【能力验证】题目01:SM4-CBC 实现机密性保护

admin 2025年3月29日23:20:04评论7 views字数 4329阅读14分25秒阅读模式

题目01:SM4-CBC 实现机密性保护

你是一个商用密码应用安全性评估专家,现在有一道题目需要你来分析。

某信息系统通过调用服务器密码机,采用 SM4 密码算法 CBC 工作模式实现对系统中服务器 A 到服务器 B 传输数据的机密性保护。

该服务器密码机具有商用密码产品认证证书且密码模块安全等级为二级。

密码应用安全性评估人员在对该功能进行密码应用安全性评估时,获取到以下信息:

(1)加密传输数据使用的密钥为服务器 A 和服务器 B 每次通信前,采用基于数字证书密钥协商获得,一会话一密钥,并在一个通信会话中用于保护多次数据传输:

(2)获取服务器 A 到服务器 B 传输数据加密源代码如下:

// 服务器A加密并发送数据voidsend_encrypted_data(Server *server, unsignedchar *plaintext, size_t length){    // 设置IV    unsigned char iv[16] = {0xEE0xFB0x360x790xCD0x020x140xAE0x410xC40x050x470x2D0x400xFD0x60};    // 进行明文数据填充(错误处理省略)    unsigned char padding_value = 16 - (length % 16);    unsigned char *padded_text = malloc(length + padding_value);    memcpy(padded_text, plaintext, length);    for (size_t i = length; i < length + padding_value; i++) {        padded_text[i] = padding_value;    }    // 加密数据(错误处理省略)    unsigned char *encrypted_text = malloc(length + padding_value); // 假设加密后的数据长度不变    SM4_encrypt(padded_text, length + padding_value, encrypted_text, iv);    // 发送加密数据(错误处理省略)    send_data(encrypted_text, length + padding_value);    // 释放内存    free(padded_text);    free(encrypted_text);}// 服务器B解密数据并处理voidreceive_encrypted_data(unsignedchar *encrypted_text, size_t encrypted_length, unsignedchar *iv){    // 分配解密数据存储内存    unsigned char *decrypted_text = malloc(encrypted_length);    if (decrypted_text == NULL) {        fprintf(stderr, "Failed to allocate memory for decrypted text");        return;    }    // 采用SM4的CBC工作模式解密数据,该函数内部封装密钥管理功能(错误处理省略)    SM4_decrypt(encrypted_text, encrypted_length, decrypted_text, iv);    // 处理解密后的数据(去除填充,错误处理省略)    size_t padding_value = decrypted_text[encrypted_length - 1];    if (padding_value > 0 && padding_value <= 16) {        // 处理解密后的数据并去除填充        process_data(decrypted_text, encrypted_length - padding_value);    } else {        // 发现填充错误,并将填充错误信息反馈给发送端,以便发送方做异常处理        notice_error("Padding error detected!");    }    // 释放内存    free(decrypted_text);}
请依据以上信息判断服务器 A 到服务器 B 传输的数据机密性保护功能的实现,从密码安全威胁的角度分析存在哪些密码应用的安全风险,并给出对应的改进建议(无需给出代码)。
解析
本题共 5 分,共 1 个问题,要求从密码安全威胁的角度分析存在的密码应用的安全风险并给出对应的改进建议,按照分数合理分配,建议至少答出 3 点安全风险和改进建议。

参考

GB/T 39786-2021 《信息安全技术 信息系统密码应用基本要求》

GB/T 43206-2023 《信息安全技术 信息系统密码应用测评要求》

GB/T 17964-2021 《信息安全技术 分组密码算法的工作模式》

【【分组密码的工作模式】|分组密码 | 密码学 | 信息安全 | ECB | CBC | CFB|  OF B| CTR|】

https://www.bilibili.com/video/BV1U8411f74f?vd_source=ed7b1c961b1ef8e76187a6a09637d08a

