白盒AES和SM4实现的差分故障分析

DFA攻击背景介绍

传统的密码安全性分析环境被称为黑盒攻击环境，攻击者只能访问密码系统的输入与输出，但随着密码系统部署环境的多样化，该分析模型已经不能够反映实际应用中攻击者的能力。
2002年，Chow等人提出了白盒攻击环境的概念，该攻击环境中的攻击者对算法运行环境具备完全的控制权，并且完全掌握算法的设计细节。
白盒攻击环境中攻击者的能力包括但不限于：动态观测算法程序运行过程、修改算法程序运行过程中的中间值、对算法程序进行调试分析等，其中包括了差分计算分析(DCA)。
差分计算分析(DCA)：DCA不需要攻击者掌握算法的设计细节，只需要采集算法程序在运行过程的中间状态，通过相应的统计分析方法提取密钥。DCA分析只需要掌握白盒实现的底层算法，能够监测白盒实现程序的运行过程即可进行分析，极大地降低了分析的部署难度。
与DCA相似的，Sanfelix，Mune和de Haas在BlackHat Europe 2015上成功提出了针对相同白盒挑战的
差分故障分析（DFA）攻击，也就是我们今天要研究的差分故障分析攻击。在大部分白盒攻击模型中，故障非常容易执行且成本低廉，并且不会导致程序自我毁灭

AES算法介绍

AES是著名的非对称算法，通过每轮变换的轮密钥实现加密。它由 10、12 或 14 轮（分别用于 AES-128、AES-192 和 AES-256）组成）通过重复操作逐步转换 16 字节输入。在AES-128里，第一轮的密钥就是AES的密钥，而在AES-256里，第一轮的密钥被拆分为两个轮密钥。
而问题就出在这里，在白盒里面，密钥不会从原地进行轮密钥加，而是在生成白盒时预先计算的，而且轮密钥加会混合在其他轮次中来进行隐藏。
AES的整个加密解密流程如下图

AddRoundKey （轮密钥加）— 矩阵中的每一个字节都与该次轮密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
**SubBytes（字节替代） **— 通过非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
**ShiftRows（行移位） **— 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
MixColumns （列混淆）— 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。

DFA分析AES-128加密

DFA 攻击的一般要求是：

• 输出必须在没有外部编码的情况下可观察（直接在密码末尾或解码后在应用程序中的其他地方）。
• 必须能够在同一输入（可以是编码的或未知的）上多次执行密码。在几轮后捕获 AES 的状态并多次恢复它也是一种选择。

由AES加密算法流程可以看出，第10次轮秘钥加之前是没有列混淆的。
所以我们可以知道第九次轮密钥加之前是这样的：

如果我们在第九轮列混淆之前构造如下两组数据：

可以看出这两组数据只有第一个数据不一样，以当前状态继续进行，那么作为状态矩阵的输入就会影响到其余地方，由于
通过上述表达式推算，可以得到一组K10的（0,7,10,13）的位置值，同理，如果换成其他位置的值，可以得到K10的其他位置值，从而推算得到整个K10的值，再根据AES秘钥拓展算法（），最终可以还原原始的加密秘钥。

实战

2023巅峰极客逆向 m1_read

ida打开附件，findcrypto一下发现很明显的AES加密

但是找了很久都没有找到密钥，于是可以联想到是白盒AES（别问怎么联想的），用大爹的模拟执行代码进行还原密钥
我们借用qiling框架来模拟程序执行。

参数传入

函数开头传⼊参数， rcx 存储输⼊的地址

def hook_args(ql: Qiling):
	ql.mem.write(0x500000000, b"\x01" * 16)
	ql.arch.regs.write("rcx", 0x500000000)
	#print(ql.mem.read(0x500000000, 16))
	ql.mem.write(0x500000000 + 0x10, b"\x00" * 16)
	ql.arch.regs.write("rdx", 0x500000000 + 0x10)
	ql.mem.write(0x500000000 + 0x20, b"\x00" * 16)
	ql.arch.regs.write("rbx", 0x500000000 + 0x20)
	#print("Hook Success")
	return
start_addr = 0x140004BF0
ql.hook_address(hook_args, start_addr)

找到插入缺陷数据的地方

上文中，我们说过要将构造多组数据将AES的密钥攻击出来，而我们是在第九次进行轮密钥加之前加入的这种数据，这种数据后文叫缺陷数据。
找到列混合的地方可以很快找到轮密钥加，在本题中我们很容易找到一个对16位字符进行操作的函数，可以肯定这就是列混合的地方。

往下翻，就能找到轮密钥加的地方

每轮v6加了1024*4个字节，也就是1000个字节，在经过八次相加之后就是8000，在这之后加入缺陷代码

在汇编层面上就是下面的代码

def hookcode(ql:Qiling):
	if ql.arch.regs.read("r12") == 0x8000:
        global index
#第一次需要获取正确的密文，所以不需要插入\x00,也就是说下面的write第一次不用写
        ql.mem.write(0x500000000 + index,b'\x00')
        index += 1
#此处是获取正确的密文
    	#print(ql.mem.read(0x500000000,16).hex())
    #print(ql.mem.read(0x500000000,16))
    return
index_addr = 0x1400052c5#这个地址就是判断是否到第酒次的地址
ql.hook_address(hookcode,index_addr)

获取密文

找到定义密文的地方，如下图所示


所以可以直接hook这个地址，拿到密文

def hook_enc(ql:Qiling):
    print(ql.mem.read(0x500000000,16).hex)
    return
enc_addr = 0x1400053ca
ql.hook_addr(hook_enc,enc_addr)

