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Common encryption algorithms and code recognition

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前言

在对数据进行变换的过程中,除了简单的字节操作之外,还会使用一些常用的编码加密算法,因此如果能够快速识别出对应的编码或者加密算法,就能更快的分析出整个完整的算法。CTF 逆向中通常出现的加密算法包括base64、TEA、AES、RC4、MD5等。

Base64

Base64 是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。转换的时候,将3字节的数据,先后放入一个24位的缓冲区中,先来的字节占高位。数据不足3字节的话,于缓冲器中剩下的比特用0补足。每次取出6比特(因为 {\displaystyle 2^{6}=64}),按照其值选择ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/中的字符作为编码后的输出,直到全部输入数据转换完成。

通常而言 Base64 的识别特征为索引表,当我们能找到 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/ 这样索引表,再经过简单的分析基本就能判定是 Base64 编码。

当然,有些题目 base64 的索引表是会变的,一些变种的 base64 主要 就是修改了这个索引表。

Tea

密码学中,微型加密算法(Tiny Encryption Algorithm,TEA)是一种易于描述和执行块密码,通常只需要很少的代码就可实现。其设计者是剑桥大学计算机实验室大卫·惠勒罗杰·尼达姆

参考代码:

#include <stdint.h>

void encrypt (uint32_t* v, uint32_t* k) {
    uint32_t v0=v[0], v1=v[1], sum=0, i;           /* set up */
    uint32_t delta=0x9e3779b9;                     /* a key schedule constant */
    uint32_t k0=k[0], k1=k[1], k2=k[2], k3=k[3];   /* cache key */
    for (i=0; i < 32; i++) {                       /* basic cycle start */
        sum += delta;
        v0 += ((v1<<4) + k0) ^ (v1 + sum) ^ ((v1>>5) + k1);
        v1 += ((v0<<4) + k2) ^ (v0 + sum) ^ ((v0>>5) + k3);  
    }                                              /* end cycle */
    v[0]=v0; v[1]=v1;
}

void decrypt (uint32_t* v, uint32_t* k) {
    uint32_t v0=v[0], v1=v[1], sum=0xC6EF3720, i;  /* set up */
    uint32_t delta=0x9e3779b9;                     /* a key schedule constant */
    uint32_t k0=k[0], k1=k[1], k2=k[2], k3=k[3];   /* cache key */
    for (i=0; i<32; i++) {                         /* basic cycle start */
        v1 -= ((v0<<4) + k2) ^ (v0 + sum) ^ ((v0>>5) + k3);
        v0 -= ((v1<<4) + k0) ^ (v1 + sum) ^ ((v1>>5) + k1);
        sum -= delta;                                   
    }                                              /* end cycle */
    v[0]=v0; v[1]=v1;
}

在 Tea 算法中其最主要的识别特征就是 拥有一个 image number :0x9e3779b9 。当然,这 Tea 算法也有魔改的,感兴趣的可以看 2018 0ctf Quals milk-tea。

RC4

密码学中,RC4(来自Rivest Cipher 4的缩写)是一种流加密算法,密钥长度可变。它加解密使用相同的密钥,因此也属于对称加密算法。RC4是有线等效加密(WEP)中采用的加密算法,也曾经是TLS可采用的算法之一。

void rc4_init(unsigned char *s, unsigned char *key, unsigned long Len) //初始化函数
{
    int i =0, j = 0;
    char k[256] = {0};
    unsigned char tmp = 0;
    for (i=0;i<256;i++) {
        s[i] = i;
        k[i] = key[i%Len];
    }
    for (i=0; i<256; i++) {
        j=(j+s[i]+k[i])%256;
        tmp = s[i];
        s[i] = s[j]; //交换s[i]和s[j]
        s[j] = tmp;
    }
 }

void rc4_crypt(unsigned char *s, unsigned char *Data, unsigned long Len) //加解密
{
    int i = 0, j = 0, t = 0;
    unsigned long k = 0;
    unsigned char tmp;
    for(k=0;k<Len;k++) {
        i=(i+1)%256;
        j=(j+s[i])%256;
        tmp = s[i];
        s[i] = s[j]; //交换s[x]和s[y]
        s[j] = tmp;
        t=(s[i]+s[j])%256;
        Data[k] ^= s[t];
     }
} 

