如何正確區分并使用加密與認證技術？
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
