AlpacaHack Round 3 (Crypto) writeup

最近登場した個人戦CTFプラットフォームであるAlpacaHackで、Crypto回があったので参加しました。一回6時間、4問だけの出題で気軽に挑戦できるので良いですね。adminやauthorは国内CTFプレイヤーで上から数えても五指か十指かそのくらいにはいる実力者で問題の質も保証されているので、入門者にも*1経験者にも、私のような「昔やってました」という人にもおすすめです。

出るかどうか迷ってたけど寝坊しつつもいい感じの時間に起きられたので出て、2時間40分55秒で全完して10位でした。上振れも下振れもしない、実力程度の順位かな〜と思います。

以下writeup。AlpacaHackにはCTF始めたての人もたくさん参加していると思うので（参加してくれていると嬉しいので）、どういうことを考えていた、とかも頑張って書きます。

qrime
Rainbow Sweet Alchemist
A Dance of Add and Mul
Hat Trick

qrime

問題名みて「primeのpがqになってるやつ〜！ RSAで $n=p^2$ かな〜」と思いながら見たら、ちょっと違った。RSAで $n$ の素因数 $p, q$ が次の関数で生成されていた。

def gen():
    while True:
        q = getRandomNBitInteger(256)
        r = getRandomNBitInteger(256)
        p = q * nextPrime(r) + nextPrime(q) * r
        if isPrime(p) and isPrime(q):
            return p, q, r

雑に読むと、「 $q$ は適当な素数で、 $r$ はランダムな値。 $p = qr' + q'r$ と書いて $p$ は素数で、 $n=pq$ 」ということがわかる*2。ここで $q', r'$ は適当な小さい整数 $\alpha, \beta$ をつかって $q' = q + \alpha, r' = r + \beta$ と表せるような素数で、記号は適当に導入した。

で、問題は $n, r$ とRSAで暗号化された $c = m^e \mod n$ が与えられているというやつ。明らかに $n$ の作り方が変で、ヒントの $r$ ももらえているので、 $n$ をを素因数分解する系の問題でしょう、ということにはあたりがつく。

で、まずは適当に導入した記号を使いつつ $n$ を開いていく。

$n = pq = (qr' + q'r)q = (q(r + \beta) + (q + \alpha)r)q = 2q^2r + q^2\alpha + qr\beta$

すると（ $\alpha, \beta$ は小さいことがわかってて全探索すればよいので） $n$ が $q, r$ の2変数で表されることがわかって、 $r$ は既知だから $q$ について解いたらよいね、ということがわかる。

わかるけど、競技中の私は「あ〜あきらかに $q^2r > q^2, qr$ だね〜、じゃあ $n \simeq 2q^r$ って近似できて $\frac{n}{2r} \simeq q^2$ って変形すれば $q^2$ の近似値が取れそう〜って言って解きました。

こう。近似した後ちゃんとした $q$ の値になるかどうかは、近似値に適当な値を足したり引いたりして $n$ を割り切れるかで判定した。

from Crypto.Util.number import isPrime
from gmpy2 import iroot

n=2006...7779
e=65537
c=7716...708
r=307...5270




qq, _ = iroot(n // (2*r), 2)
for diff in range(-200, 200):
    q = qq + diff
    if isPrime(q) and n % q == 0:
        p = n // q
        phi = (p - 1) * (q - 1)
        d = pow(e, -1, phi)
        m = pow(c, d, n)
        print(bytes.fromhex(hex(m)[2:]))
        quit()

Rainbow Sweet Alchemist

何を言ってるかはわからないけど、Acronym的にRSAということだけがわかる。

で、ちゃんとスクリプトを読みはじめるとまず r = random.Random(0) と書いてあって「あ〜これランダムと言いつつ値が固定されてるやつじゃん〜」になる。さらに真面目に読むと、RSAで、 $p, q$ の作り方が次のように独特であることがわかる。

先述の r = random.Random(0) によって、determinisitcGetPrimeの $k$ 回目の呼び出しの値はわかる。一方factorsからどの値が抜かれるか、というのは固定されてない乱数生成器がつかわれていてわからない、という問題。

まず一瞬考えるのは「determinisitcGetPrimeが返す素数は全部わかるわけだからfactorsから何が抜かれたらどうなる、を全部シミュレーションしたら良いんじゃね」ということだが、面倒だからやらなかった。

かわりに考えたのは、「 $p$ （ $q$ ）は $p = 2p_1p_2\dots p_k + 1$ という形式で、どの $p_i$ も64bitだから、 $p, q$ はB-smoothな値なんだなぁ」ということ。要するに $p-1$ の素因数がある程度小さい値に限られるということで、こういうケースではpollard's p-1 methodという素因数分解方法が有効*3。

が、実際には拾ってきたp-1法をやってみてもうまくいかなくて、もうちょい工夫する必要がある。

p-1法についてはこのエントリとかにかいてあって、私は良く知らないが、読んでみると適当な $a$ にたいして $p-1$ のあらゆる素因数（の候補）の積 $M$ があって $gcd(a^M - 1, n)$ が $n$ の素因数を計算できるらしい。

