[Day19] 資料傳輸安全(完整性)MAC訊息驗證碼 (上)

2017 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 19

Security

資料安全與簡單加密演算法見面會系列第 19 篇

2017鐵人賽 c# xor des

StanleyJui

2017-01-03 06:29:47

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如果資料傳輸的環境是在安全加密的通道內，要確保訊息完整未遭竄改，使用昨天選擇的雜湊Hash algorithm計算(SHA)就很給力了；但如果傳輸通道的安全沒辦法confirm，非經授權的第三者還是有可能竄改並重新運算新的Hash值詐欺我們，因此系統間若要傳送重要的資訊，鑑定訊息完整性的保護需要再進化。

為了使傳輸中的資料不會被非經授權的第三者竄改或破壞，同時也希望強化機密性，在金融產業中有一種訊息驗證碼或稱訊息鑑別碼MAC，一個與彩妝品牌M.A.C與蘋果電腦MAC同名的演算法。

MAC見面

MAC全文是Message Authentication Code，訊息驗證碼，有時在銀行也聽到押碼。是一種卡片交易訊息保護的應用，目的:

確保訊息完整未遭竄改
鑑定訊息來源

傳送端依照雙方固定期間交換好的金鑰，將檔案內容以特定的演算法計算雜湊值，然後連同原始檔案一起傳送到接收端。
接收端收到資料後，也依照雙方約定好的金鑰以特定的演算法對檔案作雜湊運算，然後鑑定雜湊是否相符。

圖片來源:Wiki Mac
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A8%8A%E6%81%AF%E9%91%91%E5%88%A5%E7%A2%BC

MAC目前也是**ISO國際標準(編號:9807)及CNS國家標準(編號:13526)**的項目之一，雖然計算MAC雜湊值演算法也是國際公開的標準，不過MAC的機制中每隔一段時間就會進行加密金鑰的交換，機密性提升了許多。

ISO9807:

Used to validate the source and the text of the message between the sender and receiver

CNS13526:

適用範圍:本標準適用於往來機構間交換金融訊息，它可被用在任格通信服務或其他通信模式的訊息鑑別。本標準提供一些方法來保護在某些機關間（例：銀行間、銀行和公司客戶或政府間）批發式金融訊息的確實性，此乃藉著訊息鑑別碼（Message Authentication Code，簡稱MAC）來達成。

MAC Algorithm

演算法主要分成3個步驟: 明文拆解、運算、取出運算結果。

1.將明文以每8 Byte拆解成幾個Block區塊。

2.逐一進行運算

演算步驟: Des_EN(Des_EN(P1) XOR P2) ~ n times

IV = 0x00，明文與IV或下一段進行XOR運算後再使用DES加密演算法運算。

類似Wiki介紹區塊鏈加密Cipher Block Chaining (CBC)的概念

圖片來源:wiki Cipher Block Chaining (CBC)
https://en.wikipedia.org/wiki/Block_cipher_mode_of_operation

3.取最終加密結果前8個或後8個Hex 16進位運算結果。

整理MAC演算法過程中需要使用到幾個運算方法。

16進位字串轉Byte array
Byte array轉16進位字串
XOR Exclusive OR運算。
DES加密演算法

XOR

在密碼演算法(Algorithm)中，有時會遇到特殊的邏輯運算，這次先介紹常用的Exclusive OR(XOR)⊕。

在C#中需要將將明文字串轉換為整數/布林/位元再用^就解決了，這邊我們選擇轉換為位元。

public static byte[] XOR(byte[] bHEX1, byte[] bHEX2)
{
    byte[] bHEX_OUT = new byte[bHEX1.Length];
    for (int i = 0; i < bHEX1.Length; i++)
    {
        bHEX_OUT[i] = (byte)(bHEX1[i] ^ bHEX2[i]);
    }
    return bHEX_OUT;
}

16進位字串與位元組陣列相互間轉換

碰到的幾種密碼演算法將明文的組成及密文的輸出使用16進位字串(Hex string)，但進行邏輯運算時則需要轉換為Byte[]，為了便於使用，偷偷把轉換功能寫進Extensions。

16進位字串轉換Byte array

public static byte[] HexToByte(this string hexString)
{
    //運算後的位元組長度:16進位數字字串長/2
    byte[] byteOUT = new byte[hexString.Length / 2];
    for (int i = 0; i < hexString.Length; i = i + 2)
    {
        //每2位16進位數字轉換為一個10進位整數
        byteOUT[i / 2] = Convert.ToByte(hexString.Substring(i, 2), 16);
    }
    return byteOUT;
}

Byte array轉換為16進位字串

public static string BToHex(this byte[] Bdata)
{
    return BitConverter.ToString(Bdata).Replace("-", "");
}

DES演算法

寫一段簡單的DES演算法，輸入金鑰及明文進行DES運算。
假設加密工作模式為CBC，初始向量=0

public static byte[] Encryption(byte[] Deskey, byte[] plainText)
{
    SymmetricAlgorithm desAlg = new DESCryptoServiceProvider();
    //設定基碼
    desAlg.Key = Deskey;
    //加密工作模式:CBC
    desAlg.Mode = CipherMode.CBC;
    //補充字元方式:0
    desAlg.Padding = PaddingMode.Zeros;
    //初始向量IV = 0
    desAlg.IV = new byte[] { 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00 };
    ICryptoTransform ict = desAlg.CreateEncryptor(desAlg.Key, desAlg.IV);
    MemoryStream mStream = new MemoryStream();
    CryptoStream cStream = new CryptoStream(mStream, ict, CryptoStreamMode.Write);
    cStream.Write(plainText, 0, plainText.Length);
    cStream.FlushFinalBlock();
    cStream.Close();
    return mStream.ToArray();
}

今天我們先花一些時間準備MAC運算所需要的函式，明天就來針對商家的請款檔案測試每個使用到的方法及運算。