正确地使用加密与认证技术

在密码学专家之中，“加密并不是认证”是一个简单的共识。但很多不了解密码学的开发者，并不知道这句话的意义。如果这个知识更广为人知和深入理解，那么将会避免很多的设计错误。

这一概念本身并不困难，但在表面之下，还有更多丰富的细节和玄妙之处有待发现。本文就是讲述开发者对于加密和认证二者的混淆与误用，并附上了优秀的解决方案。

0x01 加密与认证之间有哪些区别？

加密是呈现信息，使其在没有正确的密钥情况下，变得难以卒读的过程。在简单的对称加密中，同一个密钥被用于加密和解密。在非对称加密中，可以使用用户的公钥对信息加密，使得只有对应私钥的拥有者才能读取它。

认证是呈现信息，使其抗篡改（通常在某一非常低的概率之内，小于1除以已知宇宙中粒子的数量），同时也证明它起源于预期发送者的过程。

注意：当本文提及真实性时，是专门指的信息真实性，而不是身份真实性。这是一个PKI和密钥管理问题，我们可能在未来的博客中详细说明。

就CIA triad而言：加密提供机密性，认证提供完整性。

加密不提供完整性；被篡改的信息（通常）还能解密，但结果通常会是垃圾。单独加密也不抑制恶意第三方发送加密信息。

认证不提供机密性；可以为明文信息提供抗篡改。

在程序员中，常见的错误是混淆这两个概念。你能很容易找到这样的一个库或者框架：加密cookie数据，然后在仅仅解密它之后就无条件地信任与使用之。

0x02 加密

我们之前定义了加密，并且详细说明了它是提供机密性，但不提供完整性和真实性的。你可以篡改加密信息，并将产生的垃圾给予接收者。而且你甚至可以利用这种垃圾产生机制，来绕过安全控制。
考虑在加密cookie的情况下，有如下代码：

function setUnsafeCookie($name, $cookieData, $key)
{
    $iv = mcrypt_create_iv(16, MCRYPT_DEV_URANDOM);
    return setcookie(
        $name,
        base64_encode(
            $iv.
            mcrypt_encrypt(
                MCRYPT_RIJNDAEL_128,
                $key,
                json_encode($cookieData),
                MCRYPT_MODE_CBC,
                $iv
            )
        )
    );
}
function getUnsafeCookie($name, $key)
{
    if (!isset($_COOKIE[$name])) {
        return null;
    }
    $decoded = base64_decode($_COOKIE[$name]);
    $iv = mb_substr($decoded, 0, 16, '8bit');
    $ciphertext = mb_substr($decoded, 16, null, '8bit');
 
    $decrypted = rtrim(
        mcrypt_decrypt(
            MCRYPT_RIJNDAEL_128,
            $key,
            $ciphertext,
            MCRYPT_MODE_CBC,
            $iv
        ),
        "\0"
    );
 
    return json_decode($decrypted, true);
}

上面的代码提供了在密码段链接模块的AES加密，如果你传入32字节的字符串作为$key，你甚至可以声称，为你的cookie提供了256位的AES加密，然后人们可能被误导相信它是安全的。

0x03 如何攻击未经认证的加密

比方说，在登录到这个应用程序之后，你会发现你收到一个会话cookie，看起来就像
kHv9PAlStPZaZJHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==
让我们改变一个字节的第一块（初始化向量），并反复发送我们的新的cookie，直到出现一些变化。应该采取共4096次HTTP请求，以尝试变量IV所有可能的单字节变化。在上面的例子中，经过2405次请求后，我们得到一个看起来像这样的字符串：
kHv9PAlStPZaZZHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==
相比之下，在base64编码的cookie中只有一个字符不同（kHv9PAlStPZaZ J vs kHv9PAlStPZaZ Z）：
- kHv9PAlStPZaZJHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==
+ kHv9PAlStPZaZZHIYXzyCnuAhWdRRK7H0cNVUCwzCZ4M8fxH79xIIIbznxmiOxGQ7td8LwTzHFgwBmbqWuB+sQ==
我们存储在这个cookie里的原始数据，是看起来像这样的数组：

array(2) {
  ["admin"]=>
  int(0)
  ["user"]=>
  "aaaaaaaaaaaaa"
 }

但在仅仅改变初始化向量的一个字节之后，我们就能够改写我们的阅读信息：

array(2) {
  ["admin"]=>

  int(1)
  ["user"]=>
  "aaaaaaaaaaaaa"
}

根据底层应用程序的设置方法，你或许可以翻转一位进而提升成为一名管理员。即使你的cookie是加密的。 如果你想再现我们的结果，我们的加密密钥是十六进制下的：000102030405060708090a0b0c0d0e0f