运行两次(每次的运行代码不同)验证正确密文和错误密文，看结果是否满足白盒AES原理

可以看出，分别得到了正确密文为

e14d5d0ee27715df08b4152ba23da8e0

第九轮列混淆时，错误的密文为

d24d5d0ee27715ac08b4bf2ba272a8e0

在第0，7，10，13个字节分别与正确密文有错误，和原理一致。

获取所有错误密文

写个for循环即可得到剩下的密文，整个代码如下

from qiling import *
from qiling.const import QL_VERBOSE

index = 0
ql = Qiling(
    ["/home/nian/桌面/examples/m1_read.exe"],
    r"/home/nian/桌面/examples/rootfs/x86_windows",
    verbose=QL_VERBOSE.OFF,
)


def hook_args(ql: Qiling):
    ql.mem.write(0x500000000, b"\x01" * 16)
    ql.arch.regs.write("rcx", 0x500000000)
    #print(ql.mem.read(0x500000000, 16))
    ql.mem.write(0x500000000 + 0x10, b"\x00" * 16)
    ql.arch.regs.write("rdx", 0x500000000 + 0x10)
    ql.mem.write(0x500000000 + 0x20, b"\x00" * 16)
    ql.arch.regs.write("rbx", 0x500000000 + 0x20)
    #print("Hook Success")
    return


def hook_code(ql: Qiling):
    if ql.arch.regs.read("r12") == 0x8000:
        global index
        ql.mem.write(0x500000000 + index, b"\x00")
        index += 1
        #print(ql.mem.read(0x500000000, 16).hex())
    #print(ql.mem.read(0x500000000 + 0x10, 16))
    return


def hook_enc(ql: Qiling):
    print(ql.mem.read(0x500000000, 16).hex())
    return


index_addr = 0x1400052C5
start_addr = 0x140004BF0
end_addr = 0x14000542D
enc_after = 0x1400053CA
ql.hook_address(hook_args, start_addr)
ql.hook_address(hook_code, index_addr)
ql.hook_address(hook_enc, enc_after)
# e14d5d0ee27715df08b4152ba23da8e0
# e14d5d73e27708df0878152b843da8e0
for i in range(16):
    ql.run(begin=start_addr, end=end_addr)

得到如下错误密文

"""d24d5d0ee27715ac08b4bf2ba272a8e0
e14d5d73e27708df0878152b843da8e0
e14dd50ee23415df7fb4152ba23da890
e16f5d0e537715df08b415e7a23dc6e0
e11a5d0e057715df08b4151ba23d99e0
574d5d0ee277157508b4df2ba234a8e0
e14d5d49e27785df0840152bff3da8e0
e14db80ee2d215dfceb4152ba23da868
e14dc60ee2bf15dfc4b4152ba23da8bf
e1425d0e5e7715df08b415b6a23d4ce0
5d4d5d0ee277159608b42f2ba297a8e0
e14d5d6ce2773ddf089d152ba93da8e0
e14d5dcde2772adf084b152bba3da8e0
e14df40ee27115df96b4152ba23da881
e11b5d0e337715df08b41544a23df3e0
fa4d5d0ee27715af08b42e2ba2c2a8e0"""

还原第十个密钥

现在已知了正确的密文和所有的错误密文，可以用phoenixAES工具来还原原理中提到的k10
https://github.com/SideChannelMarvels/JeanGrey/tree/master/phoenixAES
代码如下：

import phoenixAES

with open("tracefile","wb") as t:
    t.write(
        """ e14d5d0ee27715df08b4152ba23da8e0
            d24d5d0ee27715ac08b4bf2ba272a8e0
            e14d5d73e27708df0878152b843da8e0
            e14dd50ee23415df7fb4152ba23da890
            e16f5d0e537715df08b415e7a23dc6e0
            e11a5d0e057715df08b4151ba23d99e0
            574d5d0ee277157508b4df2ba234a8e0
            e14d5d49e27785df0840152bff3da8e0
            e14db80ee2d215dfceb4152ba23da868
            e14dc60ee2bf15dfc4b4152ba23da8bf
            e1425d0e5e7715df08b415b6a23d4ce0
            5d4d5d0ee277159608b42f2ba297a8e0
            e14d5d6ce2773ddf089d152ba93da8e0
            e14d5dcde2772adf084b152bba3da8e0
            e14df40ee27115df96b4152ba23da881
            e11b5d0e337715df08b41544a23df3e0
            fa4d5d0ee27715af08b42e2ba2c2a8e0
            """.encode("utf-8")
    )
phoenixAES.crack_file("tracefile",verbose=0)

运行后得到k10

"""B4EF5BCB3E92E21123E951CF6F8F188E"""

还原原始密钥

得到第十轮的密钥后，就可以着手还原原始密钥了，用到的工具是Stark
https://github.com/SideChannelMarvels/Stark
下载好stark之后要记得在文件目录下面make把三个c文件编译成可执行文件，再用可执行文件操作，如下图

这样一来，就得到原始密钥key0了

"""00000000000000000000000000000000"""

再利用原始密钥解密原始密文，即可得到明文

解密

out.bin里面的密文

"""0B987EF5D94DD679592C4D2FADD4EB89"""

解密即可得到明文

from Crypto.Cipher import AES

enc = bytearray(bytes.fromhex("0B 98 7E F5 D9 4D D6 79 59 2C 4D 2F AD D4 EB 89"))
enc = bytes([enc[i] ^ 0x66 for i in range(16)])
key = bytes.fromhex("00000000000000000000000000000000")
aes = AES.new(key=key, mode=AES.MODE_ECB)
print(aes.decrypt(enc))

运行，得到flag

上述就是基本的AES差分故障分析方法和例题，而除了AES之外，还有DES和SM4的白盒，它们和AES的故障攻击方法基本大同小异
这里给出SM4的研究论文供大家学习
https://www.anquanke.com/post/id/231483

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