Lohkosalain¶

Tässä osiossa opimme lohkosalaimen toimintaperiaatteen.

Tämä osio on viimeinen kerta kurssilla, kun luomme itse periaatteessa oikein toimivia, mutta todennäköisesti turvattomia kryptografisten algoritmien prototyyppejä. Tämän vuoksi tässä osiossa kysymykset painottuvat hieman enemmän annettujen koodien ymmärtämiseen.

Yksi tehtävien tavoite on auttaa hahmottamaan, että myöhemmissä opetusmoduuleissa käyttämämme kryptografiset kirjastot tekevät paljon tarkistuksia ja muunnoksia datalle sekä avaimille.

Kuten videossa kerrotaan, lohkosalaimessa on kolme toiminnallisuutta:

datan lohkoihin jakava toiminnallisuus
salain, joka enkoodaa tai dekoodaa yksittäisen lohkon
lohkojen yhdistäjä, joka kokoaa salaimen tuottamat lohkot kokonaisuudeksi

Enkoodaus ja dekoodaus, eli tässä tapauksessa salaus ja purku, käyttävät samaa koneistoa.

64-bittinen lohkosalain¶

Aiemmilla opetuskerroilla olet käyttänyt valmiita funktioita, joiden sisällä olevaa koodia ei ole esitelty. Seuraavaksi muunnamme aiemmin luomamme 8-bittisen lohkosalaimen toimimaan 64-bittisenä. Näet koodista, että yksinkertaisenkin lohkosalauksen tekeminen vaatii tiettyjä välivaiheita ja muunnoksia. Koodin pitäisi myös tarkistaa muuttujatyypit ja huolehtia ettei koodin suoritusaika poikkea eri avaimilla. Kaikki nämä oikean maailman vaatimukset kryptografisten funktioiden hyvyyksistä on jätetty nyt pois.

Tämän osuuden jälkeen emme enää rakenna esimerkkifunktioita itse. Tärkeä periaate:

KÄYTÄ VALMIITA TESTATTUJA FUNKTIOITA KRYPTOGRAFISISSA OPERAATIOISSA - ÄLÄ TEE FUNKTIOITA ITSE.

Lohkosalaimemme lohkon koko on 64 bittiä. Tämä tarkoittaa sitä, että salaimelle tuleva data käsitellään 64 bitin kokoisina paloina. Merkkijonoon pohjautuva esimerkkisalaimemme lohko täytetään 8 tavulla, joista jokainen on 8 bittiä (8 tavua x 8 bittiä tavussa = 64 bittiä).

Joudumme nyt lohkotuksen ja lohkojen yhdistämisen lisäksi takaamaan, että lohko täyttyy.

Jos informaatiota on lohkon kokoa vähemmän, on lohko täytettävä. Salaimelle tuotetaan aina ”täysi lohko” dataa enkoodattavaksi tai dekoodattavaksi.
Jos lohkoon pitää keinotekoisesti tuottaa sisältöä, niin tällaista operaatiota kutsutaan päddäykseksi (engl. padding). Alla on näytetty esimerkin omaisesti miten, tällainen päddäys voitaisiin tehdä.

Päddäys suoritetaan seuraavasti:

Tässä omassa päddyksessämme lisäämme annetun datan perään tavuja järjestyksessä alkaen 0x00:sta aina 0x06:n asti, kunnes lohko on täynnä.
Jos informaatiossa on seitsemän merkkiä, esimerkiksi ”91AB4d?”, pädätään siihen yksi tavu 0x00, jolloin lohkossa on kahdeksan tavua.
Jos informaatiossa on esimerkiksi viisi kirjainta, esimerkiksi ”ABCDE”, täytyy informaation perään pädätä 0x00 + 0x01 + 0x02, jolloin lohko täyttyy kahdeksaan tavuun.
Samoin jos informaatiossa on vain yksi kirjain, esimerkisi ”Ä”, siihen pädätään 0x00 + … + 0x06, jolloin saavutetaan kahdeksan tavua.

