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不经意传输

花絮

我之前给 pwnhub 出过一道关于 oblivious transfer 的题目 BabyOT

0CTF/TCTF 2020 Finals 也有一道 Oblivious

再加上这道题,三道题每道题的解法都完全不同。它们都是按照维基百科上面的算法实现的,但问题都在于,m0 和 m1 并不是均匀随机选择的。

我出这道题是因为某同学(就是 114514 那道题的出题人)跟我说,BabyOT 那道题其实 RSA 的 key 每次重新生成也可以做,不过要求字符集不能超过 16 个字符。他很快写好了字符集为连续 16 个字母的简单 demo。但是当我问他能不能把这 16 个字符设定成十六进制的 16 个字符时,我们都没想出来怎么搞。

我最开始以为穷举量太大,无法解出,后来发现其实把 RSA 的 bit 数变小就可以了,RSA 2048 变成 1024,解题需要的穷举量直接开根号。

第一问:解密消息

直接按照 oblivious transfer 的协议实现一下另一方就可以正常获取到两条消息中的一条了。

但是,这里有个坑,就是 m0 可能比 n 大。要么多试几次,要么把解出来的 m0 不断加上 n 尝试。

当然,你也可以直接去做第二问,这样第一问也包含在内了。

第二问:攻破算法

题目的缺陷在于,m0 和 m1 都是十六进制编码之后的字符串,每个字符都是在 09 af 这个特定的字符集内的,相比于随机的消息,非常不均匀。

1-2 oblivious transfer

以下的数学公式都是 mod n 意义下的。

仔细思考 1-2 oblivious transfer 的算法,我们可以发现解决这道题的重点:

精心构造 v,可以 k0 和 k1 成比例。如果我们让 k0 = -scale * k1,那么就有 m0' + m1' * scale = (m0 + k0) + (m1 + k1) * scale = m0 + m1 * scale

如何让 k0 = -scale * k1 呢?我们知道 k0 ^ e = v - x0k1 ^ e = v - x1,代进去把 v 解出来就行了:

v = (x0 + scale ^ e * x1) / (1 + scale ^ e)

只要我们发送这样计算得到的 v,然后拿到 m0' 和 m1' 时计算一下,就可以得到 m0 + m1 * scale 了。

首先我们考虑简单的情形,即,m0 和 m1 每个字符都是 0~15 的范围。

字符串编码成的大整数,可以看作是 256 进制的数,如果每一个字节都是 0~15,意味着高 4 个二进制位都是 0。如果我们取 scale = 16,那么 m0 + m1 * scale 就是把两个数交错拼起来,示意图如下:

m0: 01 02 03 04
m1: 0a 0b 0c 0d

这样的话

m0          : 01 02 03 04
m1 * 16     : a0 b0 c0 d0
m0 + m1 * 16: a1 b2 c3 d4

你看,什么信息都没丢,你可以轻松从中还原出 m0 和 m1。

再考虑复杂一点的情形,m0 和 m1 的字符集都是连续 16 个字符,或者说,更弱的条件,字符集的每个字符 mod 16 正好是 0~15。

此时,虽然 m0 和 m1 交织在了一起,但是我们从 m0 + m1 * scale 的低字节开始,通过 mod 16 就可以找到 m0 的低字节,然后减掉 m0 的低字节,继续 mod 16 找到 m1 的低字节,这样继续下去,就可以还原 m0 和 m1。

这道题中的情况是,m0 和 m1 的字符集 mod 16 并不恰好是 0~15。这样的话,当我们遇到重复的值,我们无法判定它是多种情况中的哪一个。所以,我们需要一些穷举。

其实,scale 也可以不是 16。我通过统计无法分辨的情况出现的概率,找到了题目字符集下比较好的一个 scale:19。

然后,我们拿到 m0 + m1 * scale 后,就可以开始从低字节开始寻找可能的 m0 和 m1 的低字节了,解题脚本需要记住所有的可能情况,然后不断向高字节搜索。

然而,对于我这种用 Python 这样运行速度很慢的语言解题的人来说,穷举量通常会是 2^30 以上的量级,在题目连接的短时间内无法穷举完成。当然,你可以选择不断重试,反正总有机会遇到穷举几分钟之内就找到解的情况。

穷举需要的数量级是一个二项分布(可以看成正态分布)。我的做法是,不断重新连接服务器,每次先计算一下穷举量,蹲到一个穷举量小于 2^24 的情况,分分钟就可以穷举出来。实测重连一些次就可以蹲到一次穷举量足够小的。

解题脚本