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Week39 - 各種安全性演算法的應用 - 竊聽、電子欺騙實作 [高智能方程式系列]

本文章同時發佈於:


大家好,繼上次Week38 - 各種安全性演算法的應用 - 概念篇之後,這次要介紹實做,以下程式碼都會使用 Golang 撰寫。

實作

以下實作大量參考Golang RSA encrypt and decrypt exampleGolang: aes-256-cbc examples (with iv, blockSize)

並且全部的範例都在此,請先 clone 下來會較好理解。

竊聽(eavesdrop)

還記得上篇文章 - 「竊聽(eavesdrop)是什麼?」章節防範的方法嗎?就是

將傳送的資料加密,這樣就算壞蛋偷走了也不知道資料內容

接下來就要利用加密訊息的方式來實作,常見的加密有 2 種:

公開金鑰加密(Public-key cryptography),又稱非對稱加密:

  • 擁有私鑰與公鑰 2 把鑰匙
  • 公鑰可以給任何人,私鑰不可以給自己以外的人
  • 加密使用公鑰,解密使用私鑰

對稱密鑰演算法(Symmetric-key algorithm):

  • 擁有 1 把鑰匙
  • 這把鑰匙不可以給不夠信任的人
  • 加密跟解密都用此鑰匙

小明早餐店阿姨如果不夠信任彼此,會採用公開金鑰加密,因為採用對稱密鑰演算法的話,早餐店阿姨把鑰匙給小明小明把這把鑰匙公開給別人就不好了,這樣大家都可以解開早餐店阿姨的加密資料,

使用公開金鑰加密加在原本的循序圖串起來就會如下:

看看程式碼,進入week39/eavesdrop/public的資料夾:

$ cd week39/eavesdrop/public

裡頭有以下檔案:

.
├── key    : 私鑰
├── key.pub: 公鑰
└── main.go: 程式碼

keykey.pub是透過ssh-keygen這個軟體來產生的,使用以下指令可以產生一組RSA公私鑰:

$ ssh-keygen -t rsa -f key -m pem

輸入後會詢問是否要設定passphrase,這是一個安全密碼,如果設定了,以後使用此私鑰還要輸入此安全密碼才可使用,以增加安全性,此範例沒有設定。

code 主要可以看main的部分,註解有解釋流程,搭配循序圖會較好理解:

// 大量參考: https://gist.github.com/mfridman/c0c5ece512f63d429c4589196a1d4242
package main

import (
	"crypto/rand"
	"crypto/rsa"
	"crypto/sha512"
	"crypto/x509"
	"encoding/pem"
	"fmt"
	"io/ioutil"
	"log"
)

// LoadFile load the file to bytes
func LoadFile(path string) []byte {
	content, err := ioutil.ReadFile(path)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	return content
}

// BytesToPrivateKey bytes to private key
func BytesToPrivateKey(priv []byte) *rsa.PrivateKey {
	block, _ := pem.Decode(priv)
	enc := x509.IsEncryptedPEMBlock(block)
	b := block.Bytes
	var err error
	if enc {
		log.Println("is encrypted pem block")
		b, err = x509.DecryptPEMBlock(block, nil)
		if err != nil {
			log.Fatal(err)
		}
	}
	key, err := x509.ParsePKCS1PrivateKey(b)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	return key
}

// BytesToPublicKey bytes to public key
func BytesToPublicKey(pub []byte) *rsa.PublicKey {
	block, _ := pem.Decode(pub)
	enc := x509.IsEncryptedPEMBlock(block)
	b := block.Bytes
	var err error
	if enc {
		log.Println("is encrypted pem block")
		b, err = x509.DecryptPEMBlock(block, nil)
		if err != nil {
			log.Fatal(err)
		}
	}
	ifc, err := x509.ParsePKIXPublicKey(b)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	key, ok := ifc.(*rsa.PublicKey)
	if !ok {
		log.Fatal("not ok")
	}
	return key
}

// EncryptWithPublicKey encrypts data with public key
func EncryptWithPublicKey(msg []byte, pub *rsa.PublicKey) []byte {
	hash := sha512.New()
	ciphertext, err := rsa.EncryptOAEP(hash, rand.Reader, pub, msg, nil)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	return ciphertext
}

