Présentation de l'attaque 'Bit Flipping' sur de l'AES CBC

May 25, 2022 - 6 mins read

crypto
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Introduction

AES (“Advanced Encryption Standard”) est un chiffrement symétrique par blocs. En effet, il repose sur le chiffrement de données découpées en plusieurs partie. Ainsi il en existe plusieurs modes :

ECB
CBC
CFB
OFB
CTR
CTS
…

Aujourd’hui , nous allons voir une attaque présente sur l’AES en mode CBC .

Comprendre le mode `CBC`

Comme présenté avant, CBC est un mode de chiffrement d’AES . CBC pour Chain By Chain Tout son fonctionnement peut être résumé dans le schéma suivant:

Alt text

On voit que chaque bloc est chiffré grâce à :

Une Clef
Le block précédent (chiffré)

Par Exemple, le block N°4 sera chiffré avec le bloc N°3 et celui-ci sera lui aussi chiffré avec le N°2 etc ..

Pour information, le premier bloc, n’ayant pas bloc précédent , utilisera ce qu’on appelle l’IV , le Vecteur d’initialisation.

Par convention, la taille des blocs sont de 16 , l’l’iv et la clef auront donc la même taille.

L’attaque BitFlipping

Ici , contrairement à d’autres attaques sur d’autres chiffrements , nous n’allons pas essayer de récupérer la clé et l’iv de chiffrement , nous allons directement modifié un message chiffré pour impacter le contenu du message déchiffré .

Supposons le schéma suivant :

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Random import get_random_bytes
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad

from datetime import datetime
from binascii import hexlify, unhexlify


flag = "flag{YoU_F1iiiPM3}"

key = get_random_bytes(16)

badword = ['admin','\'','true','false']

message = '\n    _________       _________     \n   / ____/ (_)___  / ____/ (_)___ \n  / /_  / / / __ \\/ /_  / / / __ \\\n / __/ / / / /_/ / __/ / / / /_/ /\n/_/   /_/_/ .___/_/   /_/_/ .___/ \n         /_/             /_/      \n'



def encrypt(data):
    iv = get_random_bytes(AES.block_size)
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
    return hexlify(iv + cipher.encrypt(pad(data.encode('utf-8'),AES.block_size)))

def decrypt(data):
    raw = unhexlify(data)
    cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, raw[:AES.block_size])
    dec = unpad(cipher.decrypt(raw[AES.block_size:]), AES.block_size)
    print(dec)
    return dec

def menu():
	while(True):
		print("\n 		Menu")
		print("[>1] Get Token")
		print("[>2] Submit Token")
		input_ = input(" >")
		if(input_ == "1"):
			return 1
		elif(input_ == "2"):
			return 2

def createToken(username):
	token = "username="+str(username)+"&admin=false&time="+str(datetime.timestamp(datetime.now()))
	print(token)
	return encrypt(token).decode('latin1')

def check(token):
	try:
		if("admin=true" in decrypt(token).decode('latin1')):
			return f'\nGG , here is your flag : {flag}'
		else:
			return '\nYou are not Admin !'
	except Exception as ex:
		print(ex)
		return "Error"

def main():
	print(message)
	while(True):
		if(menu()==1):
			username = input(" > Username : ")
			isbad = False
			for element in badword:
				if(element in username):
					isbad = True
					break

			if(isbad == True):
				print(f'\nBadWord !!! "{element}"')
			else:
				print("\nToken : "+createToken(username))

		else:
			token = input(" > Token : ")
			print(check(token))


if( __name__ == "__main__"):
	main()

Le système est simple, on peut créer des tokens d’authentifications pour un utilisateur choisi et si celui-ci est ‘admin’ on obtient le flag. Malheureusement , on ne peut que créer des tokens utilisateur et non admin.