Päddäys pitää myös pystyä poistamaan. Tähän on tehty oma funktio, joka käy dekoodatun informaation läpi ja palauttaa datan siihen asti kunnes kohtaa arvon 0x00. Tällainen päddäys on melko heikko ja haavoittuvainen tietyille hyökkäyksille. Tässä omassa salaimessamme suoritamme päddäyksen ennen enkoodausta ja poistamme päddäyksen dekoodauksen jälkeen.

Enkoodatessa lohko päddäyksen jälkeen muunnetaan biteiksi, jolle suoritetaan avaimella XOR. Salain suorittaa operaation kiinteällä 64-bittisellä avaimella k2 .

Alla olevat funktiot on tuotu nähtäville, mutta ne ladataan myöhemmin kirjastosta.

Inactive

# Tätä funktiota käytetään kun selvätekstiin lisätään merkkejä lohkon täyttämiseksi.
def päddäys(merkkijono, lohkon_koko=64, merkistö='latin-1'):
    """ Päddäys-funktio, lisää merkkijonon loppuun heksoja 0x00, 0x01, ... kunnes lohkon koko bitteinä täyttyy
    Parametrit:
        merkkijono (string): Merkkijono johon lisätään päddäys, oletus "latin-1"-merkistökoodaus
        lohkon_koko (int): Lohkon koko bitteinä, oletus 64-bittiä.

    Palauttaa:
        string: Merkkijono, jonka bittimäärä on jaollinen lohkon koon bittimäärällä.
    """
    mj_pituus_bits = len(merkkijono.encode(merkistö))*8
    return merkkijono + "".join([chr(laskuri) for laskuri in range(int((lohkon_koko - (mj_pituus_bits)%lohkon_koko)/8))])

# Tätä funktiota käytetään poistamaan päddäys dekryptatusta merkkijonosta.
def päddäyksen_poisto(merkkijono, pad_alku='\x00'):
    """ Päddäyksen poisto -funktio, palauttaa merkkijonon ilman päddäystä
    Parametrit:
        merkkijono (string): Merkkijono johon lisätään päddäys, oletus "latin-1"-merkistökoodaus
        pad_alku (chr): Tunniste mikä määrittää milloin päddäys alkaa.

    Palauttaa:
        string: Merkkijono, jossa ei ole enää päddäystä.
    """

    return merkkijono[:merkkijono.find(pad_alku)]

print("Päddäyksen-funktiot luotu")

Seuraavassa koodi-lohkossa luomme yleisen lohkosalaimen. Tämä lohkosalain salaa merkkijonoja, mutta periaatteessa se voisi prosessoida mitä tahansa tavumuodossa olevaa dataa.

Inactive

# Lohkosalain olettaa että se saa tavujonon, jonka koko on jaollinen lohkon koolla.
def yleinen_lohkosalain(tavujono, avain, lohkon_koko=64, merkistö='latin-1',näytälohkot=False):

    assert (len(tavujono)*8)%lohkon_koko == 0, "Päddäys unohtunut"

    # Tarvittaessa muutetaan merkkijono tavujonoksi 'latin-1' merkistökoodauksella
    if type(tavujono) is str:
       bytejono = tavujono.encode(merkistö)

    # Jos avain on merkkijono (heksadesimaaleja), muunnetaan avain luvuksi
    if type(avain) is str:
        avain = int(avain,16)

    # Paikka enkoodatulle viestille
    XOR_tulos_merkkijonona = ""

    # Lohkotaan bytejono siten että jokainen tavu muodostaa oman lohkon

    for lohkon_numero in range((len(bytejono)*8)//lohkon_koko) :
        # Otetaan yksi lohko ja tehdään siitä 64-bittinen luku
        lohko = bytejono[(lohkon_numero*8):((lohkon_numero+1))*(lohkon_koko//8)]
        # Ja tehdään lohkosta yksi 64-bittinen luku
        lohko_int = int.from_bytes(lohko ,"big")


        # Lasketaan siitä XOR avaimen kanssa.
        lohkon_xor = lohko_int^avain

        # Muunnetaan tulos tavujonoksi
        lohkon_xor_bytes = lohkon_xor.to_bytes(8,'big')

        # Tallenetaan XOR tulos listaan.
        XOR_tulos_merkkijonona += "".join([chr(tavu) for tavu in lohkon_xor_bytes])


        if näytälohkot:
            print("Lohkon numero   :", lohkon_numero)
            print("Lohkon sisältö  :", lohko)
            print("Lohkon xor      :", lohkon_xor)
            print("Lohkon xor Bytes:", lohkon_xor_bytes)
            print("Merkkijono nyt  :", XOR_tulos_merkkijonona)

    return XOR_tulos_merkkijonona

print("Yleinen merkkijonoilla toimiva lohkosalain luotu.")

