12 36 49 22 -56 86 -75 82 30 41 -119 -102 -90 58 -64 -2 101 -96 -31 60 ·-8 -1 -3 78 -128 64 -49 -89 100 -126 16 -103 -12 36 49 22 -56 86 -75”密文的前16字节和后16个字节对应明文的前16个字符和后16个字符，且是密文一致。因为在某些情况下，攻击者不需要破解密钥和密文就可以实现对密文的攻击。例如发送者发送“A phone number is +08612611112222 B phone number is +08612611110000”密文：“-67 106 -88 -115 12 47 -10 -24 -105 -13 124 66 -92 80 -126 -126 75 -71 92 31 -77 19 73 116 -34 123 81 -84 41 82 -95 120 26 -23 -18 -59 -87 3 107 -80 -124 114 -128 -77 11 -58 -54 -57 19 -20 62 -83 -59 -10 58 -74 66 28 110 14 -41 -65 -119 -94”。攻击者不需要知道密钥也不需要破解密文，直接对调密文第17-32和第49-64，接受者收到的消息解密后就变成“A phone number is +08612611110000 B phone number is +08612611112222””。

“对明文的主动攻击”

人为攻击一般分为被动攻击和主动攻击，被动攻击一种是指直接获取消息的内容，还有一种是对消息的某些特征进行分析，虽然不能得到完整的消息内容但也可以推测出信息的一些特点，而这些特点有可能是通信双方不想被泄露的。例如图3和图4，该图像的一个位图版本（图3）通过ECB模式可能会被加密成图4。在AES ECB模式中被动攻击一般情况下不会改变消息的内容，所以很难检测到，只能提前预防——禁止使用 ECB模式加密。

图3
图4

主动攻击是指对明文数据的篡改来产生对攻击有价值的密文数据，防止主动攻击一般都非常困难，需要提前预防，要求在安全架构层面需要更加专业的知识和经验。选择明文攻击是指密码分析者不仅可得到一些明文-密文对，还可以选择被加密的明文，并获得相应的密文。针对明文的攻击的举例：

假设条件：

• aes ecb加密，攻击者可以随意输入参数paraString；
• 加密明文plain=paraString+flag；
• 采用PKCS5Padding填充，即对明文填充n个n（这里n在不同的语言中表示方法不同，但是n的取值范围是[1,16],用一个字节表示），使得使得传入加密器的输入大小为16倍数；

攻击者不知道加密密钥和flag，但是可以通过构造特定的明文，在有限时间内爆破出flag。

第一步：输入字符串””，长度为0，返回密文“-64 74 29 -100 105 -44 -61 -73 104 42 -76 -97 11 66 -93 102 16”，可知flag长度[0,15]，以为如果flag的长度为16也需要填充16个16；

第二步：依次输入“a”，“aa”，“aaa”……“aaaaaaaaaaaaaaaa”，发现输入“aaaaaaaaaa”密文长度为16，输入“aaaaaaaaaaa”密文长度为32可知“aaaaaaaaaa”+flag的长度是15，“aaaaaaaaaaa”+flag的长度为16（plain长度为16也需要填充16个字节）；所以flag的长度为5。

第三步：爆破flag的第一位，因为1位有8bit位，有2的8次方（128）种可能，普通计算机爆破耗时可以忽略。假设flag=“ABCDE”，首先输入“aaaaaaaaaaaaaaa”+“ABCDE”，则第一块密文是 “aaaaaaaaaaaaaaaA”，对应“77 121 -104 -86 86 93 1 -101 119 -90 75 -105 0 55 4 18”，我们构造k属于[0,128]+’\0’,发现当104，对应ASCII码表的’h’， “aaaaaaaaaaaaaaak”和“aaaaaaaaaaaaaaaA”密文相同，则A=’h’。爆破B的时候输入“aaaaaaaaaaaaaa”获得“aaaaaaaaaaaaaahB”的密文即可爆破出B=e，再依次爆破出CDEF为“ello”，最终我们拿到flag为“hello”。

String empStr = "";
byte[] encBytes1 = AesEcbUtils.encrypt(empStr);
System.out.println("encByte1 length: " + encBytes1.length);
int len0 = encBytes1.length;//flag长度在[00,15]之间
//获取flag长度
for (int i = 1; i <= 16; ++i) {
String tmpStr = getStringByCount(i);
byte[] tmp = AesEcbUtils.encrypt(tmpStr);
if (tmp.length != len0) {
System.out.println("flag len： " + (16 - i));
break;
}
}
//爆破flag第1位
String str1 = "aaaaaaaaaaaaaaa";
byte[] byte1 = AesEcbUtils.encrypt(str1);
for (int i = 0; i <= 128; ++i) {
char c = (char) ('
String empStr = "";
byte[] encBytes1 = AesEcbUtils.encrypt(empStr);
System.out.println("encByte1 length: " + encBytes1.length);
int len0 = encBytes1.length;//flag长度在[00,15]之间
//获取flag长度
for (int i = 1; i <= 16; ++i) {
String tmpStr = getStringByCount(i);
byte[] tmp = AesEcbUtils.encrypt(tmpStr);
if (tmp.length != len0) {
System.out.println("flag len： " + (16 - i));
break;
}
}
//爆破flag第1位
String str1 = "aaaaaaaaaaaaaaa";
byte[] byte1 = AesEcbUtils.encrypt(str1);
for (int i = 0; i <= 128; ++i) {
char c = (char) ('\0' + i);
String str1Temp = str1 + (c);
byte[] byte1Tmp = AesEcbUtils.encrypt(str1Temp);
if (bytesArrayEqual(byte1, byte1Tmp, 16)) {
System.out.println("A: " + (char) ('\0' + i));
}
}
' + i);
String str1Temp = str1 + (c);
byte[] byte1Tmp = AesEcbUtils.encrypt(str1Temp);
if (bytesArrayEqual(byte1, byte1Tmp, 16)) {
System.out.println("A: " + (char) ('
String empStr = "";
byte[] encBytes1 = AesEcbUtils.encrypt(empStr);
System.out.println("encByte1 length: " + encBytes1.length);
int len0 = encBytes1.length;//flag长度在[00,15]之间
//获取flag长度
for (int i = 1; i <= 16; ++i) {
String tmpStr = getStringByCount(i);
byte[] tmp = AesEcbUtils.encrypt(tmpStr);
if (tmp.length != len0) {
System.out.println("flag len： " + (16 - i));
break;
}
}
//爆破flag第1位
String str1 = "aaaaaaaaaaaaaaa";
byte[] byte1 = AesEcbUtils.encrypt(str1);
for (int i = 0; i <= 128; ++i) {
char c = (char) ('\0' + i);
String str1Temp = str1 + (c);
byte[] byte1Tmp = AesEcbUtils.encrypt(str1Temp);
if (bytesArrayEqual(byte1, byte1Tmp, 16)) {
System.out.println("A: " + (char) ('\0' + i));
}
}
' + i));
}
}

总结

在本文中我们首先介绍了AES基本的加密原理和加密器加密流程，其次介绍了ECB模式中分组独立加密的安全性，攻击者可以直接对密文进行攻击或者加密无法隐藏明文数据模式。最后我们构造了一个简单的对AES ECB加密进行主动明文攻击例子（详细代码可在GitHub上获取）。写这么多的目的就是希望让普通人可以明白，我们在开发过程中使用加密的目的就是为了保护数据，因此必须慎重考虑选择最好的加密算法是首要考虑的安全因素。[来源：Freebuf]