Voici ce que nous allons faire :

Créer un token qui va nous aider pour récrire admin=false
Effectuer un Flip pour que le déchiffrement rendre admin=true; au lieu de admin=false
Envoyer le nouveau token et récupérer le flag

Approche Extérieur du challenge

Alt text

Nous avons donc le token suivant :

5b8861a90ac560dfb2a0a7b99752d827cb79b8f3444ac7b14c85601128681782621e916a05027ad2a09a4326cf503d10702ba1b6c3f9267a8abfe7e123bc4789e65c150518af17ab1493ab76fda00abd

qui correspond à

username=vozec&admin=false&time=1653558714.62664

On découpe le token en blocs de 32 caractères (16*2 car le token est en hexadécimal)

def split(plain,ciphered,IVgive):
	clearBlock,cipherBlock = [],[]
	plain = (blocksize//4)*"_IV_" + plain if(IVgive == True) else plain
	plain = padRDN(plain)
	for i in range((len(plain)//(blocksize))):
		clearBlock.append(plain[i*blocksize:blocksize*(i+1)])
		cipherBlock.append(ciphered[(i*blocksize)*2:(blocksize*(i+1))*2])

	return clearBlock,cipherBlock

def padRDN(str_):
	while (len(str_)%blocksize != 0):
		str_+="_"
	return str_


token = '5b8861a90ac560dfb2a0a7b99752d827cb79b8f3444ac7b14c85601128681782621e916a05027ad2a09a4326cf503d10702ba1b6c3f9267a8abfe7e123bc4789e65c150518af17ab1493ab76fda00abd'
cleartext = 'username=vozec&admin=false&time=1653558714.62664'

blocksize = 16

lblock , CiBlock = split(cleartext,token,True)
print(lblock , CiBlock)

Sortie :

➜   python3 solve.py
['_IV__IV__IV__IV_', 'username=vozec&a', 'dmin=false&time=', '1653558714.62664']
['5b8861a90ac560dfb2a0a7b99752d827', 'cb79b8f3444ac7b14c85601128681782', '621e916a05027ad2a09a4326cf503d10', '702ba1b6c3f9267a8abfe7e123bc4789']

Ainsi, ici le d de dmin=false&time= correspond au byte 62 (0x62) du 3ème bloc

Or , on sait que chaque bloc est chiffré à partir du précédent . Ainsi, si je modifie le u de username (0xcb) , le déchiffrement du block suivant : dmin=false&time= donnera Xmin=false&time= avec X une lettre autre que d

Vous l’aurez compris, grâce au bloc précédent , on peut modifier le texte déchiffré du bloc suivant !

Dans nôtre challenge, nous pouvons rentrer un nom d’utilisateur de la taille que l’on veut . On sait aussi que la taille de chaque bloc est de 16

On peut créer le token suivant :

username=AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA&admin=false&time=1653559752.826288

Ici , avec AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA , on crée un bloc complet de A.
On va pouvoir sacrifier ce bloc pour modifier le suivant :

['_IV__IV__IV__IV_', 'username=AAAAAAA', 'AAAAAAAAAAAAAAAA', '&admin=false&tim', 'e=1653559752.826', '288_____________']
['3b85f168d58e1fafbe9cb8ddd3e158d6', '5fcc51ae90264e510adb56853e82d127', '638456a6b304a8c89ab4b1ec0a16a674', '2b974fbdd420e49d080ef512e03a2068', 'f722d7f7d16356dd6d07530271f40945', '5610a062fb2cc4c1a9f143c82c2e3995']

Essayons de modifier le bloc 3 AAAAAAAAAAAAAAAA = 638456a6b304a8c89ab4b1ec0a16a674 pour que le suivant : &admin=false&tim devienne &admin=true&atim

Ainsi , le déchiffrement donnera :

username=AAAAAAAu + Le reste du bloc sacrifié  +&admin=true&ttime=1653560081.31627

Comment obtenir le bon byte pour chaque caractère ?