Käytetään seuraavaksi yleistä salainta. Aloitetaan suorittamalla päddäys viestille.

Inactive

from xip import alusta_t546

viesti, päddäys = alusta_t546()

# Suoritetaan viestille päddäys, eli tehdään siitä sellainen että viimeinenkin lohko täyttyy.
pädätty_viesti= päddäys(viesti)
print("Viesti ennen päddäystä   :", viesti)
print("Viesti päddäyksen jälkeen:", pädätty_viesti)

print("\nAlkuperäisen viestin perään on lisätty tulostumattomia täytemerkkejä")

Sitten salaamme viestimme avaimella k2.

Inactive

from xip import alusta_t547

pädätty_viesti, k2, yleinen_lohkosalain = alusta_t547()

salattu_yleisellä_lohkosalaimella = yleinen_lohkosalain(pädätty_viesti, k2)
print("64-bittisellä lohkosalaimella enkoodauksen tulos on:", salattu_yleisellä_lohkosalaimella)

Ja lopuksi puretaan salattu viesti ja verrataan onko se sama kuin ennen salausta.

Inactive

from xip import alusta_t548

viesti, salattu_yleisellä_lohkosalaimella, k2, yleinen_lohkosalain, päddäyksen_poisto = alusta_t548()

# Dekoodataan viesti salaimella käyttäen avainta k2.
purettu_yleisellä_lohkosalaimella_pädding = yleinen_lohkosalain(salattu_yleisellä_lohkosalaimella, k2)

# Poistetaan päddäys dekoodatusta viestistä.
purettu_yleisellä_lohkosalaimella = päddäyksen_poisto(purettu_yleisellä_lohkosalaimella_pädding)

# Näytetään miltä purettu viesti näyttää.
print("64-bittisellä lohkosalaimella dekoodauksen tulos on:", purettu_yleisellä_lohkosalaimella)

if purettu_yleisellä_lohkosalaimella == viesti:
    print("Meidän 64-bittinen salain tuntuu toimivan!")
else:
    print("Voi voi, 64-bittinen salain on rikki!")

Murra avain ja viesti¶

Nyt pääset itse kokeilemaan salauksen murtamista. Alice lähettää Bobille yleisellä lohkosalaimella salatun viestin. Hänen käyttämänsä lohkosalaimen lohkokoko on 64 bittiä. Tehtävänäsi on selvittää käytetty avain ja vastata sitten alla esitettyihin väittämiin.

Tuodaan salakirjoitettu viesti muuttujaan bin_viesti.

Inactive

# Tuodaan salateksti muuttujaan 'bin_viesti'
import glob

with open(glob.glob("Tekstit/*bin")[0], "r", encoding="utf_8") as file:
    bin_viesti = "".join(file.readlines())

print(bin_viesti)

Olemme antaneet avaimen tähän mennessä heksadesimaaleina. Alice ja Bob käyttävät kuitenkin ihan arkisia avaimia. Seuraava koodi muuttaa kahdeksanmerkkisen tavallisen tekstin merkkijono-heksadesimaaliksi, jota käytämme avaimena salaimessa.

Inactive

# Funktio palauttaa annetusta 8-merkkisestä salasanasta heksadesimaalimuodon (merkkijonona)
# Tätä palautettua merkkijonoa voi käyttää salaimen kanssa.

def merkit_heksamerkeiksi(avain, pituus=8):
    assert len(avain)==pituus, "merkkijonossa pitää olla kahdeksan merkkiä"

    heksa_avain="0x"
    for byte in bytes(avain, encoding='latin-1'):
        heksa_avain += str(hex(byte))[2:].upper()

    return heksa_avain

print("Funktio luotu")

Tehtävänäsi on selvittää, mitä salakirjoitetussa viestissä sanotaan. Selvittääksesi viestin on sinun selvitettävä, mitä 8-merkkistä avainta Alice ja Bob ovat käyttäneet. Avain on hyvin ilmeinen asiayhteydestä, mutta voit joutua tekemään hieman salapoliisintyötä. Voit hyödyntää heikon lohkosalaimemme taipuvaisuutta, eli muunnella yksittäisiä avaimen merkkejä ja kokeilla mitä saat tulokseksi.

