Katagaitai CTF勉強会 #4 Crypto

CTF勉強会 #4
Crypto
2016.01.23 TOKYO / 2016.02.06 OSAKA
trmr (@trmr105)
katagaitai

注意事項
 本スライドは勉強会で利用したものを元に作成しています。
 勉強会では問題サーバを利用しましたが既に停止しています。
 問題サーバのIPやホスト名が出てくる箇所がありますが、随時
読み替えをお願いいたします。
 リンク切れ等ご容赦ください。
 勉強会時点で誤っていた個所を一部修正しています。
 問題は下記URLに配置しています。
 http://pastebin.com/RfwJn2MM
 次ページに勉強会参加者有志のwriteupを載せています。
 私のwriteupよりも100倍いい出来なので、ぜひそちらも参照し
てください。
2

Writeup & Impression3
 katagaitai勉強会#4 開催後、reconで見つけたwriteupや感想です。
 http://syagi.hatenablog.com/entry/2016/01/29/225258
 linus404さん作。今頃は実装も終わってるはず。
 http://encry1024.hatenablog.com/entry/2016/02/02/154645
 encry1024さんによる感想。Rubyで回りきったのだろうか。
 http://www.slideshare.net/YOKARO-MON/csaw-ctf-2014-quals-crypto300
 you_0708さんによるwriteup。英語ですね。グローバルですね。
 http://turn-up.hatenablog.com/entry/2016/02/01/192814
 turn_upさんによる感想。加筆期待wktk。
 https://fish.minidns.net/news/58
 Kanataさんによる感想。上級編も感想書いてくれてましたね。ありがとうございます。
 http://ydfj.blogspot.jp/2016/02/katagaitai-ctf-2016-med.html
 Yudai Fujiwara さんによる感想。暇なときにコード書いたら連絡ください。
 http://furutsuki.hatenablog.com/entry/2016/02/10/053531
 Furutsukiさんによる感想。いずれ書いてください。
 他載せられてない人。私のRecon力不足です。ごめんなさい。
 もしwriteup書いたらtwitter等で連絡いただけると助かります。

Katagaitai勉強会とはなんぞや
好きなことを分かり合える人を増やしたい！
4

楽しみにしていること
Twitterの巡回 Writeup収集
#katagaitaiCTF
5

katagaitaiと愉快な仲間たち
 今回発表する人
 bata(@bata_24) リーダー
 trmr(@trmr105) センセイ
 資料レビュー
 askn(@asai_ken) エース
 運営手伝い
 yagihash(@yagihashoo) シンジン
# 実は他にもいるらしい
# 総数は誰も知らない
We are katagaitai!
6

今日の問題
 [CSAW CTF 2014] Crypto300 - FEAL
CODE
7

今日FEALをやるべき4つの理由
 共通鍵暗号だから
 公開鍵暗号の解き方がパターン化してる問題
 2014年のＣＴＦベスト暗号問題に選ばれていたから
 Golden Flag Awards - http://golden-flags.com/
 12月の上級編がこの問題と関連していたから
 fealの後にsubmeに取り組むことをおすすめ
 中級編と上級編の順番を逆にすればよかった…
 最近の問題についていけてないから
 子育てに追われている…
 世の中の父親はすごい
8

とりあえずやってみよう
① 問題につなげてみよう
$ nc katagaitai.orz.hm 8888 (18888 or 28888)
※ホスト名がリアルだけど、気にしない
つながりますか？
つながらない人は手をあげてください
9

とりあえずやってみよう
② ファイルを落としてみよう
以下のパスにサーバで動作しているpythonコードを置いてます
https://goo.gl/9XymPK
10

Pythonコードを見てみよう。11
本番サーバは違う値が
入ってます。
※鍵の生成方法もちょっ
と変えてます。
（固定値にしてます）

最初の問題
 まずはじめに次のSHA1ハッシュを要求される
 SHA1ハッシュの末尾16ビットが”1”
 入力値が与えられた文字列で始まる
 入力長は21バイト
 腕慣らしにやってみましょう。
 終わったら問題を解き始めてください。
 Solver: https://goo.gl/WUbcgb
20分12
C実装のが速度的によい

注意事項
 CSAW CTFの問題はFEAL4.3ですが、元となった暗号FEAL
を解説します。
 ほんのちょっとだけ仕様が違います。
 スライド中に出てくる「+」はXoRです
13

暗号問題の解き方
 CTFの暗号問題は二つに分けられる
 「公表されている暗号」か「独自に作った暗号」
 公表されている暗号
 RSA, AESなど
 過去に様々な研究者が解析し脆弱性を報告
 独自に作った暗号
 暗号を独自に作るのはものすごく大変
 多くは公表されている暗号を基にして作成
14

暗号のソースコード15
コードを読んで脆弱性を
見つけるのは難しい

暗号問題の解き方手順16
いかに初動であたりをつけるかが重要
 マルウェアの解析手順 by JPCERTの中の人
 表層解析
 動的解析
 静的解析
 暗号の解析も同じ
 表層解析 → 何の暗号かあたりをつける
 動的解析 → 動かしてどのような問題か把握
 静的解析 → 問題の重要な場所だけちゃんと読む

