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

Planted May 25, 2022

Introduction

L’AES (“Advanced Encryption Standard”) est un chiffrement par blocs utilisé de nos jours dans la sécurité informatique. Il repose sur le chiffrement d’information découpé en plusieurs blocs et le chiffrement de ces blocs peuvent être fait de plusieurs manières selon la configuration du système . Ainsi il en existe plusieurs modes :

ECB
CBC
CFB
OFB
CTR
CTS
…

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

Comprendre le mode `CBC`

Comme présenté avant, CBC est un mode de chiffrement des blocs d’information . CBC pour Chain By Chain Tous son fonctionnement peut être résumé dans ce schéma suivant qui semble un peu barbare :

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 , ainsi , l’iv et la clef auront aussi cette 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()

(Issue de notre ctfd)

Le système est simple, on peut créer des tokens d’authentifications pour un utilisateur choisi et si celui-ci est ‘admin’ , le flag nous ai donné Malheureusement , on ne peut créer des tokens avec un nom d’utilisateur choisi par l’utilisateur .

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 peut donc découper 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 block 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 voulu (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 est mal déchiffrée mais le bloc suivant est celui voulu.

Ainsi, toute la difficulté de cette attaque est de bien paddé ses blocs pour pouvoir modifier son token aisément. De plus , dans le challenge , aucun parsing sur time n’est effectué donc changé 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 !

AES Cipher

Cryptanalyse Linéaire d'un AES-128

Présentation de l'attaque 'Padding Oracle' sur de l'AES ECB