如何正確區分并使用加密與認證技術？

作者：XDSEC 2015-05-19 16:21:05

安全數據安全

在密碼學專家之中，“加密并不是認證”是一個簡單的共識。但很多不了解密碼學的開發者，并不知道這句話的意義。如果這個知識更廣為人知和深入理解，那么將會避免很多的設計錯誤。

這一概念本身并不困難，但在表面之下，還有更多豐富的細節和玄妙之處有待發現。本文就是講述開發者對于加密和認證二者的混淆與誤用，并附上了優秀的解決方案。

0x01 加密與認證之間有哪些區別?

加密是呈現信息，使其在沒有正確的密鑰情況下，變得難以卒讀的過程。在簡單的對稱加密中，同一個密鑰被用于加密和解密。在非對稱加密中，可以使用用戶的公鑰對信息加密，使得只有對應私鑰的擁有者才能讀取它。

認證是呈現信息，使其抗篡改(通常在某一非常低的概率之內，小于1除以已知宇宙中粒子的數量)，同時也證明它起源于預期發送者的過程。

注意：當本文提及真實性時，是專門指的信息真實性，而不是身份真實性。這是一個PKI和密鑰管理問題，我們可能在未來的博客中詳細說明。

就CIA triad而言：加密提供機密性，認證提供完整性。

加密不提供完整性;被篡改的信息(通常)還能解密，但結果通常會是垃圾。單獨加密也不抑制惡意第三方發送加密信息。

認證不提供機密性;可以為明文信息提供抗篡改。

在程序員中，常見的錯誤是混淆這兩個概念。你能很容易找到這樣的一個庫或者框架：加密cookie數據，然后在僅僅解密它之后就無條件地信任與使用之。

0x02 加密

我們之前定義了加密，并且詳細說明了它是提供機密性，但不提供完整性和真實性的。你可以篡改加密信息，并將產生的垃圾給予接收者。而且你甚至可以利用這種垃圾產生機制，來繞過安全控制。

考慮在加密cookie的情況下，有如下代碼：

function setUnsafeCookie($name, $cookieData, $key)  
{  
    $iv = mcrypt_create_iv(16, MCRYPT_DEV_URANDOM);  
    return setcookie(  
        $name,   
        base64_encode(  
            $iv.  
            mcrypt_encrypt(  
                MCRYPT_RIJNDAEL_128,  
                $key,  
                json_encode($cookieData),  
                MCRYPT_MODE_CBC,  
                $iv  
            )  
        )  
    );  
}  
function getUnsafeCookie($name, $key)  
{  
    if (!isset($_COOKIE[$name])) {  
        return null;  
    }  
    $decoded = base64_decode($_COOKIE[$name]);  
    $iv = mb_substr($decoded, 0, 16, '8bit');  
    $ciphertext = mb_substr($decoded, 16, null, '8bit');  
   
    $decrypted = rtrim(  
        mcrypt_decrypt(  
            MCRYPT_RIJNDAEL_128,  
            $key,  
            $ciphertext,  
            MCRYPT_MODE_CBC,  
            $iv  
        ),  
        "\0"  
    );  
   
    return json_decode($decrypted, true);  
}

上面的代碼提供了在密碼段鏈接模塊的AES加密，如果你傳入32字節的字符串作為$key，你甚至可以聲稱，為你的cookie提供了256位的AES加密，然后人們可能被誤導相信它是安全的。

0x03 如何攻擊未經認證的加密

比方說，在登錄到這個應用程序之后，你會發現你收到一個會話cookie，看起來就像

kHv9PAlStPZaZJHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==

讓我們改變一個字節的第一塊(初始化向量)，并反復發送我們的新的cookie，直到出現一些變化。應該采取共4096次HTTP請求，以嘗試變量IV所有可能的單字節變化。在上面的例子中，經過2405次請求后，我們得到一個看起來像這樣的字符串：

kHv9PAlStPZaZZHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==

相比之下，在base64編碼的cookie中只有一個字符不同(kHv9PAlStPZaZ J vs kHv9PAlStPZaZ Z)：

- kHv9PAlStPZaZJHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==

+ kHv9PAlStPZaZZHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==

我們存儲在這個cookie里的原始數據，是看起來像這樣的數組：

array(2) {  
  ["admin"]=> 
  int(0)  
  ["user"]=> 
  "aaaaaaaaaaaaa"  
 }

但在僅僅改變初始化向量的一個字節之后，我們就能夠改寫我們的閱讀信息：

array(2) {  
  ["admin"]=> 
  int(1)  
  ["user"]=> 
  "aaaaaaaaaaaaa"  
}

根據底層應用程序的設置方法，你或許可以翻轉一位進而提升成為一名管理員。即使你的cookie是加密的。如果你想再現我們的結果，我們的加密密鑰是十六進制下的：000102030405060708090a0b0c0d0e0f