暗号問題の解き方
 CTFの暗号問題は二つに分けられる
 「公表されている暗号」か「独自に作った暗号」
 公表されている暗号
 RSA, AESなど
 過去に様々な研究者が解析し脆弱性を報告
 独自に作った暗号
 暗号を独自に作るのはものすごく大変
 多くは公表されている暗号を基にして作成
17
まずぐぐる
まずぐぐる
暗号問題はぐぐることが大事

ぐぐってみた18
Wikipedia！！

Wikipedia19
Differencial Cryptanalysis！！

さらにぐぐってみた20
攻撃コードがあった！！！！！

解けた！！！！！21
これで勝つる！！！！！
本番ならＯＫですが
勉強会なので勉強します

共通鍵暗号と公開鍵暗号
 公開鍵暗号 – 暗号化と復号に異なる鍵を利用
 共通鍵暗号 – 共通の鍵を利用して暗号化/復号を実施
22
今日はこれ

共通鍵暗号のカテゴリー
 大体このようなカテゴリわけできる（はず）
 ストリーム暗号
 LFSR型：snow, K-Cipher2 etc.
 状態遷移型：RC4, trivium, chacha-20 etc.
 ブロック暗号
 Feistel構造：DES, MISTY, Camellia, FEAL etc.
 SPN構造：AES, Serpent etc.
今日はこれ
23
上級編はこっち

暗号に求められること
Key (K) Key (K)
暗号化暗号化
 入力情報（鍵・平文）の適切な攪拌
出力の値は全く異なるのが望ましい
25
少しでも入力が違えば

差分解析
Plaintext A Plaintext A + ⊿
Key (K) Key (K)
暗号化暗号化
diff
入力に差分
 入力情報（鍵・平文）ペアに差分を与える
 出力の差分を見ることで偏りがないか確認
出力差分に相関が出現！
26

FEAL-4のアルゴリズム
 FEAL-4
 4ラウンドFeistel構造
 ラウンド毎にf関数にて処理
27
http://www.theamazingking.com

FEAL-4のラウンド関数
 FEAL-4のラウンド関数f
 Byte(8-bit)ごとの処理
 G0,G1の2つの関数が存在
 G関数は入力a,bが「０」ならば、出力は「０」 or 「4 (1<<2)」
となる
28

FEALのラウンド関数の解析
 次の条件を満たす入力を考える
 X0=X1 and X2=X3
 XoRで打ち消しが発生し、Y1およびY2が固定値に
29
4(1<<2) 16(1<<4)G(X0+4) G(X3+16)
X0=X1 X2=X3

FEALのラウンド関数の差分
 次の条件を満たす入力の出力差分を考える
 X0=X1 and X2=X3
 入力X, X’の出力の差分ΔYは？
30

FEALのラウンド関数の差分
 次の条件を満たす入力の出力差分を考える
 X0=X1 and X2=X3
 入力X, X’の出力の差分ΔYは？
31
4 16G(X0+4) G(X3+16) 4 16G(X’0+4) G(X’3+16)
ΔY0 = G(X0+4)+G(X’0+4), ΔY1 = 0, ΔY2 = 0, ΔY3 = G(X’3+16)+G(X’3+16)
ΔYに大きな偏り
X’0=X’1 X’2=X’3X0=X1 X2=X3

 次のような入力ペアの出力差分を考える
 X = 0x00000000 (X0=0x00, X1=0x00, X2=0x00, X3=0x00)
 X’ = 0x80800000 (X0=0x80, X1=0x80, X2=0x00, X3=0x00)
32
G0(4)=0x10 G1(16) G1(16)G0(84)=0x12

 次のような入力ペアを考える
 X = 0x00000000 (X0=0x00, X1=0x00, X2=0x00, X3=0x00)
 X’ = 0x80800000 (X0=0x80, X1=0x80, X2=0x00, X3=0x00)
33
G0(4)=0x10 G1(16) G1(16)G0(84)=0x12
ΔY0 = 0x02, ΔY1 = 0, ΔY2 = 0, ΔY3 =0
ΔX=0x80800000ならば必ずΔY=0x02000000
特定の入力差分において、出力差分が一定となる

FEALの差分解析34
1ラウンドなら
特定の入力差分の際に
出力差分に偏り
途中の値はわからない
出力の値はわかる

全体を通した際に
出力差分は出るか？
1ラウンドなら
特定の入力差分の際に
出力差分に偏り

 次の差分を持つ平文ペアを入力する
 0x8080000080800000
0x80800000 0x80800000
暗号文に相関が出てほしい

 0x8080000080800000
 同じ鍵で暗号化されているため鍵の入力差分は０
0x80800000 0x80800000
0 0
0

 0x8080000080800000
0x80800000 0x80800000
0x80800000
0
0x02000000
ここの差分は不明
0
最終ラウンドへの
左入力の差分は
0x02000000
右入力の差分は
不明…
途中で出力の
差分が出せなくなる