普通のp-1法ではp-1の素因数にどういう値が入ってくるかはわからないので小さい素因数から順番に $M$ に掛けまくるわけだが、今回は素因数の生成は決定的なので、 $M$ に含まれるべき素因数の候補は列挙できる。ので列挙してp-1法をやると良いです。

つまりこういう感じ↓

import math
import random
from Crypto.Util.number import isPrime

r = random.Random(0)
def deterministicGetPrime():
  while True:
    if isPrime(p := r.getrandbits(64)):
      return p


def pollard(n):
    a = 2
    while True:
        x = deterministicGetPrime()
        a = pow(a, x, n)
        d = math.gcd(a - 1, n)
        if 1 < d < n:
            return d


n=235...1909
e=65537
c=945...459

p = pollard(n)
assert p is not None
q = n // p
phi = (p - 1) * (q - 1)
d = pow(e, -1, phi)
m = pow(c, d, n)
print(bytes.fromhex(hex(m)[2:]).decode())

典型というか、既存のアルゴリズム（が動く原理）についてちゃんと理解しているとそのアルゴリズムを改造して解けるという面白い問題だった。私はB-smooth→p-1法の対応だけ暗記しててp-1法については解きながら調べてあとはスクリプトキディしました、ということ

A Dance of Add and Mul

ここからコードの細かい解説をサボります。面倒なので……。

BLS12-381という楕円曲線があって、その生成元を $G_1, G_2$ とする*4。

フラグを1bitずつ暗号化していて、その方法はこう↓。 $x$ というのは乱数列。

で、なんか $m_{i}$ の暗号化にも $m_{i+1}$ の暗号化にも $x_{i+1}$ が登場するので、となりあうbitの暗号化結果はなんらかの関連がありそうとわかる。もうちょい考えると、例えば $m_{i} = 0, m_{i+1} = 1$ だったとして、それぞれを暗号化したとき

$c_{i} = x_i G_1 + x_{i+1}G_2, c_{i+1} = x_{i+2}G_1 + x_{i+1}G_2$

で、どちらにも $x_{i+1}G_2$ という項が登場していて、差をとったら消せそう〜ということがわかる。さらに他のケースについても考えると次のようになる。

つまり、 $c_{i} - c_{i+1}$ を考えて、これが $G_1$ の倍数なら $m_{i} = 0, m_{i+1} = 1$ だし、 $G_2$ の倍数なら $m_{i} = 1, m_{i+1} = 0$ だし、そのどちらでもなければ、 $m_{i} = m_{i+1}$ ということがわかる。

あとは $c_{i} - c_{i+1}$ が $G_1$ や $G_2$ の倍数か調べる方法がわかれば良くて、これはBLS12-381という文字列を見た瞬間にペアリングのことを連想すれば良い。

ペアリングは（同一の曲線上に限らない）楕円曲線の点2点をとってなんか数値を計算する演算で、同じ巡回群の元を渡すと1になるという性質がある。つまりペアリングの演算 $e(P, Q)$ として $e(c_{i} - c_{i+1}, G_1)$ とか $e(c_{i} - c_{i+1}, G_2)$ とかを計算して、1になったら $G_1とかG_2$ の倍数だねといえる。

で、こういう感じで解いた

import os
import random
from Crypto.Util.number import bytes_to_long
import ast


p = 0x1a0111ea397fe69a4b1ba7b6434bacd764774b84f38512bf6730d2a0f6b0f6241eabfffeb153ffffb9feffffffffaaab
K = GF(p)
E = EllipticCurve(K, (0, 4))

G1, G2 = E.gens()
o1, o2 = G1.order(), G2.order()

cs = ast.literal_eval(open("chall.txt").read())
cs = [E(c) for c in cs]


last = 0
ms = ["0"]
for i in range(len(cs) - 1):
    R = cs[i] - cs[i + 1]
    is_g1 = G1.weil_pairing(R, o1) == 1
    is_g2 = G2.weil_pairing(R, o2) == 1

    if not is_g1 and not is_g2:
        
        
        pass
    elif not is_g1 and is_g2:
        
        last = "0"
    elif is_g1 and not is_g2:
        
        last = "1"
    else:
        assert False, "unreachable"
    ms.append(last)

print(int("".join(ms), 2))

Hat Trick

「ローリングハッシュだ〜。keymoon、競技プログラマでAlpacaHack（の特にCrypto）やってる人が多いからそれ向けの問題だしてるな〜」と思いながら、問題を眺めた。

ローリングハッシュときたらLLLというところまでは連想ゲームなので説明できなくて、解くときにrkm0959というひとがライブラリ化したCVP solverであるところのInequality Solving with CVPが便利ということをご紹介。