0x04 认证

如上所述，认证旨在提供信息的完整性（我们指显著抗篡改能力），而这证明它来自预期的源（真实性）。这样做的典型方法是，为信息计算一个密钥散列消息认证码（HMAC的简称），并将信息与它连结。

function hmac_sign($message, $key)
{
    return hash_hmac('sha256', $message, $key) . $message;
}
function hmac_verify($bundle, $key)
{
    $msgMAC = mb_substr($bundle, 0, 64, '8bit');
    $message = mb_substr($bundle, 64, null, '8bit');
    return hash_equals(
        hash_hmac('sha256', $message, $key),
        $msgMAC
    );
}

重要的是，这里使用一个适当的哈希工具，如HMAC，而不仅仅是一个简单的散列函数。

function unsafe_hash_sign($message, $key)
{
    return md5($key.$message) . $message;
}
function unsafe_hash_verify($bundle, $key)
{
    $msgHash = mb_substr($bundle, 0, 64, '8bit');
    $message = mb_substr($bundle, 64, null, '8bit');
    return md5($key.$message) == $msgHash;
}

我在这两个函数名前面加了unsafe，是因为它们还是易受到一些缺点的危害：
Timing Attacks
Chosen Prefix Attacks on MD5 (PDF)
Non-strict equality operator bugs (largely specific to PHP)

现在，我们有点接近我们强大的对称加密认证的目标。目前仍有几个问题，如：

如果我们的原始信息以空字节结尾会发生什么？

有没有一个比mcrypt扩展库默认使用的更好的填充策略？

由于使用AES，有哪些通信方面是易受攻击的？

幸运的是，这些问题在现有的加密函数库中已有了解答。我们强烈推荐你使用现有的库，而不是写自己的加密功能。对于PHP开发人员来说，你应该使用defuse/php-encryption（或者libsodium）。

0x05 用Libsodium安全加密Cookies

/*
// At some point, we run this command:
$key = Sodium::randombytes_buf(Sodium::CRYPTO_AEAD_CHACHA20POLY1305_KEYBYTES);
*/
 
/**
 * Store ciphertext in a cookie
 *
 * @param string $name - cookie name
 * @param mixed $cookieData - cookie data
 * @param string $key - crypto key
 */
function setSafeCookie($name, $cookieData, $key)
{
    $nonce = Sodium::randombytes_buf(Sodium::CRYPTO_SECRETBOX_NONCEBYTES);
 
    return setcookie(
        $name,
        base64_encode(
            $nonce.
            Sodium::crypto_secretbox(
                json_encode($cookieData),
                $nonce,
                $key
            )
        )
    );
}
 
/**
 * Decrypt a cookie, expand to array
 *
 * @param string $name - cookie name
 * @param string $key - crypto key
 */
function getSafeCookie($name, $key)
{
    $hexSize = 2 * Sodium::Sodium::CRYPTO_SECRETBOX_NONCEBYTES;
    if (!isset($_COOKIE[$name])) {
        return array();
    }
 
    $decoded = base64_decode($_COOKIE[$name]);
    $nonce = mb_substr($decoded, 0, $hexSize, '8bit');
    $ciphertext = mb_substr($decoded, $hexSize, null, '8bit');
 
    $decrypted = Sodium::crypto_secretbox_open(
        $ciphertext,
        $nonce,
        $key
    );
    if (empty($decrypted)) {
        return array();
    }
 
    return json_decode($decrypted, true);
}

对于没有libsodium库的开发人员，我们的一个博客读者，提供了一个安全cookie实现的例子，其使用了defuse/php-encryption（我们推荐的PHP库）。

0x06 使用关联数据的认证加密

在我们前面的示例中，我们集中精力于，同时使用加密和认证，使其作为必须小心使用的单独组件，以避免加密的悲剧。具体而言，我们专注于密码段链接模块的AES加密。

然而，密码学家已经开发出更新，更具有弹性的加密模型，其加密和认证信息在同一操作。这些模型被称为AEAD模型（Authenticated Encryption with Associated Data）。关联数据意味着，无论你的应用程序需要什么进行认证，都不加密。

AEAD模型通常用于有状态的目的，如网络通信中，其中一个随机数可以很容易地管理。

AEAD两个可靠的实现是AES-GCM和ChaCha20-Poly1305。

AES-GCM是Galois/Counter模式中的高级加密标准（又名Rijndael算法加密）。这种模式在OpenSSL的最新版本中加入，但它目前在PHP中还不被支持。

ChaCha20-Poly1305结合了ChaCha20流密码与Poly1305消息认证码。这种模式在libsodium PHP扩展可用。Sodium::crypto_aead_chacha20poly1305_encrypt() Sodium::crypto_aead_chacha20poly1305_decrypt()
总结一下，你该记住的

加密不是认证

加密提供机密性

认证提供完整性

将两者混为一谈你就得自担风险

为了完成CIA triad，你需要单独解决可用性。这通常不是一个加密问题。

更重要的是：在密码学专家的监督下，使用具有韧性被证实记录的库，而不是自己在那里闭门造车，你会好得多。