Teil 4: CSS und DeCSS. Prof. Dr. Jörg Schwenk Lehrstuhl für Netz- und Datensicherheit

Transkript

1 Systemsicherheit Teil 4: CSS und DeCSS Prof. Dr. DVD-Kopierschutz 1. CSS und DeCSS Überblick Die Schieberegister LFSR1 und LFSR2 Angriffe auf die Datenverschlüsselung Key Management Angriffe auf das Key Management Wo kommt die Information her? 2. DVD-Aufbau und Kopierschutz (ohne CSS) 3. Ausblick: DVD-Audio, Wasserzeichen, weitere Entwicklungen 4. CPPM/CPRM 2

2 Systemüberblick DVD Player Computer/Host Secret Key DVD Hidden Area Player Keys Secret Key Region Code Bus Key Bus Bus Key &c Per title Title Key Table of Encrypted Disk Keys Disk Key Hash Region Code 3 Die Schlüssel von CSS Authentication Key Dieser geheime Schlüssel (nur einer weltweit?) muss im DVD-Laufwerk und in der DVD Player-Software enthalten sein. Session Key (Bus Key) Dieser Schlüssel wird mit Hilfe der beiden beim Challenge-and-Response- Authentisierungsverfahren ausgetauschten Nonces berechnet Player Key K pi Jeder DVD-Player kann einen oder mehrere der 409 Player Keys K pi (i = 1,, 409) enthalten. Disk Key K d Dieser Schlüssel wird für jeden DVD-Titel neu erzeugt, mit allen 409 Player Keys und mit sich selbst verschlüsselt und auf der DVD abgelegt (hash, dk 1, dk 2,..., dk 409 ). Title Key K t Dieser Schlüssel ist im Header der einzelnen Files auf der DVD, mit K d verschlüsselt, abgelegt. XOR-verknüpft mit dem Sector Key dient er zur Entschlüsselung eines Sektors der Datei. Sector Key Jeder Sektor enthält einen 128-byte Header. Die Bytes des Headers jedes Sektors bilden den Sector Key (im Klartext). 4

3 Überblick über den Ablauf Step 1: Gegenseitige Authentisierung Challeng-and-Response-Protokoll, siehe nächste Folie. Dabei wird der Secssion Key/Bus Key berechnet. Step 2: Berechnung des Disk Key K d repeat select next available Player Key K pi K d = DA(dk i, K pi ) until K d = D A (hash, K d ) Step 3: Send disk and title keys The title and bus keys are sent from the player to the host. The session key is used to encrypt the title and disk keys in transit to prevent a man-in-the-middle attack. Step 4: The DVD player sends a sector to the host. Step 5: The host decodes the title key using the disk key. Step 6: The host decodes the sector using the title key, and a the sector key in the sector s header. 5 Gegenseitige Authentisierung Host Initialization done Request AGID AGID Drive Initialization done Decrypt and verify Challenge H Encrypt Challenge D Session key is encrypted Challenge H + Challenge D Challenge H (nonce) Encrypted D Encrypted Challenge H Challenge D (nonce) Success or Failure Encrypt Challenge H Decrypt and verify Challenge D Session key is encrypted Challenge H + Challenge D 6

4 Gegenseitige Authentisierung Encryption is similar to data encryption, but a permutation is done before the LFSR cipher. A different permutation box is used for each of the three keys. The secret key is used for the encryption. 7 Linear Feedback Shift Register (LFSR) Pseudo-random bit stream One technique used to encode a stream is to XOR it with a pseudo-random bit stream. If this random-looking bit stream can be regenerated by the receiver of the message, the receiver will be able to decode the message by repeating the XOR operation. Linear Feedback Shift Register (LFSR) The LFSR is one popular technique for generating a pseudo-random bit stream. After the LFSR is seeded with a value, it can be clocked to generate a stream of bits. Unfortunately, LFSRs aren t truly random they are periodic and will eventually repeat. In general, the larger the LFSR, the greater its period. There period also depends on the particular configuration of the LFSR. If the initial value of an LFSR is 0, it will produce only 0 s, this is sometimes called null cycling LFSRs are often combined through addition, multiplexers, or logic gates, to generate less predictable bit streams. 8

5 Generic LFSR output feedback path Feedback Function taps The register is seeded with an initial value. At each clock tick, the feedback function is evaluated using the input from the tapped bits. The result is shifted into the leftmost bit of the register. The rightmost bit is shifted into the output. Depending on the configuration (taps and feedback function), the period can be less than optimal. 9 CSS: LFSR-17 garbage 17 4 feedback path 15 1 taps Exclusive Or (XOR) output This register is initialized, or salted with two bytes of or derived from the key During the salting, a 1-bit is injected a bit 4, to ensure that the register doesn t start out with all 0s and null-cycle. The value being shifted in is used as the output, not the typical output bit, which in the case of CSS goes off into the ether. 10

6 CSS: LFSR-25 garbage 25 feedback path taps Exclusive Or (XOR) output This register is initialized, or salted with three bytes of or derived from the key During the salting, a 1-bit is injected a bit 4, to ensure that the register doesn t start out with all 0s and null-cycle. The value being shifted in is used as the output, not the typical output bit, which in the case of CSS goes off into the ether. 11 CSS: LFSR Addition key 1 byte LFSR-17 8 ticks Optional bit-wise inverter key + 8-bit add Output byte LFSR-25 8 ticks carry-out from prior addition 1 byte Optional bit-wise inverter carry-out 12

