初识白盒密码

参考:
[知乎专栏-白盒密码技术](https://zhuanlan.zhihu.com/p/23295431)
林婷婷,来学嘉.白盒密码研究[J].密码学报,2015,2(3):258-267
陈明.白盒密码安全性分析与研究[J].网络安全技术与应用,2015(3):116-117
王冰.白盒密码的设计方法和安全性分析[D].上海交通大学,2011
来学嘉,肖雅莹.白盒密码的设计与研究[J].信息安全与通信保密,2010(2):45-48
[灰盒攻击的艺术之Linux篇](http://note.youdao.com/groupshare/?token=0E03087BF6FE46B7AD0F85F607F05381&gid=53951007)
[分组密码之AES算法详解](http://www.blogfshare.com/aes-rijndael.html)
[AES finite field](https://en.wikipedia.org/wiki/Finite_field_arithmetic#Rijndael.27s_finite_field)
[AES S-Box(subbyte)](https://en.wikipedia.org/wiki/Rijndael_S-box)

# 1.定义
密钥白盒产品是一个以**白盒密码技术**为基础、以保护**终端密钥**安全为目的的密码产品。

- 白盒密码技术是一项能够抵抗**白盒攻击**的密码技术
- **白盒攻击**是指攻击者对设备终端拥有完全的控制能力，能够观测和更改程序运行时的内部数据。这种攻击环境称为**白盒攻击环境** 
    - 攻击者对主机和软件具有完全控制权
    - 软件动态执行过程是可见的
    - 加密算法内部细节完全可见、可修改

**特点：**

- **传统加密算法**是算法和密钥是独立的(算法相同密钥不同)而**白盒**加密算法和密钥捆绑一起
 - 算法和密钥生成一个加密表和一个解密表(使用查找表技术，不再依赖原来的加解密算法和密钥)
 - 算法和密钥合并，所以有效隐藏密钥，与此同时混淆加密逻辑(让信息以一种无法理解的形式存在)
 
**白盒攻击：**

- OllyDbg
- IDA Pro
- HexRays
- HIEW
- VMware

**白盒安全性测度：**

- 白盒多样性(white-box diversity)
    - 表示查找表所有构造方案的可能个数,只有确保白盒多样性值尽量大，黑客就越难分析得出隐藏在其中的密钥以及置乱编码 
 - 白盒含混度(white-box ambiguity)
    - 衡量有多少种不同的构造方法会产生相同的查找表,其值等于白盒多样性与查找表个数所得的商
 - 密钥掩饰度(攻击者从白盒密码的实现中恢复密钥的难度)
 - 抗旁路攻击的性能(能否抵抗旁路攻击、内存映射)

**相关概念：**
> 恶意主机攻击

与白盒攻击环境相似，主机对移动程序的执行具有完全的控制能力

> 旁信道攻击

也称灰盒攻击(Grey-box attack model),结合系统运行时的外部表现及程序内部逻辑结构设计测试用例，主要的技术手段主要有:

- 时差攻击
- 简单功耗分析(SPA)
- 差分功耗分析(DPA)
- 电磁分析(EMA)
- 模版攻击
*案例：*
利用nmap查找某个网站对外端口以及应用名称，比如10000/tcp open http Webmin httpd,得知网站使用Webmin进行管理，利用Webmin的某个版本的漏洞,获取linux的/etc/shadow文件,进而利用密码破解工具John the Ripper来破解密码,进而得到系统权限

> 混淆

将可执行程序转换成另外的不可理解的程序的过程，经过转换后具有与原程序相同的功能，但运行该程序不会泄露任何秘密消息，在**未知环境**下正常运行，可以防止**静态分析**、**逆向工程**、**篡改**等恶意攻击
**混淆器(Obfuscator)定义:**
一个概率算法O是一个混淆器，如果满足以下三个条件:
(1)功能(Functionality)---任意程序p,O(p)描述了另一个程序，在功能上与p相同.
(2)多项式效率(Polynomial slowdown)---存在多项式P,使得对任意的p:|O(p)<=P(p)|,并且，如果对于某些输入x，程序p在第t步终止，那么O(p)亦在P(t)步终止.
(3)虚拟黑盒性(Vitual Black Property)---即使能够访问混淆程序O(p),攻击者也不能够获得关于程序p的任何消息，即不能从p的预言访问中获得任何消息.
tips:并不是所有的程序都是可以进行混淆的
# 2.白盒密码技术方案

**两种策略：**
 
- 标准密码算法白盒化(常见,比如白盒AES实现、白盒DES实现)
        
