关于AES加解密中CBC模式的IV初始化向量的安全性问题

Posted 2023-04-20

参考技术A 前段时间，在研究HLS的AES加密，由于一个地方电视台的HLS流有AES加密，在查看了相关的加解密方案后发现使用的是简单的AES的CBC模式，在CBC的模式下，会设置一个IV，初始化向量。但是我在解密的时候，使用了一个由于理解错误而产生的一个错误IV居然也能解密视频并进行播放，于是就有了这篇张文章。

虽然有五种加密，但是常用的还是CBC，CBC的全称Cipher Block Chaining ，有点类似于区块链哈，我们先来看下加密方式

上面的图片从左往右看，初始化IV只有在第一个块加密的时候才会用到，而第N个块的加密IV则是用的N-1(N>1)个加密后的二进制数组。

CBC的解密则也是从左往右看，但是加密时IV在解密时候，只会用于对第一个块进行解密，其他块的解密则是使用上一块的加密二进制作为IV进行解密操作。

通过上面的分析就能知道，加密的时候，iv会影响所有数据的加密结果，而解密时，iv只会影响第一个加密块的解密结果，其他块的解密可以直接通过分隔加密数据获取正确是N-1块的IV。

这也就印证了为什么ff能播放我用错误的iv解密出来的视频流数据，因为第一块的大小存储大概是id3 的数据，ff直接丢掉id3的数据，直接解码后面的视频数据 ，ff 应该是识别h264编码头开始解码视频。

那么从这点可以看出，在使用了key的情况下，IV对整个数据的保密性没有太大的作用。

再来说说我是怎么发现这个问题，因为错误的IV只会影响第一个块的数据，我在第一次尝试解密后，直接用ff进行播放，ff能够解码并且播放成功，但是相对于其他未加密的HLS流来说，播放我解密后的数据会有3-5s的延时，这让我很是头疼，后来我就通过 ffplay -v trace 打印播放解密的日志，发现视频数据的id3信息丢失了，那么出问题出在第一个块。然后再次研究m3u8加解密IV的赋值方法，后发来经过多次试验，正确赋值IV，解密出来的数据能够及时播放。再后来，就出现了这篇文章的来由。

由此带来的延展，针对iv在CBC模式下的弱用，AES提供了更多的模式可供选择，详细的可以到wiki上了解。

https://en.wikipedia.org/wiki/Block_cipher_mode_of_operation

python实现AES加密

目录

1.AES加密

2.需要导入的模块

3.定义好全局变量

4.编写加密函数

5.将密文解密

6.完整代码

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1.AES加密

AES的区块长度固定为128 比特，密钥长度则可以是128，192或256比特；

AES有多种加密模式，其中CBC分组模式是SSL、IPSec的标准。使用CBC加密模式时需要提前给出一段初始化向量iv，因为明文分组都是根据前一个明文分组加密的，所以第一个明文分组需要用到iv来加密。

2.需要导入的模块

import base64
from Crypto.Cipher import AES

3.定义好全局变量

iv = '1234567887654321'
key = 'miyaoxuyao16ziji'
data = 'hello world'

iv是初始化向量，第一组明文就是用它加密的

key是密钥，这里选择的长度是128比特，所以字符串的长度要固定在16

data就是需要加密的数据

4.编写加密函数

1. AES的区块固定是128比特，也就是16字节，所以一开始要先判断明文是否小于16字节，如果小于16字节，需要补齐，为此要写一个补齐的函数。

   # 将原始的明文用空格填充到16字节
   def pad(data):
       pad_data = data
       for i in range(0,16-len(data)):
           pad_data = pad_data + ' '
       return pad_data

2. 创建AES加密对象
3. 用创建好的加密对象，对明文进行加密
4. 把加密好的密文用base64编码
5. 把字符串解码成字符串

代码：

# 将明文用AES加密
def AES_en(key, data):
    # 将长度不足16字节的字符串补齐
    if len(data) < 16:
        data = pad(data)
    # 创建加密对象
    AES_obj = AES.new(key.encode("utf-8"), AES.MODE_CBC, iv.encode("utf-8"))
    # 完成加密
    AES_en_str = AES_obj.encrypt(data.encode("utf-8"))
    # 用base64编码一下
    AES_en_str = base64.b64encode(AES_en_str)
    # 最后将密文转化成字符串
    AES_en_str = AES_en_str.decode("utf-8")
    return AES_en_str

5.将密文解密

解密是加密的逆过程，按着加密代码的逆序很容易就能写出

1. 将密文字符串重新编码成bytes类型
2. 将base64编码解开
3. 创建AES解密对象
4. 用解密对象对密文解密
5. 将补齐的空格用strip（）函数除去
6. 将明文解码成字符串

 代码：

def AES_de(key, data):
    # 解密过程逆着加密过程写
    # 将密文字符串重新编码成二进制形式
    data = data.encode("utf-8")
    # 将base64的编码解开
    data = base64.b64decode(data)
    # 创建解密对象
    AES_de_obj = AES.new(key.encode("utf-8"), AES.MODE_CBC, iv.encode("utf-8"))
    # 完成解密
    AES_de_str = AES_de_obj.decrypt(data)
    # 去掉补上的空格
    AES_de_str = AES_de_str.strip()
    # 对明文解码
    AES_de_str = AES_de_str.decode("utf-8")
    return AES_de_str

6.完整代码

import base64
from Crypto.Cipher import AES

iv = '1234567887654321'
key = 'miyaoxuyao16ziji'
data = 'hello world'
# 将原始的明文用空格填充到16字节
def pad(data):
    pad_data = data
    for i in range(0,16-len(data)):
        pad_data = pad_data + ' '
    return pad_data

# 将明文用AES加密
def AES_en(key, data):
    # 将长度不足16字节的字符串补齐
    if len(data) < 16:
        data = pad(data)
    # 创建加密对象
    AES_obj = AES.new(key.encode("utf-8"), AES.MODE_CBC, iv.encode("utf-8"))
    # 完成加密
    AES_en_str = AES_obj.encrypt(data.encode("utf-8"))
    # 用base64编码一下
    AES_en_str = base64.b64encode(AES_en_str)
    # 最后将密文转化成字符串
    AES_en_str = AES_en_str.decode("utf-8")
    return AES_en_str

def AES_de(key, data):
    # 解密过程逆着加密过程写
    # 将密文字符串重新编码成二进制形式
    data = data.encode("utf-8")
    # 将base64的编码解开
    data = base64.b64decode(data)
    # 创建解密对象
    AES_de_obj = AES.new(key.encode("utf-8"), AES.MODE_CBC, iv.encode("utf-8"))
    # 完成解密
    AES_de_str = AES_de_obj.decrypt(data)
    # 去掉补上的空格
    AES_de_str = AES_de_str.strip()
    # 对明文解码
    AES_de_str = AES_de_str.decode("utf-8")
    return AES_de_str

data = AES_en(key, data)
print(data)
data = AES_de(key, data)
print(data)