通过分析初始化代码,可以看出初始化代码中,对字符数组s进行了初始化赋值,且赋值分别递增。之后对s进行了256次交换操作。通过识别初始化代码,可以知道rc4算法。

其伪代码表示为:

初始化长度为256的S盒。第一个for循环将0到255的互不重复的元素装入S盒。第二个for循环根据密钥打乱S盒。

  for i from 0 to 255
     S[i] := i
 endfor
 j := 0
 for( i=0 ; i<256 ; i++)
     j := (j + S[i] + key[i mod keylength]) % 256
     swap values of S[i] and S[j]
 endfor

下面i,j是两个指针。每收到一个字节,就进行while循环。通过一定的算法((a),(b))定位S盒中的一个元素,并与输入字节异或,得到k。循环中还改变了S盒(©)。如果输入的是明文,输出的就是密文;如果输入的是密文,输出的就是明文。

 i := 0
 j := 0
 while GeneratingOutput:
     i := (i + 1) mod 256   //a
     j := (j + S[i]) mod 256 //b
     swap values of S[i] and S[j]  //c
     k := inputByte ^ S[(S[i] + S[j]) % 256]
     output K
 endwhile

此算法保证每256次循环中S盒的每个元素至少被交换过一次

MD5

MD5消息摘要算法(英语:MD5 Message-Digest Algorithm),一种被广泛使用的密码散列函数,可以产生出一个128位(16字节)的散列值(hash value),用于确保信息传输完整一致。MD5由美国密码学家罗纳德·李维斯特(Ronald Linn Rivest)设计,于1992年公开,用以取代MD4算法。这套算法的程序在 RFC 1321 中被加以规范。

伪代码表示为:

/Note: All variables are unsigned 32 bits and wrap modulo 2^32 when calculating
var int[64] r, k

//r specifies the per-round shift amounts
r[ 0..15]:= {7, 12, 17, 22,  7, 12, 17, 22,  7, 12, 17, 22,  7, 12, 17, 22} 
r[16..31]:= {5,  9, 14, 20,  5,  9, 14, 20,  5,  9, 14, 20,  5,  9, 14, 20}
r[32..47]:= {4, 11, 16, 23,  4, 11, 16, 23,  4, 11, 16, 23,  4, 11, 16, 23}
r[48..63]:= {6, 10, 15, 21,  6, 10, 15, 21,  6, 10, 15, 21,  6, 10, 15, 21}

//Use binary integer part of the sines of integers as constants:
for i from 0 to 63
    k[i] := floor(abs(sin(i + 1)) × 2^32)

//Initialize variables:
var int h0 := 0x67452301
var int h1 := 0xEFCDAB89
var int h2 := 0x98BADCFE
var int h3 := 0x10325476

//Pre-processing:
append "1" bit to message
append "0" bits until message length in bits ≡ 448 (mod 512)
append bit length of message as 64-bit little-endian integer to message

//Process the message in successive 512-bit chunks:
for each 512-bit chunk of message
    break chunk into sixteen 32-bit little-endian words w[i], 0 ≤ i ≤ 15

    //Initialize hash value for this chunk:
    var int a := h0
    var int b := h1
    var int c := h2
    var int d := h3

    //Main loop:
    for i from 0 to 63
        if 0 ≤ i ≤ 15 then
            f := (b and c) or ((not b) and d)
            g := i
        else if 16 ≤ i ≤ 31
            f := (d and b) or ((not d) and c)
            g := (5×i + 1) mod 16
        else if 32 ≤ i ≤ 47
            f := b xor c xor d
            g := (3×i + 5) mod 16
        else if 48 ≤ i ≤ 63
            f := c xor (b or (not d))
            g := (7×i) mod 16

        temp := d
        d := c
        c := b
        b := leftrotate((a + f + k[i] + w[g]),r[i]) + b
        a := temp
    Next i
    //Add this chunk's hash to result so far:
    h0 := h0 + a
    h1 := h1 + b 
    h2 := h2 + c
    h3 := h3 + d
End ForEach
var int digest := h0 append h1 append h2 append h3 //(expressed as little-endian)

其鲜明的特征是:

    h0 = 0x67452301;
    h1 = 0xefcdab89;
    h2 = 0x98badcfe;
    h3 = 0x10325476;

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