Pour obtenir le byte à placer dans le 3ème bloc, on a besoin de :

Le byte actuel non modifié (ici: 2b974fbdd420e49d080ef512e03a2068)
Le plain text actuel (ici: &admin=false&tim)
Le plain text visé (ici: &admin=true&atim)

Pour chaque lettre , on va Xor les 3 informations lettres par lettres :

def get_bitflip(currentBit , Letter_Spotted , Letter_edited):
	result = int(currentBit,16) ^ ord(Letter_Spotted) ^ ord(Letter_edited)
	return chr(result).encode('latin1').hex()

Enfin, on peut écrire une fonction qui fait tous ce travail à notre place :

def flipBlock(indexBlock,indexLetter,newletter):
	indexChar = indexLetter%blocksize

	hex_spotted = CiBlock[indexBlock-1][indexChar*2:(indexChar*2)+2]
	letter_spotted = Clblock[indexBlock][indexChar:indexChar+1]

	flipped = get_bitflip(hex_spotted ,letter_spotted, newletter)

	CiBlock[indexBlock-1] = CiBlock[indexBlock-1][:indexChar*2]  + flipped + CiBlock[indexBlock-1][(indexChar*2)+2:]
	Clblock[indexBlock] =  Clblock[indexBlock][:indexChar]  + newletter + Clblock[indexBlock][(indexChar)+1:]

On peut donc l’utiliser ainsi :

flipBlock(3,7,"t")
flipBlock(3,8,"r")
flipBlock(3,9,"u")
flipBlock(3,10,"e")
flipBlock(3,11,"&")
flipBlock(3,12,"t")

Ainsi, le token qui sera déchiffré ressemblera à ceci :

username=AAAAAAAu\xb1\xe9\nM.\xad1N\x89\xfe\xf9\xca\x8a\xe7\x98&admin=true&ttime=1653560081.31627

La partie avec les 16*A a était modifié donc la suite a était mal déchiffré, le bloc suivant est celui voulu.

Toute la difficulté de cette attaque est de bien padder ses blocs pour pouvoir modifier son token aisément. De plus , dans le challenge , aucun parsing sur time n’est effectué donc changer time en ttime n’impact pas le résultat !

L’exploit final

from pwn import *
from datetime import datetime, timedelta


def split(plain,ciphered,IVgive):
	clearBlock,cipherBlock = [],[]
	plain = (blocksize//4)*"_IV_" + plain if(IVgive == True) else plain
	plain = padRDN(plain)
	for i in range((len(plain)//(blocksize))):
		clearBlock.append(plain[i*blocksize:blocksize*(i+1)])
		cipherBlock.append(ciphered[(i*blocksize)*2:(blocksize*(i+1))*2])

	return clearBlock,cipherBlock

def padRDN(str_):
	while (len(str_)%blocksize != 0):
		str_+="_"
	return str_

def get_bitflip(currentBit , Letter_Spotted , Letter_edited):
	result = int(currentBit,16) ^ ord(Letter_Spotted) ^ ord(Letter_edited)
	return chr(result).encode('latin1').hex()



def flipBlock(indexBlock,indexLetter,newletter):
	indexChar = indexLetter%blocksize

	hex_spotted = CiBlock[indexBlock-1][indexChar*2:(indexChar*2)+2]
	letter_spotted = Clblock[indexBlock][indexChar:indexChar+1]

	flipped = get_bitflip(hex_spotted ,letter_spotted, newletter)

