国家太空安全是国家安全在空间领域的表现。随着太空技术在政治、经济、军事、文化等各个领域的应用不断增加，太空已经成为国家赖以生存与发展的命脉之一，凝聚着巨大的国家利益，太空安全的重要性日益凸显。而在信息化时代，太空安全与信息安全紧密地结合在一起。2020年9月4日,美国白宫发布了首份针对太空网络空间安全的指令——《航天政策第5号令》，其为美国首个关于卫星和相关系统网络安全的综合性政策，标志着美国对太空网络安全的重视程度达到新的高度[1]。随后美国空军组织了“黑一颗卫星（Hack A Sat）”[2]太空安全挑战赛，该赛事涵盖多个领域的知识，本文使用AES缓存碰撞攻击给出了该赛事其中一个挑战的解决方案。
从2020年起，美国空军已经连续两年举办太空安全挑战赛。该赛事分为资格赛、决赛两个阶段，资格赛采用积分制，资格赛中积分前8名的参赛队进入决赛，最终角逐出前三名。以2021年为例，在6月26日至27日为期30小时的资格赛中，有75个以上国家近3000名竞争对手组成的1000多支队伍参加。资格赛由5个类别的24个挑战组成，侧重于不同的技能组合，包括卫星操作、逆向工程和射频通信等。12月11日至12日决赛期间，8个团队参加了持续24小时的决赛，决赛项目是攻防对抗式的夺旗赛，包括争夺虚拟地面站、通信子系统、“平卫星”物理卫星硬件，以及用于模拟和测试命令的数字孪生软件。各团队被要求同时操作和防御自己具有脆弱性的系统，同时攻击对手相同的系统来得分。系统中存在许多可利用的漏洞，团队必须修补或以其他方式减轻自己漏洞所产生的影响，以防止系统被攻击，同时保持系统正常运行[3]。
在2020年第一届太空安全挑战赛中，在“载荷模块（Payload Module）”这个类别下有一个挑战是“密码泄露（Leaky Crypto）”，主办方给出的挑战信息如下：
有一颗卫星在通信过程中，会对每个消息使用ECB（Electronic Codebook；电码本）模式的AES-128（Advanced Encryption Standard；高级加密标准）算法[4-6]进行加密。攻击者由于不知道密钥，无法正常加密，那么当攻击者向卫星发送消息后，卫星就会发现消息不对，从而丢弃该伪造消息。攻击者已经截获了一段密文，需要参赛者给出对应的明文，并且已知如下一些信息：
（1）知道密钥的前6个字节是“0xc35c7a9947fe”。
（2）知道截获密文对应明文的前几个字节是“flag{ksjkglhwsjd”。
（3）提供了100000行尝试攻击数据，每个数据包括两部分：明文、加密明文时间，部分数据如下所示。
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从给出的挑战信息可知，这是已知加解密算法、部分明文、全部密文，并且有大量明文及其加密时间的数据，要求得出加密密钥的挑战。本文利用AES缓存碰撞攻击方法给出解决方案。
AES是美国联邦政府采用的一种区块加密标准，是一种对称加密算法[7-8]，对称加密即加密与解密用的是同样的密钥。AES因其运算速度快、安全性高的优点，用来替代原先的DES（Data Encryption Standard；数据加密标准），已经被广泛使用[9-12]。其加密、解密基本过程如图1所示，左边是加密过程，右边是解密过程，加密、解密是对称的。从图中可以发现，加密、解密需要进行多轮计算，密钥长度不同，导致计算轮数不同，根据密钥长度不同AES分为AES-128、AES-192[13]、AES-256[14]。对于AES-128，加密、解密过程有10轮运算。