7 LFSR Output Inversion Bit-wise Invert Output Of LFSR LFSR-17 LFSR-25 Authentication Yes Yes Session key No No Title Key No Yes Data Yes No 13 CSS: Data Decryption Output byte from LFSRs Exclusive Or (XOR) Output data byte Input data byte Table-based substitution Sector LFSR-17 is seeded with bytes 0 and 1 of the title key XORed with byte 80 and 81 of the sector header. A 1 is injected at bit 4, shifting everything right by one bit. LFSR-25 is seeded with bytes 2, 3, and 4 of title key XORed with bytes 82, 83, and 84 of the sector header. A 1 is injected at bit 4, shifting everything right by one bit. The output of LFSR-17 is bit-wise inverted before adding to LFSR-25. Much as with DES, a table-based substitution is performed on the input data. 14

8 O(2 16 )-Attacke mit 6 bekannten Outputbytes XOR carry XOR + 8-bit add Output O(2 16 )-Attacke mit 5 bekannten Outputbytes XOR carry XOR + 8-bit add Output

9 CSS: Key Decryption 17 CSS: Key Decryption 18

10 CSS: Key Decryption 19 CSS: Key Decryption 20

11 CSS: Key Decryption 21 CSS: Key Decryption 22

12 CSS: Key Decryption 23 CSS: Key Decryption 24

13 CSS: Key Decryption 25 CSS: Key Decryption 26

14 CSS: Hash Decryption Ziel: Löse die Fixpunktgleichung K d = D A ( hash, K d ) mit Komplexität < O(2 40 ). Vorberechnung (Komplexität 16*2 16 ): for (K2=0x0, K2<=0xFF, K2++){ B(2)=A(1)^F(A(2))^K2; for (B(1)=0x0, B(1)<=0xFF, B(1)++{ C(2)=B(1)^F(B(2))^K2; speichere (K2,B(1),C(2)); } } Sortiere die Liste nach (C(2), B(1)); 27 CSS: Hash Decryption 1. Rate den Startwert (C(1), C(2)) von LFSR1 und berechne die ersten 5 Output-Bytes O 1 (1), O 1 (2), O 1 (3), O 1 (4), O 1 (5) (Komplexität O(2 16 )). 2. Rate B(1) und führe die Berechnungen auf den nachfolgenden Folien durch (Komplexität O(2 8 )). 28

15 CSS: Hash Decryption 29 CSS: Hash Decryption 30

16 CSS: Hash Decryption 31 CSS: Hash Decryption 32

17 CSS: Hash Decryption 3. Verwende die Tabelle, um für die jetzt berechneten Werte von B(1) und C(2) zulässige Werte für K2 zu finden; im Schnitt gibt es davon einen Wert (also keine Erhöhung der Gesamtkomplexität des Algorithmus). 33 CSS: Hash Decryption 34

18 CSS: Hash Decryption Jetzt könnte B(2) berechnet werden; das bringt aber nichts 4. Für die zulässigen Werte für K2 berechne aus [O 1 (1) und K1], [O 1 (2) und K2], [O 1 (5) und K3] die Werte O 2 (1), O 2 (2) und die zwei möglichen Werte für O 2 (5). 5. Durch Erzeugen und Sortieren einer (nur einmal anzulegenden) Tabelle der Größe 2 24, die für jeden Startwert von LFSR2 die zugehörigen Werte O 2 (1), O 2 (2) und O 2 (5) enthält, kann man nun auch den Startwert von LFSR2 und damit C(3), C(4), C(5) erhalten. 35 CSS: Hash Decryption 36

19 CSS: Hash Decryption 37 CSS: Hash Decryption 38

20 CSS: Hash Decryption 39 CSS: Hash Decryption 40

21 CSS: Hash Decryption 41 CSS: Hash Decryption 42

22 CSS: Hash Decryption 6. Wir testen, ob wir C(1), C(2), B(1), {K2} und die richtige Variante von O2(5) geraten haben, indem wir den berechneten Wert von K2 mit dem geratenen vergleichen. 7. Die verbleibenden Werte testen wir mit der Gleichung K d = D A ( hash, K d ). 8. Die verbleibenden (in der Praxis wenigen) Möglichkeiten können durch probeweise Entschlüsselung der Videodaten verifiziert werden. 43 Woher kommt die Information? c-anonymous.c void CSSdescramble(unsigned char *sec,unsigned char *key) { unsigned int t1,t2,t3,t4,t5,t6; unsigned char *end=sec+0x800; } t1=key[0]^sec[0x54] 0x100; t2=key[1]^sec[0x55]; t3=(*((unsigned int *)(key+2)))^(*((unsigned int *)(sec+0x56))); t4=t3&7; t3=t3*2+8-t4; sec+=0x80; t5=0; while(sec!=end) { t4=csstab2[t2]^csstab3[t1]; t2=t1>>1; t1=((t1&1)<<8)^t4; t4=csstab5[t4]; t6=(((((((t3>>3)^t3)>>1)^t3)>>8)^t3)>>5)&0xff; t3=(t3<<8) t6; t6=csstab4[t6]; t5+=t6+t4; *sec++=csstab1[*sec]^(t5&0xff); t5>>=8; } 44

23 Quellen für DeCSS Anonymes Posting c-anonymous.c Axboe, Jens, dvd Linux patch, Fawcus, D. and Roberts, Mark, css-auth package, December, Schneider, Bruce, Applied Cryptography, 2ed, Wiley, 1996, p Stevenson, Frank A., Cryptanalysis of Content Scrambling System, 8 Nov. 1999, as updated 13 Nov. 1999, 2.cs.cmu.edu/~dst/DeCSS/FrankStevenson/analysis.html Gallery of CSS Descramblers, 2.cs.cmu.edu/~dst/DeCSS/Gallery/ DeCSS Central, Gregory Kesden, Carnegie Mellon University, / Fall