// DecryptWithPrivateKey decrypts data with private key
func DecryptWithPrivateKey(ciphertext []byte, priv *rsa.PrivateKey) []byte {
	hash := sha512.New()
	plaintext, err := rsa.DecryptOAEP(hash, rand.Reader, priv, ciphertext, nil)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	return plaintext
}

func main() {
	// 早餐店阿姨產生公私鑰
	privateKey := BytesToPrivateKey(LoadFile("./key"))
	// 公鑰可以透過私要來取得,所以這邊就不在載入公鑰檔案了
	publicKey := &privateKey.PublicKey

	// 小明獲得早餐店阿姨的公鑰,利用此公鑰加密
	encryptedMsg := EncryptWithPublicKey([]byte("小明的付款密碼: 12345"), publicKey)

	// 小明將 encryptedMsg 傳送給早餐店阿姨

	// 早餐店阿姨使用私鑰解開此訊息
	msg := DecryptWithPrivateKey(encryptedMsg, privateKey)
	fmt.Println(string(msg))
}

小明早餐店阿姨如果夠信任彼此,甚至他們可能是同一個系統,那就不必擔心小明早餐店阿姨的鑰匙做壞事了,故可採用對稱密鑰演算法

使用對稱密鑰演算法加在原本的循序圖串起來就會如下:

看看程式碼,進入week39/eavesdrop/symmetric的資料夾:

$ cd week39/eavesdrop/symmetric

裡頭有以下檔案:

.
└── main.go: 程式碼

code 主要可以看main的部分,註解有解釋流程,搭配循序圖會較好理解:

// 大量參考: https://gist.github.com/yingray/57fdc3264b1927ef0f984b533d63abab
package main

import (
	"bytes"
	"crypto/aes"
	"crypto/cipher"
	"crypto/rand"
	"encoding/hex"
	"fmt"
	"log"
)

func Ecrypt(plaintext string, key []byte, iv []byte, blockSize int) string {
	pad := func(ciphertext []byte, blockSize int, after int) []byte {
		padding := (blockSize - len(ciphertext)%blockSize)
		padtext := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
		return append(ciphertext, padtext...)
	}

	bPlaintext := pad([]byte(plaintext), blockSize, len(plaintext))
	block, _ := aes.NewCipher(key)
	ciphertext := make([]byte, len(bPlaintext))
	mode := cipher.NewCBCEncrypter(block, iv)
	mode.CryptBlocks(ciphertext, bPlaintext)
	return hex.EncodeToString(ciphertext)
}

func Decrypt(ciphertext string, key []byte, iv []byte) string {
	unpad := func(ciphertext []byte) []byte {
		length := len(ciphertext)
		unpadding := int(ciphertext[length-1])
		return ciphertext[:(length - unpadding)]
	}

	decodeData, _ := hex.DecodeString(ciphertext)
	block, _ := aes.NewCipher(key)
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, iv)
	originData := make([]byte, len(decodeData))
	blockMode.CryptBlocks(originData, decodeData)
	return string(unpad(originData))
}

func main() {
	// 小明與早餐店阿姨共同的鑰匙
	key := []byte("di93bi39a^*(2i$2ajg9^ha9fj@hswe(")
	// 這邊比較特別一點,由於是使用CBC演算法,所以在加密與解密時會多一個隨機數iv,
	// 這可以讓「相同的明文加密後,會產生不同的加密訊息」,以避免壞人透過相同的加密訊息來推斷資訊
	iv := make([]byte, aes.BlockSize)
	if _, err := rand.Read(iv); err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	// 小明透過鑰匙加密訊息
	plaintext := "小明的付款密碼: 12345"
	ecryptMsg := Ecrypt(plaintext, key, iv, aes.BlockSize)

	// 早餐店阿姨透過鑰匙解密訊息
	decryptMsg := Decrypt(ecryptMsg, key, iv)
	fmt.Println("早餐店阿姨", decryptMsg)
}

電子欺騙(spoofing)

還記得上篇文章 - 「電子欺騙(spoofing)是什麼?」章節防範的方法嗎?就是

傳輸人員在資料上產生一筆獨一無二的代碼供另一端驗證

接下來就要利用產生獨一無二的代碼來實作,方法有 2 種:

數位簽章(Digital Signature):

  • 擁有私鑰與公鑰 2 把鑰匙
  • 公鑰可以給任何人,私鑰不可以給自己以外的人
  • 使用私鑰產生代碼,公鑰驗證代碼

訊息識別碼(Message authentication code):