このライブラリはCVPを解くときに条件を書いたらLLLのための行列はいい感じにやってくれるというやつで、非常に便利に使える。制約の配列と下限・上限の配列を作って渡してやれば良くて、今回の問題であれば次のようにそれぞれの配列を作っていく。

まず求めたい未知変数について考える。今回 $c_1 + c_2b_{i} + \dots + c_{n}b_{i}^{n-1} \mod p_{i} = t_{i}$ と $'a' \le c_{i} \le 'z'$ を満たす $c_0, \dots, c_n$ を求めたら良い。LLLではmodを含む式はmodの部分を整数係数 $k_{i}$ を使って開くので $c_1 + c_2b_{i} + \dots + c_{n}b_{i}^{n-1} - k_{i}p_{i} = t_{i}$ と変形することを考えると、 $k_{i}$ も未知変数と言える。

続いて制約をつくっていく。制約は式の左辺を表す配列と、その上限・下限となる値の3つの組からなる。制約は複数あるのが普通で、今回であればローリングハッシュの計算結果を所望の値にするという制約と、各文字が英小文字の範囲に入るという制約を表現する必要がある。

まず1個目のローリングハッシュの値についての制約を作る。式の左辺を表す配列は、 $i$ 番目の要素には未知変数の $i$ 番目の変数にかける係数を入れて作ればよい。今回は ${ 1, b_1, b_1^2, \dots, b_1^{n-1}, -p_1, 0, 0}$ となる（1個目のローリングハッシュについて考えるときは2, 3個目のローリングハッシュのための変数k2, k3は無視したいので、係数0をかける）。これで $c_1 + c_2b_{i} + \dots + c_{n}b_{i}^{n-1} - k_{i}p_{i}$ が表現できた。そしてこの式をどのような上限・下限で挟むかを決めるが、今回は $t_1$ にぴったり一致させたいので上限も下限もこの値にする。

続いて2個目、3個目のローリングハッシュの値についての制約も同様に別の配列と上限・下限の値として作る。

更に個別の値の制約、 $'a' \le c_{i} \le 'z'$ の部分も作る。 $c_1$ に対応する式の配列は ${1, 0, \dots }$ であり、 $c_2$ に対応する式の配列は ${0, 1, 0, \dots }$ である。そして、これの上限と下限は当然 ord('z')と ord('a') になる。

これですべての制約を表現できたので、あとはこれをsolveという関数に突っ込んでやれば良い。式の制約はMという行列（の転置）で表され、上限・下限はlb, ub*5という配列に入っている


M = matrix(ZZ, [
        
        [params[i]["base"]**j for j in range(N)] + [0 for _ in range(i)] +  [params[i]["p"]] + [0 for _ in range(len(params) - i - 1)]
        for i in range(len(params))
    ] + [
        
        [0 for _ in range(i)] + [1] + [0 for _ in range(S - i - 1)]
        for i in range(N)
    ])
lb = target + [ord('a') for _ in range(N)]
ub = target + [ord('z') for _ in range(N)]

load("./rkm.sage")
_, _, solution = solve(M.T, lb, ub)

この問題を解くスクリプト全体はいかのようになる

from ptrlib import Socket
import string
import ast

MAX_LEN = 54

class RollingHash:
    def __init__(self, p=None, base=None) -> None:
        self.p = getPrime(64) if p is None else p
        self.base = (getRandomInteger(64) if base is None else base) % self.p
    def hash(self, s: str):
        res = 0
        for i, c in enumerate(s):
            res += ord(c) * (self.base ** i)
            res %= self.p
        return res

def check_str(s: str, max_len: int):
    assert len(s) <= max_len, "too long!"
    for i, c in enumerate(s):
        assert c in string.ascii_lowercase, f"found invalid char {c} at {i}"

sock = Socket("nc 34.170.146.252 53764")

params = ast.literal_eval(sock.recvlineafter("params: ").decode().strip())
h = [RollingHash(p=param["p"], base=param["base"]) for param in params]


for _ in range(3):
    line = sock.recvline()
    if b"target: " not in line:
        quit()

    target = ast.literal_eval(line[len("target: "):].decode().strip())

    N = MAX_LEN
    S = N + len(params)

    
    M = matrix(ZZ, [
            
            [params[i]["base"]**j for j in range(N)] + [0 for _ in range(i)] +  [params[i]["p"]] + [0 for _ in range(len(params) - i - 1)]
            for i in range(len(params))
        ] + [
            
            [0 for _ in range(i)] + [1] + [0 for _ in range(S - i - 1)]
            for i in range(N)
        ])
    lb = target + [ord('a') for _ in range(N)]
    ub = target + [ord('z') for _ in range(N)]

    load("./rkm.sage")
    s = "".join([chr(c) for c in solution[:N]])
    print(s)

    
    for i in range(len(params)):
        assert h[i].hash(s) == target[i], f"hash mismatch at {i}"
    check_str(s, MAX_LEN)

    sock.sendlineafter("> ", s)

sock.interactive()