Vihje 1: Avaimessa on vain isoja ja pieniä kirjaimia. Siinä ei siis ole numeroita eikä erikoismerkkejä.
Vihje 2: Voit hyödyntää alempaa löytyvän tehtävän viimeisen kysymyksen vastausvaihtoehtoja, koska salain ei ole taipumaton.
Vihje 3: Muista, että aivan dekoodatun viestin lopussa voi olla korkeintaan seitsemän päddäysmerkkiä 0x00…0x06.
Vihje 4: Muista, että päddäyksen_poisto, palauttaa merkkijonon siihen asti kunnes ensimmäinen 0x00 arvo esiintyy.
Vihje 5: Tätä tehtävää kannattaa tehdä yhdessä kaverin kanssa. Älkää kuitenkaan jakako suoraan vastauksia, koska se vie ilon häkkeröinnistä.

Inactive

from xip import alusta_t549
import glob

with open(glob.glob("Tekstit/*bin")[0], "r", encoding="utf_8") as file:
    bin_viesti = "".join(file.readlines())

merkit_heksamerkeiksi, yleinen_lohkosalain, _ = alusta_t549()

# 'avaimemme' muuttujaan sijoitetaan avain millä kokeillaan murtamista.
avaimemme = "Kokeilen"

# Muunnetaan avain heksa-merkkijonomuotoon.
hex_avaimemme = merkit_heksamerkeiksi(avaimemme)

# Suoritetaan dekoodaus
dekoodattu = yleinen_lohkosalain(bin_viesti, hex_avaimemme)

# Emme suorita nyt päddäyksen poistoa, koska lelu-päddäyksemme saattaa lyehtää
# dekoodattua viestiä kun sopiva "päddäys" osuu vahingossa kohdilleen.

# Näytetään mitä saimme tulokseksi.
print("Dekoodattu viestimme on:")
print(dekoodattu)

Tässä vielä ylimääräinen alustettu solu, johon voit kirjoitella koodia.

Inactive

from xip import alusta_t549
import glob

with open(glob.glob("Tekstit/*bin")[0], "r", encoding="utf_8") as file:
    bin_viesti = "".join(file.readlines())

merkit_heksamerkeiksi, yleinen_lohkosalain, _ = alusta_t549()

print("Vapaa koodauslaatikko kokeiluihin.")

Pystyt vastaamaan seuraaviin kysymyksiin joko arvaamalla tai selvittämällä avaimen ja siten salakirjoituksen sisällön.

Yhteenveto¶

Tässä kappaleessa esitelty lohkosalain on pelkkä prototyyppi, mutta sen kaltaisia toimintoja suoritetaan ihan oikeassa salauksessa.

Tässä osiossa esitelty lohkosalain:

Pilkkoo enkoodattavan ja dekoodattavan informaation lohkoiksi.
Vaatii että data täyttää lohkon.
Käyttää samaa avainta enkoodauksessa ja dekoodauksessa, eli on symmetrinen.

Aikaisemmassa moduulissa opimme klassisten salainten yhteydessä permutaatiosta ja substituutiosta. Kun lohkosalaimeen lisätään substituutio-permutaatio-verkko, on mahdollista tuottaa lohkosalain, joka on käytännössä kryptografisesti taipumaton.

Käytämme seuraavassa opetusmoduulissa yhtä tällaista lohkosalainta ja opimme, miten miten sellainen toimii käytännössä.

Seuraavaksi vielä lyhyt, mutta tärkeä osio aiheesta, jota sivuttiinkin tässä osiossa.

Lohkosalain¶

Yksinkertainen lohkosalain¶

Onko yksinkertainen lohkosalain taipumaton?¶

64-bittinen lohkosalain¶

Murra avain ja viesti¶

Yhteenveto¶