[Day20] 資料傳輸安全(完整性)MAC訊息驗證碼 (下)

2017 iT 邦幫忙鐵人賽

DAY 20

Security

資料安全與簡單加密演算法見面會系列第 20 篇

2017鐵人賽

StanleyJui

2017-01-04 05:40:55

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為了更進一步強化訊息驗證(Message Authentication)的機密性，確保身份正確，昨天我們複習了金融產業中的訊息驗證碼MAC的概念，並且整理MAC演算法過程中需要使用到幾個運算方法。

16進位字串(hexadecimal string)轉Byte array
Byte array轉16進位字串
XOR Exclusive OR運算。
DES加密演算法

好!今天捲起袖子寫程式(C#)。

MAC 演算法實作

演算法實作主要分成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。

習慣上會將輸入的明文(plaint text)視為16進位字串(hexadecimal string)，如果一段8 Byte的明文以16進位表示時，會成為16 Byte，因此MAC演算法中以8 Byte拆解區塊時，實際上需要取每16個Byte明文資料作為區塊(block)。

也因為16進位字串值(hexadecimal string)的範圍從0-F，通常取值時只會取明文中數字(digit)的部分並在取出的字串後端以0或F填補(Padding)。

簡單撰寫取出明文中的數字並進行填補:

[TestMethod]
public void TestgetDigit()
{
    List<string> datas = new List<string>()
    {
        "4567-1111-2222-3333,高雄台鋁生活商場,1000",
        "4567-1111-2222-3333,台北微風信義分店,2000",
        "5567-1111-2222-3333,台南南紡購物中心,3000",
        "END,3,6000"
    };
    foreach (var item in datas)
    {
        Console.WriteLine(getDigit(item));
    }
}

public string getDigit(string plainText)
{
    var matches = Regex.Matches(plainText, @"[0-9]+", RegexOptions.Compiled);
    string s = string.Join(string.Empty, matches.Cast<Match>()
                        .Select(x => x.Value).ToArray());
    if (s.Length % 16 != 0)
    {
        return string.Format("{0}{1}", s, "".PadRight(16 - (s.Length % 16), 'F'));
    }
    return s;
}

執行結果:

這個我們使用LINQ將輸入字串以16 Byte拆解成幾個區塊(block):

List<string> plainTexts = (from Match m in Regex.Matches(plainText, @"\S{16}")
                                       select m.Value).ToList();

2.逐一對block進行`XOR`及`DES`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。

這邊我們假設DES加密金鑰是E6A12F079D15C437，通常金鑰會每隔一段時間交換，例如每8小時，這邊因為是範例，所以先hard code。

[TestMethod]
public void TestMethod2()
{
    //DES加密金鑰
    string DesKey = "E6A12F079D15C437";

    //輸入資料
    List<string> datas = new List<string>()
    {
        "4567-1111-2222-3333,高雄台鋁生活商場,1000",
        "4567-1111-2222-3333,台北微風信義分店,2000",
        "5567-1111-2222-3333,台南南紡購物中心,3000",
        "END,3,6000"
    };

    //輸出資料
    List<string> outdatas = new List<string>();
    foreach (var data in datas)
    {
        //拆解
        List<string> plainTexts = (from Match m in Regex.Matches(getDigit(data), @"\S{16}")
                                   select m.Value).ToList();
        //從第1段明文開始
        byte[] CipherText = plainTexts[0].HexToByte();
        for (int i = 0; i < plainTexts.Count; i++)
        {
            //XOR: SKIP第1次IV=0，
            if (i > 0)
            {
                CipherText = XOR(CipherText, plainTexts[i].HexToByte());
            }
            //Console.WriteLine("{0} time XOR: {1}", i + 1, CipherText.BToHex());

            //加密
            CipherText = Encryption(DesKey.HexToByte(), CipherText);
            //Console.WriteLine("{0} time Encryption: {1}", i + 1, CipherText.BToHex());
        }
        outdatas.Add(string.Format($"{data},{CipherText.BToHex()}"));
    }
    //寫出檔案
    using (System.IO.StreamWriter file = new System.IO.StreamWriter(@"C:\temp\transaction.txt", false))
    {
        foreach (var item in outdatas)
        {
            file.WriteLine(item);
        }
    }
}

寫出的檔案內容: