\documentclass[a4paper,10pt]{article}

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\title{ICR - Labo \#1 : \textit{MAC-and-Encrypt and Padding Oracles}}
\author{G.Burri}

\begin{document}

\lstset{language=C}
\nocite{*}

\maketitle


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{Introduction}

Le but de ce laboratoire est d'expérimenter le chiffrement symétrique \emph{AES} ainsi que l'authentification par \emph{MAC}, de mettre en évidence des problèmes de sécurité liés à un protocole choisi propre et de montrer des solutions afin de corriger ces problèmes.

Nous utiliseront \emph{AES-256} en mode \emph{CBC} pour chiffrer les données ainsi que \emph{HMAC-SHA256} pour l'authentification.


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\section{Simulation du protocole}

\subsection{Utilisation du programme}

Le code est écrit en langage Rust \footnote{\url{http://www.rust-lang.org}} et utilise le système de build \emph{Cargo} qui est livré en standard. Il est conseillé d'installer la version \emph{nightly} disponible ici : \url{http://www.rust-lang.org/install.html}.

Pour construire et lancer l'application il faut se trouver dans le dossier contenant le fichier \emph{Cargo.toml} et lancer la commande suivante.

\begin{lstlisting}
$> cargo run -- <args>
\end{lstlisting}

Où \emph{<args>} peut valoir :

\begin{itemize}
   \item \emph{genkey} : génère une clef de 256 bits. Utilisé initialement pour définir la clef d'authentification $K_{a}$ et la clef de chiffrement $K_{c}$ ;
   \item \emph{tests} : effectue un certain nombre de tests pour vérifier le comportement du serveur vis-à-vis du protocole ;
   \item \emph{oracle-weak} : effectue une attaque sur la première version du serveur ;
   \item \emph{oracle-fixed} : effectue une attaque sur la version corrigé du serveur.
\end{itemize}


\subsection{Structure du code}

Le code est structuré en quatre modules :

\begin{itemize}
   \item \emph{crypto} : fournit les primitives de chiffrement, déchiffrement, calcul du MAC. Utilise un binding \emph{Rust} vers \emph{OpenSSL} ;
   \item \emph{packet} : définit le format des paquets et permet leur sérialisation et dé-sérialisation ;
   \item \emph{end\_point} : permet la création de serveurs et de clients et gère la communication sur \emph{TCP/IP} ;
   \item \emph{oracle\_machine} : implémente l'attaque par padding-oracle.
\end{itemize}


\subsection{Quelle est la stratégie recommandée en pratique parmi les trois listées ci après ?}

\begin{itemize}
   \item \emph{MAC-and-Encrypt} : $Enc(M)|MAC(M)$ ;
   \item \emph{MAC-then-Encrypt} : $Enc(M|MAC(M))$ ;
   \item \emph{Encrypt-then-MAC} : $Enc(M)|MAC(Enc(M))$.
\end{itemize}

D'après \cite{wiki-authentication-encryption} la stratégie \emph{Encrypt-then-MAC} est la plus sûre dans le cadre de chiffrage authentifié. L'article de \emph{M. Bellare and C. Namprempre} \cite{authenticated-encryption-bellare-namprempre} évalue ces trois stratégies.


\subsubsection{Quelle stratégie est utilisée par \emph{TLS} ?}

\emph{TSL} utilise la deuxième version (\emph{MAC-then-Encrypt}). À noté que le \emph{MAC} est optionnel.

Une proposition \footnote{https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-tls-encrypt-then-mac-02} existe afin d'utiliser du \textit{Encrypt-then-MAC} pour \emph{TSL}.


\subsubsection{Quelle stratégie est utilisée par \emph{SSH} ?}

\emph{SSH} utilise la même méthode utilisée dans ce laboratoire, c'est à dire la première : \emph{MAC-and-Encrypt}.

\subsection{Quel est le rôle du timestamp en terme de sécurité ?}

Permet de minimiser certaines attaques comme l'attaque par rejeu (\emph{replay attack})\cite{wiki-replay-attack} où un attaquant réutilise tel-quel tout ou une partie d'un message intercepté au préalable.

Dans notre cas un attaquant ne pourra pas rejouer une commande tel quelle, elle serait rejetée par le serveur ayant un \emph{timestamp} supérieur. Si l'attaquant essaie de renvoyer un paquet avec un timestamp modifié, alors les données décodées ne seront plus validées par la \emph{MAC} car le vecteur d'initialisation utilisé (\emph{IV}) lors du déchiffrement est composé en partie par le \emph{timestamp}.


\subsection{Y a-t-il un moyen d'effectuer une attaque de type \emph{denial-of-service} sur notre dispositif ?}

Via une \emph{replay attack} en modifiant le \emph{timestamp} pour qu'il soit valide le dispositif va devoir déchiffrer les données puis calculer le \emph{MAC} avant de se rendre compte que le paquet est invalide et envoyer une réponse qui sera chiffrée et authentifiée. Dans ce cas on peut faire travailler énormément le dispositif en lui envoyant le plus de paquet à déchiffrer que le permet le débit du moyen de communication utilisé. Cela peut amener le dispositif a être surchargé.


\subsection{À la place d'utiliser un \emph{IV} aléatoire, le mode \emph{CBC} implémente une approche basée sur un \emph{nonce}. Que peut-on dire de sa sécurité ?}

TODO


\subsection{Remarques concernant la sécurité de notre protocole}

A priori nous n'avons pas choisi la stratégie la plus recommandée en terme de sécurité. Comme nous le verrons par la suite, ce protocole est vulnérable à une attaque de type \emph{padding-oracle}.


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\section{Utilisation du serveur comme d'un oracle de déchiffrement}

\subsection{Historique de l'attaque par oracle à l'aide du remplissage}

L'attaque original a été publié en 2002 par \emph{Serge Vaudenay}. En 2010, cette attaque a été mise en pratique contre plusieurs frameworks web tel que \emph{JavaServer Faces}, \emph{Ruby on Rails} et \emph{ASP.NET}. En 2012, il a été montré qu'elle est efficace contre certain appareils hardware.

Il existe une nouvelle variante, publiée en 2013, nommée \emph{the Lucky Thirteen attack}, permettant d'attaquer des implémentations ayant été corrigées. En février 2013, les personnes en charge des implémentations de \emph{TLS} travaillaient à la réalisation d'un correctif à cette attaque.

Cette section est largement inspirée de l'article de \emph{Wikipedia} sur la \emph{padding-oracle attack} \cite{wiki-padding-oracle-attack}.

\subsection{Explication de l'attaque pour notre cas}

Le but est de faire décoder tout ou une partie d'un message chiffré intercepté par un oracle. Le décryptage se fait par bloc de 16 octets et nécessite le bloc chiffré le précédant ou l'\emph{IV} dans le cas du premier bloc. Pour notre test nous partons du principe que l'attaquant a intercepté un paquet chiffré, qu'il en a compris la structure et qu'il a deviné que l'\emph{IV} correspondait au \emph{timestamp}.

Nous utilisons une attaque basé sur l'information renvoyé par l'oracle concernant la présence d'un bourrage valide. D'après le protocole un \emph{MAC} est calculé à partir des données non-bourrées puis le bourrage est ajouté pour obtenir une taille multiple de 16 et finalement les données et le bourrage sont chiffrés. Lors du déchiffrement par l'oracle, les données sont d'abord déchiffrées puis le bourrage est contrôlé, s'il n'est pas valide un paquet d'erreur et renvoyé au client (\emph{CryptError}). Si le bourrage est correct alors celui ci est retiré et les données restantes sont authentifiée à l'aide de la \emph{MAC}, si l'authentification échoue alors un paquet d'erreur et renvoyé au client (\emph{AuthError}).

La valeur des octets du bourrage correspond à sa taille, par exemple un bourrage de longueur trois est représenté par \emph{[0x03, 0x03, 0x03]}. Si les données avant bourrage sont déjà multiple de 16 alors un bourrage de longueur 16 est ajouté de sorte qu'un bourrage soit toujours présent.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.6]{diagramme_AES-CBC.eps}
\caption{\label{diagramme_AES-CBC} \textit{Décryptage par un oracle, AES-CBC.}}

\end{center}
\end{figure}

La figure \ref{diagramme_AES-CBC} illustre la structure de l'attaque. \emph{IV} et \emph{D} n'ont pas d'importance dans notre cas. \emph{X} est le bloc à décrypter, \emph{X'} est le bloc à décrypter après avoir été décodé par \emph{AES} mais avant d'avoir été \flqq xoré \frqq par \emph{F}. \emph{F} correspond à un bloc qui sera forgé par nos soins durant le décryptage de \emph{X}. De plus \emph{C}, qui n'est pas illustré sur le schéma, correspond au bloc précédent \emph{X} ou à l'\emph{IV} si \emph{X} est le premier bloc et \emph{R} correspond au message décrypté.

dans un premier temps nous allons chercher le premier octet $b$ de $F$ noté $F_{1}$ en itérant celui ci de 0 à 255. Pour chaque itération un paquet de commande est envoyé à l'oracle comprenant en guise de données chiffrée $F + X$, le paquet d'erreur renvoyé va nous indiquer si le bourrage est correct (\emph{AuthError}) ou s'il ne l'est pas (\emph{CryptError}). Pour le premier octet nous allons chercher le bourrage \emph{[0x01]}, pour le deuxième le bourrage \emph{[0x02, 0x02]} et ainsi de suite jusqu'à l'octet 16.

Dès qu'un paquet d'erreur \emph{AuthError} est reçu alors nous pouvons calculer $X'_{1} = F_{1} \oplus b$ puis le premier octet de notre message décrypté $R_{1} = X'_{1} \oplus C_{1}$. Avant de passer à l'octet suivant $b' = b + 1$ il faut s'assurer que les $b$ premiers octets de \emph{E} vaudront bien $b'$ lors du décryptage par l'oracle, pour ce faire on met à jour \emph{F} comme ceci : $\forall i \in [1, \ldots, b], F_{i} = b' \oplus X_{i}$.

Une subtilité existe pour la recherche du premier octet, il est possible que le paquet d'erreur \emph{AuthError} correspond, avec une faible probabilité, à un autre bourrage que \emph{[0x01]}. Pour prévenir ce cas il faut, pour ce premier octet, envoyer un paquet de commande pour toutes les valeurs de $F_{1}$ et compter le nombre de paquet d'erreur \emph{AuthError} reçu. Si ce nombre est égal à 1 alors on peut passer à $b'$, sinon il faut recommencer en modifiant $F_{2} = (F_{2} + 1) mod 256$.

Le code correspondant à cette attaque peut être exécuté par la commande suivante :

\begin{lstlisting}
$> cargo run --release -- oracle-weak
\end{lstlisting}


\subsection{Calcul de la complexité moyenne de l'attaque en terme de nombre de requête effectué auprès de l'oracle}

Sans prendre en compte la particularité du premier octet illustré à la section précédente, la complexité moyenne pour le décryptage d'un bloc de 16 octets est de $16 * 256 / 2 = 2048$ requêtes.

Dans l'exemple présenté dans le code, le nombre de requête est de 2099. La durée d'exécution est de ~0.180 ms, ça relative longueur est certainement dû à l'overhead des couches \emph{TCP/IP}.


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\section{Correction du protocole}

\subsection{Description}

Le correctif proposé consiste à authentifier également le bourrage et non-plus que les données. Cela a pour conséquence de vérifier en premier l'authenticité du contenu avant de procéder à la validité du padding. Les deux messages d'erreur, \emph{CryptError} et \emph{AuthError}, font toujours partis du protocole.

Le code correspondant à ce correctif peut être exécuté par la commande suivante :

\begin{lstlisting}
$> cargo run --release -- oracle-fixed
\end{lstlisting}


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
\section{Conclusion}

TODO






\bibliographystyle{plain}
\bibliography{main}

\end{document}