  • 擁有 1 把鑰匙
  • 這把鑰匙不可以給不夠信任的人
  • 使用此鑰匙來產生代碼

小明早餐店阿姨如果不夠信任彼此,會採用數位簽章,因為採用訊息識別碼的話,小明把鑰匙給早餐店阿姨早餐店阿姨拿去冒名成小明就不好了,

使用數位簽章加在原本的循序圖串起來就會如下:

看看程式碼,進入week39/spoofing/signature的資料夾:

$ cd week39/spoofing/signature

裡頭有以下檔案:

.
├── badGuyKey     : 壞人的私鑰
├── badGuyKey.pub : 壞人的公鑰
├── goodGuykey    : 小明的私鑰
├── goodGuykey.pub: 小明的公鑰
└── main.go       : 程式碼

鑰匙都是透過ssh-keygen產生,可以參考上方竊聽(eavesdrop)章節的講解,就不贅述。

code 主要可以看main的部分,註解有解釋流程,搭配循序圖會較好理解:

// 大量參考: https://gist.github.com/mfridman/c0c5ece512f63d429c4589196a1d4242
package main

import (
	"crypto"
	"crypto/rand"
	"crypto/rsa"
	"crypto/sha512"
	"crypto/x509"
	"encoding/pem"
	"fmt"
	"io/ioutil"
	"log"
)

// LoadFile load the file to bytes
func LoadFile(path string) []byte {
	content, err := ioutil.ReadFile(path)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}

	return content
}

// BytesToPrivateKey bytes to private key
func BytesToPrivateKey(priv []byte) *rsa.PrivateKey {
	block, _ := pem.Decode(priv)
	enc := x509.IsEncryptedPEMBlock(block)
	b := block.Bytes
	var err error
	if enc {
		log.Println("is encrypted pem block")
		b, err = x509.DecryptPEMBlock(block, nil)
		if err != nil {
			log.Fatal(err)
		}
	}
	key, err := x509.ParsePKCS1PrivateKey(b)
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	return key
}

func main() {
	// 壞人的私鑰
	badGuyPrivateKey := BytesToPrivateKey(LoadFile("./badGuyKey"))
	// 小明的公鑰,公鑰可以透過私要來取得,所以這邊就不在載入公鑰檔案了
	goodGuyPublicKey := BytesToPrivateKey(LoadFile("./goodGuyKey")).PublicKey

	// 壞人開始偽造小明的訊息
	messageBytes := []byte("小明餐點: 大冰紅")
	hash := sha512.New()
	hash.Write(messageBytes)
	hashed := hash.Sum(nil)

	// 壞人用自己的私鑰簽名,並非小明的
	signature, err := rsa.SignPKCS1v15(rand.Reader, badGuyPrivateKey, crypto.SHA512, hashed)
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	// 早餐店阿姨取得小明的公鑰,利用此公鑰驗證之後發現不是小明傳的訊息
	err = rsa.VerifyPKCS1v15(&goodGuyPublicKey, crypto.SHA512, hashed, signature)
	if err != nil {
		fmt.Println("Two signatures are not the same. Error: ", err)
		return
	}
}

小明早餐店阿姨如果夠信任彼此,甚至他們可能是同一個系統,那就不必擔心早餐店阿姨小明的鑰匙做壞事了,故可採用訊息識別碼

使用訊息識別碼加在原本的循序圖串起來就會如下:

看看程式碼,進入week39/spoofing/HMAC的資料夾:

$ cd week39/spoofing/HMAC

裡頭有以下檔案:

.
└── main.go : 程式碼

code 主要可以看main的部分,註解有解釋流程,搭配循序圖會較好理解:

package main

import (
	"crypto/hmac"
	"crypto/sha256"
	"encoding/hex"
	"fmt"
)

func hmacSha256(data string, secret string) string {
	h := hmac.New(sha256.New, []byte(secret))
	h.Write([]byte(data))
	return hex.EncodeToString(h.Sum(nil))
}

func main() {
	sharedSecret := "小明與早餐店阿姨的共同鑰匙"
	badGuySecret := "壞人的鑰匙"
	meals := "小明餐點: 大冰紅"

	// 壞人利用自己的鑰匙產生HMAC
	badGuyHMAC := hmacSha256(meals, badGuySecret)

	// 早餐店阿姨利用與小明共同的鑰匙產生HMAC
	trueHMAC := hmacSha256(meals, sharedSecret)

	// 早餐店阿姨比對此兩個HMAC,發現不同,故此訊息不是小明傳送的
	if badGuyHMAC != trueHMAC {
		fmt.Println("Two HMACs are not the same.")
		return
	}
}

參考


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