    - 在标准密码算法安全理论的基础上和不改变原算法功能的前提下，将原有密码算法通过白盒密码技术进行设计，在白盒攻击环境下能够有效保证其密钥安全
        
    - 设计者试图利用混淆的方式构造查找表，并通过查找表的方式来完成程序的执行
- 构造全新白盒密码算法
 新算法密码分析结果不能弱于标准密码算法同事具备抵抗白盒攻击的能力
 
**白盒实现三种方式:**

- 查找表技术(2002年chow提出,2009年Xiao-Lai给出Chow白盒AES的一个改进方案和国密SM4算法的白盒实现)
    - chow的AES白盒实现
        - 将一连串相互独立的查找表组合形式展现AES算法，并采用内部编码和外部编码，隐藏密钥，并对算法进行混乱及扩散
        - 编码方式扰乱算法、用查找表形式隐藏编码置换信息、对MixColumns分块提高实用性、运行效率合理可行
        - <center>    
            ![白盒AES](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5a1e58c0ab64415ce60019f6)
          </center>
          <center>
            ![AES一轮](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5a1e5c27ab64415ce6001a9d)
          </center>
          <center>
            ![AES流程](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5a1f6ee1ab64414a13001473)
          <center>

```
        定义:
        X是一个m bit 到n bit的变换,
        F是 m bit 到 m bit的双射
        G是 n bit 到 n bit的双射
        
        X' = G·X·F(m->m m->n n->n)
        F 输入编码
        G 输出编码
        
        
        1.拼接编码
        
        为了减小查找表的大小，256bit的密码算法将需要长度2^256的查找表
        双射F=F1||F2||...||Fk
        任意向量b=(b1,b2,...,bn)
        F(b)=F1(b1,b2,...,bn1)||
             F2(bn1+1,bn1+2,...,bn2)||
             ...
             Fk(bnk-1+1,bnk-1+2,...,bn)
        
        双射F用k个比较小的映射Ft表示出来，每个Ft用查找表表示
        
        2.分组密码
        Chow的白盒密码主要是针对迭代的分组密码，一个变换的输出通常是另一个变换的输入
        Y'·X'=(H·Y·G')·(G·X·F)=H·Y·X·F
        所有的变换加密后都用查找表的形式表示，而且输入编码和输出编码对于攻击者是未知的，很难通过查找表分离出来。因此攻击者无法知道隐藏在查找表中的密钥信息
```

- Xiao-Lai的AES白盒实现
    - xiao的SMS4白盒实现
    - Chow的DES白盒实现
    tips:以上皆可被破解,破译的原因不是置乱编码本身的不安全造成的，而是由于DES/AES算法本身特定的结构
- 插入扰乱项(同构多项式,Isomorphism of Polynomials,增加额外的方程到原始的方程中区，以此来扰乱原本方程中的代数结构)
    - Bringer的AES白盒实现
- 多变量密码的方式(Alex于2014年提出,并不是已有的密码算法的白盒实现，而是基于ASASA,Affine-Sbox结构的通用白盒密码设计) 
    - 强白盒密码设计(加扰乱项)
        - X-schema实现ASASA的S盒
        - 扩展S盒(expanding S-box)实现ASASA的S盒
    - 弱白盒密码设计(查找表)
        -   单一ASASA结构的对称加密方案
        -   SPN结构的对称加密方案
    
 
- 实现方式：
    - 静态白盒
        - 密码算法结合特定的密钥经过白盒密码技术处理后形成特定的密码算法库，称为白盒库(加密、解密以及加解密).
        - 静态白盒更新密钥需要重新生成白盒库
    - 动态白盒
        - 白盒库生成后就不需要更新，原始密钥经过同样的白盒密码技术转化为白盒密钥 
        - 白盒密钥传入相匹配的白盒库可以进行正常的加密和解密功能
<center>
![静态-动态白盒密码技术](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5a1bb2f1ab644108a00026fc)
</center>

# 3. 应用场景

- 数字版权管理(DRM),通过对播放软件的白盒加密，白盒密码可以保证数字媒体只在经过付费的终端播放
 - 云计算
 - 手机安全使用问题(即使手机被掌控，也不会泄露固有的机密信息)

动态白盒从功能上可以兼容静态白盒，动态白盒的应用场景:
<center>
![动态白盒应用场景](https://leanote.com/api/file/getImage?fileId=5a1bb423ab644108a0002743)
</center>

信息安全从业人员^_^

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