	CiBlock[indexBlock-1] = CiBlock[indexBlock-1][:indexChar*2]  + flipped + CiBlock[indexBlock-1][(indexChar*2)+2:]
	Clblock[indexBlock] =  Clblock[indexBlock][:indexChar]  + newletter + Clblock[indexBlock][(indexChar)+1:]


url = '127.0.0.1'
port = 1337

blocksize = 16

payload = b'A'*7 + b'A'*blocksize

proc = remote(url,port)

proc.sendlineafter(b' >',b'1')
proc.sendlineafter(b' > Username : ',payload)
proc.recvuntil(b'Token : ')

token = proc.recv().decode().split('\n')[0]
cleartext = "username="+payload.decode('utf-8')+"&admin=false&time="+str(datetime.timestamp(datetime.now()))#+"'}"

print(f"\nToken Received : {token}\n\n")
print(cleartext)
Clblock , CiBlock = split(cleartext,token,True)

print(Clblock)
print(CiBlock)

flipBlock(3,7,"t")
flipBlock(3,8,"r")
flipBlock(3,9,"u")
flipBlock(3,10,"e")
flipBlock(3,11,"&")
flipBlock(3,12,"t")
print('\n\n')

print(Clblock)
print(CiBlock)


Final_Token = ''.join(CiBlock)

print(f'\n\nCrafted : {Final_Token}')

proc.sendline(b'2')
proc.sendlineafter(b' > Token : ',Final_Token.encode('utf-8'))

print('\n')
proc.interactive()

Sortie finale :

➜   python3 solve.py
[+] Opening connection to 127.0.0.1 on port 1337: Done

Token Received : 2db5fd2622fe952ff6e148fbe13eaa2ff26b2d4400ffe86c85fc13905fcf8f7525985cdad9e8275a0c498dac8ed1c02539057a6bc41035e7273ba3354b1caaa79b3f1d66676045ab849f628cc2d18959473beb8523cb6fb8610497f172748b40


username=AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA&admin=false&time=1653560893.271365
['_IV__IV__IV__IV_', 'username=AAAAAAA', 'AAAAAAAAAAAAAAAA', '&admin=false&tim', 'e=1653560893.271', '365_____________']
['2db5fd2622fe952ff6e148fbe13eaa2f', 'f26b2d4400ffe86c85fc13905fcf8f75', '25985cdad9e8275a0c498dac8ed1c025', '39057a6bc41035e7273ba3354b1caaa7', '9b3f1d66676045ab849f628cc2d18959', '473beb8523cb6fb8610497f172748b40']



['_IV__IV__IV__IV_', 'username=AAAAAAA', 'AAAAAAAAAAAAAAAA', '&admin=true&ttim', 'e=1653560893.271', '365_____________']
['2db5fd2622fe952ff6e148fbe13eaa2f', 'f26b2d4400ffe86c85fc13905fcf8f75', '25985cdad9e827481f509befdcd1c025', '39057a6bc41035e7273ba3354b1caaa7', '9b3f1d66676045ab849f628cc2d18959', '473beb8523cb6fb8610497f172748b40']


Crafted : 2db5fd2622fe952ff6e148fbe13eaa2ff26b2d4400ffe86c85fc13905fcf8f7525985cdad9e827481f509befdcd1c02539057a6bc41035e7273ba3354b1caaa79b3f1d66676045ab849f628cc2d18959473beb8523cb6fb8610497f172748b40


[*] Switching to interactive mode

GG , here is your flag : flag{XXXXXXXXXXX}

         Menu
[>1] Get Token
[>2] Submit Token
 >$
[*] Interrupted
[*] Closed connection to 127.0.0.1 port 1337

25985cdad9e827481f509befdcd1c025 est devenu 25985cdad9e8275a0c498dac8ed1c025 ! Et Bam , le flag !

J’ai écris un outil pour automatiser cette attaque: AES Flipper

python3 AES-Flipper.py \
	-p 'username=AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA&admin=false&time=1653559752.826288' \
	-f 'username=AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA&admin=true&ttime=1653559752.826288'
	-c 2db5fd2622fe952ff6e148fbe13eaa2ff26b2d4400ffe86c85fc13905fcf8f7525985cdad9e8275a0c498dac8ed1c02539057a6bc41035e7273ba3354b1caaa79b3f1d66676045ab849f628cc2d18959473beb8523cb6fb8610497f172748b40 \
	-e hex \
	-iv

Aes flipper