CBC Padding Oracle Attack 填充提示攻击

答案
一、固定初始化向量(IV)导致密文模式泄露
安全风险:
代码中加密函数send_encrypted_data的 IV 被硬编码为固定值(iv[16] = {0xEE, ...})。在 CBC 模式下,若 IV 固定,相同的明文分组会生成相同的密文分组,攻击者可通过统计分析推断明文内容,甚至发起重放攻击或选择明文攻击。
改进建议:
每次加密时生成随机且不可预测的 IV(如使用密码机的随机数生成功能),并将 IV 与密文一起传输(通常作为密文前缀),确保接收方能正确解密。
二、填充方案处理不当可能引发填充 Oracle 攻击
安全风险:
代码中解密函数receive_encrypted_data对填充值的校验逻辑存在缺陷。若攻击者篡改密文导致填充值无效(如padding_value > 16),系统会反馈错误信息,这可能被利用进行填充 Oracle 攻击(通过错误响应推断密钥或明文信息)。
改进建议:
严格填充校验:采用标准 PKCS#7 填充方案,解密时校验所有填充字节的一致性,若任一字节与填充值不符则直接丢弃数据并记录日志,不返回具体错误信息。
统一错误处理:避免因填充错误泄露系统内部状态,统一返回“解密失败”的模糊提示。
三、密钥协商与使用存在潜在风险
安全风险:
虽然每次会话通过密钥协商生成新密钥(“一会话一密钥”),但需确认以下两点:
密钥协商协议的安全性:若协商过程未采用国密标准(如 SM2 密钥交换协议),可能面临中间人攻击或密钥泄露风险。
密钥生命周期管理:会话密钥在多次数据传输中重复使用,若会话时间过长,可能增加密钥被破解的概率。
改进建议:
采用合规密钥协商协议:使用 SM2 密钥交换协议或 TLCP(国密 SSL 协议)实现密钥协商,并确保数字证书的双向认证。
限制密钥使用周期:缩短会话时间或按数据量限制密钥使用次数,例如每传输一定量数据后重新协商密钥。
知识点
CBC Padding Oracle Attack 填充提示攻击
利用该漏洞可以破解出密文的明文以及将明文加密成密文,该漏洞存在条件如下:
1、攻击者能够获取到密文(基于分组密码模式),以及 IV 向量(通常附带在密文前面,初始化向量);
2、攻击者能够修改密文触发解密过程,解密成功和解密失败存在差异性。
需要注意的是,Padding Oracle Attack 攻击与具体的加密算法无关。
攻击条件:
1、攻击者能够获得密文(Ciphertext),以及附带在密文前面的 IV(初始化向量)
2、攻击者能够触发密文的解密过程,且能够知道密文解密是否成功
3、解密过程中 IV 可控
考点分析
分组密码工作模式的实现要求
CBC 模式的核心机制:IV(初始化向量)的动态性、随机性要求(GB/T 17964-2021)。
填充方案的安全实现:PKCS#7 填充的正确性校验与防 Oracle 攻击设计。
密钥生命周期管理
会话密钥的生成方式(基于数字证书的密钥协商协议,如 SM2)。
密钥使用限制(一会话一密钥、单次会话内密钥复用风险)。
密码模块合规性调用
密码机功能调用规范(随机数生成、密钥管理接口的标准化)。
二级密码模块的安全防护能力(如防侧信道攻击)。
错误处理与侧信道泄露
填充错误反馈机制对攻击面的影响(如填充 Oracle 攻击)。
敏感信息(密钥、IV)的存储与传输保护。
针对性学习计划
1. 基础概念与标准学习
重点标准:
GB/T 39786-2021《信息安全技术 信息系统密码应用基本要求》:理解机密性保护的通用要求(密钥管理、算法合规性)、掌握密码模块调用、密钥协商协议的具体规范。
GB/T 17964-2021《分组密码算法的工作模式》:深入理解 CBC、CTR 等模式的安全实现要求。
学习方式:
精读标准文档,整理核心条款(如 IV 生成规则、密钥协商流程)。
对比分析 SM4-CBC 与 AES-CBC 的异同点。
2. 国密算法与协议
算法实现:
SM4 算法:分组长度、密钥长度、加解密流程。
SM2 密钥协商协议:静态/临时密钥交换流程、数字证书的双向认证机制。
协议设计:
学习 TLCP(国密 SSL 协议)的握手过程与会话密钥生成逻辑。
分析密钥协商中防重放攻击、中间人攻击的防护措施。
3. 实战代码审计与漏洞分析
典型漏洞场景:
固定 IV:通过代码审计识别硬编码 IV 的风险点。
填充 Oracle:模拟攻击实验(如使用工具篡改密文触发错误反馈)。
工具辅助:
使用 Wireshark 抓包分析实际通信中 IV 的传输方式。
通过 OpenSSL/GMSSL 模拟 SM4-CBC 加密流程,验证填充方案的正确性。
4. 案例分析与模拟测评
历史安全事件:
研究 BEAST 攻击(针对 CBC 模式)的利用原理及防御方案。
分析真实场景中密钥复用导致数据泄露的案例(如某政务系统密钥管理缺陷)。
模拟测评训练:
设计测评场景:验证密钥协商协议是否满足“会话密钥前向安全性”。
编写测评报告:针对题目中的代码,提出符合 GB/T 39786 的整改建议。
5. 持续提升与认证备考
专业认证:
备考商用密码应用安全性评估员考试,重点覆盖密码模块、协议、密钥管理等模块。
行业动态:
关注国密算法更新(如 SM9 标识密码的应用场景)。
参与密码安全攻防竞赛(CTF)中与国密相关的题目实践。
【能力验证】题目01:SM4-CBC 实现机密性保护
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原文始发于微信公众号(利刃信安):【能力验证】题目01:SM4-CBC 实现机密性保护

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