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ePassport BAC 密钥派生与 AES 解密

Cryptography 密码学 AES ePassport MRZ 阅读量 0

ePassport BAC 密钥派生与 AES 解密

这篇文章复现 MysteryTwister C3 的一道 ePassport BAC 题。

题目给出：

一段不完整 MRZ
一段 AES-CBC 密文
IV = 16 字节全 0
padding = 01-00 padding

目标是：

1. 恢复 MRZ 中缺失的字符
2. 根据 MRZ 派生 BAC 密钥
3. 用 AES-CBC 解密密文
4. 得到题目的 code word

1. 题目中的 MRZ

题目给出的不完整 MRZ 是：

12345678<8<<<1110182<111116?<<<<<<<<<<<<<<<4

其中 ? 是缺失字符。

MRZ 是 Machine Readable Zone，护照和旅行证件中常见。BAC 会从 MRZ 信息里派生密钥，所以缺失一个字符也会导致最终密钥完全不同。

2. MRZ 字符取值

MRZ 校验位计算时，不同字符有不同数值：

0-9 -> 0-9
A-Z -> 10-35
<   -> 0

代码：

def mrz_char_value(ch: str) -> int:
    if ch == "<":
        return 0
    if ch.isdigit():
        return int(ch)
    if "A" <= ch <= "Z":
        return ord(ch) - ord("A") + 10
    raise ValueError(f"invalid MRZ character: {ch}")

校验位使用循环权重：

7, 3, 1

计算函数：

def mrz_check_digit(field: str) -> str:
    weights = [7, 3, 1]
    total = sum(mrz_char_value(ch) * weights[i % 3] for i, ch in enumerate(field))
    return str(total % 10)

3. 恢复缺失字符

已知 MRZ 有多个字段自带校验位，例如：

passport number
birth date
expiry date

所以可以枚举 ? 的候选字符，检查三个字段的校验位是否同时正确。

MRZ_ALPHABET = "0123456789<ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"


def recover_mrz_missing_char(line: str) -> str:
    if line.count("?") != 1:
        raise ValueError("expected exactly one missing character")

    for candidate in MRZ_ALPHABET:
        trial = line.replace("?", candidate)
        passport_no, passport_cd = trial[0:9], trial[9]
        birth, birth_cd = trial[13:19], trial[19]
        expiry, expiry_cd = trial[21:27], trial[27]

        if (
            mrz_check_digit(passport_no) == passport_cd
            and mrz_check_digit(birth) == birth_cd
            and mrz_check_digit(expiry) == expiry_cd
        ):
            return candidate

    raise ValueError("no candidate satisfies check digits")

运行结果恢复：

Recovered missing character: 7

完整 MRZ：

12345678<8<<<1110182<1111167<<<<<<<<<<<<<<<4

4. 生成 MRZ information

BAC 不是直接对整行 MRZ 做 SHA1，而是取几个字段拼接。

本题中的 MRZ information：

12345678<811101821111167

代码：

mrz_info = mrz_line[0:10] + mrz_line[13:20] + mrz_line[21:28]

也就是：

passport number + check digit
birth date + check digit
expiry date + check digit

5. BAC 密钥派生

第一步：

K_seed = SHA1(MRZ_information)[0:16]

代码：

k_seed = hashlib.sha1(mrz_info.encode("ascii")).digest()[:16]

第二步，生成加密密钥材料：

SHA1(K_seed || 00000001)[0:16]

第三步，调整 DES 奇校验位。本题最终使用的是 16 字节密钥材料，但每个字节仍要调整奇校验位：

def adjust_des_parity(data: bytes) -> bytes:
    adjusted = bytearray()
    for byte in data:
        candidate = byte & 0xFE
        if candidate.bit_count() % 2 == 0:
            candidate |= 1
        adjusted.append(candidate)
    return bytes(adjusted)

最终结果：

K_seed                    : a095f0fdfe51e6ab3bf5c777302c473e
SHA1(K_seed||00000001)    : eb8645d97ff725a998952aa381c53079
K_ENC after parity adjust : ea8645d97ff725a898942aa280c43179
K_MAC after parity adjust : b37a15207fbc4554527c67a15ba72f68

6. AES-CBC 解密

题目说明：

mode = AES-CBC
IV   = 00000000000000000000000000000000

所以解密：

ciphertext = base64.b64decode(CIPHERTEXT_B64)
plaintext_padded = aes_cbc_decrypt(ciphertext, k_enc, bytes(16))

注意本题 padding 不是 PKCS#7，而是 01-00 padding。

去 padding：

def zero_one_unpad(data: bytes) -> bytes:
    index = data.rfind(b"\x01")
    if index == -1:
        raise ValueError("missing 01 marker")
    if any(data[index + 1 :]):
        raise ValueError("invalid 01-00 padding")
    return data[:index]

7. 真实运行结果

运行脚本：

python work\experiment_02_aes_modes\09_recover_mtc3_epassport_message.py

真实 VSCode 截图：

ePassport BAC 运行截图

输出：

Recovered missing character: 7
MRZ information string     : 12345678<811101821111167
K_seed                     : a095f0fdfe51e6ab3bf5c777302c473e
K_ENC after parity adjust  : ea8645d97ff725a898942aa280c43179
Plaintext:
Herzlichen Glueckwunsch. Sie haben die Nuss geknackt. Das Codewort lautet: Kryptographie!

code word 是：

Kryptographie

8. 代码截图与测试

代码运行截图：

ePassport BAC 代码运行截图

单元测试里也检查了：

missing_char == "7"
plaintext contains "Kryptographie"

测试截图：

实验二单元测试截图

9. 常见错误

9.1 MRZ 字段切片错误

MRZ 的位置非常重要。切片错一位，K_seed 就完全不同。建议先打印：

MRZ information string

确认后再派生密钥。

9.2 忘记校验位

缺失字符不是随便猜。它必须让护照号、出生日期、有效期等字段校验位同时成立。

9.3 忘记奇校验位调整

如果直接拿 SHA1 的前 16 字节当 K_ENC，可能会解密失败。题目流程要求做 parity adjustment。

9.4 用错 padding

本题是 01-00 padding，不是 PKCS#7。去填充逻辑不同。

9.5 IV 写错

题目明确 IV 是全 0。如果 IV 不对，第一块明文会错，后续结果也无法正常解释。

10. 小结

这道 ePassport BAC 题串起了几个点：

MRZ 校验位
缺失字符枚举
SHA1 派生 K_seed
K_ENC / K_MAC 派生
DES parity adjustment
AES-CBC 解密
01-00 padding 去除

做这种题时，不要急着上 AES。先把 MRZ 恢复和密钥派生每一步打印出来，确认中间值正确，最后再解密。

参考资料

  • MysteryTwister C3 ePassport BAC challenge
  • ICAO Doc 9303, Machine Readable Travel Documents
  • Basic Access Control 相关资料
  • NIST SP 800-38A, CBC mode