 0x8080000080800000
0x80800000 0x80800000
入力に差分を与えることで
最終ラウンドの入力差分を
操作可能
今度は出力から考える
最終ラウンドに
フォーカス

FEALの最終ラウンドの差分解析
 左入力差分＝0x02000000
 右入力差分は特定できない
40
0x02000000
key
f
Output
？？？？？
Output

FEALの最終ラウンドの解析
 差分ではなく通常の処理で考える
41
key
f
暗号文(C1) 暗号文(C2)
入力(X1) 入力(X2)

FEALの最終ラウンドの解析42
key
f
C1+C2(=X2)
 差分ではなく通常の処理で考える

 出力ペアの差分より最終ラウンドの右側の入力差分は
C1+C2+C1’+C2’=ΔC1+ΔC2
43
key
f
key
f
暗号文(C1’) 暗号文(C2’)
入力(X1’) 入力(X2’)
C1+C2 C1’+C2’
出力から右入力差分を特定可能

FEALの最終ラウンドの差分解析44
0x02000000
key
f
出力差分(ΔC1)
ΔC1+ΔC2
入力差分(ΔX1) 入力差分(ΔX2)
出力差分(ΔC2)
最終ラウンドの全入出力差分を特定できた！
この値は？

 出力ペアの差分より最終ラウンドの右側の入力差分は
C1+C2+C1’+C2’=ΔC1+ΔC2
 f関数の出力差分はf(C1+C2+key)+f(C1’+C2’+key)
45
key
f
key
f
暗号文(C1’) 暗号文(C2’)
入力(X1’) 入力(X2’)
C1+C2 C1’+C2’
f(C1+C2+key) f(C1’+C2’+key)

0x02000000
key
f
出力差分(ΔC1)
ΔC1+ΔC2
出力差分(ΔC2)
f(C1+C2+key)+f(C1’+C2’+key)
この値は？
ΔC1 = f(C1+C2+key)+f(C1’+C2’+key)+0x02000000

0x02000000
key
f
出力差分(ΔC1)
ΔC1+ΔC2
出力差分(ΔC2)
f(C1+C2+key)+f(C1’+C2’+key)
この値は？
ΔC1 = f(C1+C2+key)+f(C1’+C2’+key)+0x02000000
この式を満たすkeyを
探索することで、値を特定可能！！！

何ができたか？48
K3を導出できた！

FEALの次のラウンド鍵解読49
K3を解読したので
暗号文から逆算することで
3ラウンド目の出力が手に入る

今度は3ラウンド目の入力差分と
出力差分よりK2の鍵解読を実施

これを繰り返すことでK1～K3を
解読可能！

FEALの開始ラウンドの解析53
P1
key4
f
出力(C1)
P2
入力平文入力平文
出力(C2)
key5
key0

FEALの開始ラウンドの解析54
P1
key4
f
出力(C1)
P2
入力平文入力平文
出力(C2)
key5
key0
K4 = C1 + f(C2+K0) + P1
K5 = C2 + K4 + P1 + P2 = C1 + C2 + P2 + f(C2 + K0)
この式を満たすK0を
探索することで、K4, K5の値を特定可能！！！

実習
 とりあえずやってみましょう
 先にwriteupを紹介します
 katagaitai版
 http://pastebin.com/eZaHEEQx
 http://pastebin.com/UweM5NsT
 他にも転がってる。Google先生は神。
 解説はFEAL4でしたが問題はFEAL4.3です。
 ちょっとだけある箇所が違います。
 解けた人は上級編の問題をやってください
 スライドはこちら
http://www.slideshare.net/trmr105/katagaitai-ctf-3-crypto
 残り15分になったらwriteupのコード解説しようと思ってます
 音楽にリクエストがあれば@trmr105または#katagaitaiCTFで
ツイートしてください
 東京ではともりなおにジャックされた
90分55

trmr版FEALの解き方
 差分を使った解き方はいろいろある、と思う。
 あくまで一例。
 今回のwriteupの成り立ち
 trmrがpythonで書く
 速度が出ない
 bata氏がCで書き直す
 100倍高速化！！
 Cは神
 writeupの動かし方
 １）writeup_feal.cをtest.cにリネーム
 ２）writeup_feal.pyを実行
 ※接続先のホスト名はPython実行前に確認＆修正してください
 ※まずはローカルで試すのをおすすめ
56

解答
 writeupを動かすと
57
HackerLikesHakka

本番でのとき方
 1. ぐぐる
 2. 暗号を特定する
 3. 攻撃方針を決定する
 4. 公開されている暗号との違いを特定
 5. 攻撃する
 6. フラグゲット！
 今回のように考えて解く場合CSAW300点問題では無いは
ず
 400～500点くらい？そもそもCSAWで出るのか説
58

参考文献
 参考文献
 The Amazing King
 http://www.theamazingking.com
 Wikipedia[英語版]
 https://en.wikipedia.org/wiki/FEAL
 暗号技術大全 (アップデート希望)
 その他論文
59

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