#p#

0x04 認證

如上所述，認證旨在提供信息的完整性(我們指顯著抗篡改能力)，而這證明它來自預期的源(真實性)。這樣做的典型方法是，為信息計算一個密鑰散列消息認證碼(HMAC的簡稱)，并將信息與它連結。

function hmac_sign($message, $key)  
{  
    return hash_hmac('sha256', $message, $key) . $message;  
}  
function hmac_verify($bundle, $key)  
{  
    $msgMAC = mb_substr($bundle, 0, 64, '8bit');  
    $message = mb_substr($bundle, 64, null, '8bit');  
    return hash_equals(  
        hash_hmac('sha256', $message, $key),  
        $msgMAC  
    );  
}

重要的是，這里使用一個適當的哈希工具，如HMAC，而不僅僅是一個簡單的散列函數。

function unsafe_hash_sign($message, $key)  
{  
    return md5($key.$message) . $message;  
}  
function unsafe_hash_verify($bundle, $key)  
{  
    $msgHash = mb_substr($bundle, 0, 64, '8bit');  
    $message = mb_substr($bundle, 64, null, '8bit');  
    return md5($key.$message) == $msgHash;  
}

我在這兩個函數名前面加了unsafe，是因為它們還是易受到一些缺點的危害：

Timing Attacks

Chosen Prefix Attacks on MD5 (PDF)

Non-strict equality operator bugs (largely specific to PHP)

現在，我們有點接近我們強大的對稱加密認證的目標。目前仍有幾個問題，如：

如果我們的原始信息以空字節結尾會發生什么?

有沒有一個比mcrypt擴展庫默認使用的更好的填充策略?

由于使用AES，有哪些通信方面是易受攻擊的?

幸運的是，這些問題在現有的加密函數庫中已有了解答。我們強烈推薦你使用現有的庫，而不是寫自己的加密功能。對于PHP開發人員來說，你應該使用defuse/php-encryption(或者libsodium)。

0x05 用Libsodium安全加密Cookies

/*  
// At some point, we run this command:  
$key = Sodium::randombytes_buf(Sodium::CRYPTO_AEAD_CHACHA20POLY1305_KEYBYTES);  
*/  
   
/**  
 * Store ciphertext in a cookie  
 *   
 * @param string $name - cookie name  
 * @param mixed $cookieData - cookie data  
 * @param string $key - crypto key  
 */  
function setSafeCookie($name, $cookieData, $key)  
{  
    $nonce = Sodium::randombytes_buf(Sodium::CRYPTO_SECRETBOX_NONCEBYTES);  
   
    return setcookie(  
        $name,  
        base64_encode(  
            $nonce.  
            Sodium::crypto_secretbox(  
                json_encode($cookieData),  
                $nonce,  
                $key  
            )  
        )  
    );  
}  
   
/**  
 * Decrypt a cookie, expand to array  
 *   
 * @param string $name - cookie name  
 * @param string $key - crypto key  
 */  
function getSafeCookie($name, $key)  
{  
    $hexSize = 2 * Sodium::Sodium::CRYPTO_SECRETBOX_NONCEBYTES;  
    if (!isset($_COOKIE[$name])) {  
        return array();  
    }  
   
    $decoded = base64_decode($_COOKIE[$name]);  
    $nonce = mb_substr($decoded, 0, $hexSize, '8bit');  
    $ciphertext = mb_substr($decoded, $hexSize, null, '8bit');  
   
    $decrypted = Sodium::crypto_secretbox_open(  
        $ciphertext,  
        $nonce,  
        $key  
    );  
    if (empty($decrypted)) {  
        return array();  
    }  
   
    return json_decode($decrypted, true);  
}

對于沒有libsodium庫的開發人員，我們的一個博客讀者，提供了一個安全cookie實現的例子，其使用了defuse/php-encryption(我們推薦的PHP庫)。

0x06 使用關聯數據的認證加密

在我們前面的示例中，我們集中精力于，同時使用加密和認證，使其作為必須小心使用的單獨組件，以避免加密的悲劇。具體而言，我們專注于密碼段鏈接模塊的AES加密。

然而，密碼學家已經開發出更新，更具有彈性的加密模型，其加密和認證信息在同一操作。這些模型被稱為AEAD模型(Authenticated Encryption with Associated Data)。關聯數據意味著，無論你的應用程序需要什么進行認證，都不加密。

AEAD模型通常用于有狀態的目的，如網絡通信中，其中一個隨機數可以很容易地管理。

AEAD兩個可靠的實現是AES-GCM和ChaCha20-Poly1305。

AES-GCM是Galois/Counter模式中的高級加密標準(又名Rijndael算法加密)。這種模式在OpenSSL的最新版本中加入，但它目前在PHP中還不被支持。

ChaCha20-Poly1305結合了ChaCha20流密碼與Poly1305消息認證碼。這種模式在libsodium PHP擴展可用。Sodium::crypto_aead_chacha20poly1305_encrypt() Sodium::crypto_aead_chacha20poly1305_decrypt()

總結一下，你該記住的

加密不是認證

加密提供機密性

認證提供完整性

將兩者混為一談你就得自擔風險

為了完成CIA triad，你需要單獨解決可用性。這通常不是一個加密問題。

更重要的是：在密碼學專家的監督下，使用具有韌性被證實記錄的庫，而不是自己在那里閉門造車，你會好得多。

原文：https://paragonie.com/blog/2015/05/using-encryption-and-authentication-correctly

責任編輯：藍雨淚來源：烏云知識庫

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