如何阻止攻擊者重複相同的密文？
我有這種情況，PC 通過 RS-232 連接到控制工業機械的某個硬體模組。
硬體應該接收打開或關閉這些機器的命令，並且可能需要在一分鐘內多次發送相同的命令。現在，我對密碼學非常陌生，所以我將使用已經存在的庫對這個硬體進行程式，該庫支持 ECB 和 CBC 模式下的 AES-128、AES-192 和 AES-256。
我面臨的問題是，潛在的攻擊者可以很容易地獲得對傳輸線的訪問權，只需探測它以查找正在發送的消息，然後使用此資訊發送可能危及工業機械的命令。
假設 PC 使用 AES-256 使用硬體模組知道的密鑰來加密類似“MACHINE1 ON”的消息。由於命令始終相同，在 ECB 模式下使用 AES 將產生相同的密文，這意味著攻擊者只需重複相同的密文即可啟動機器。
現在，CBC 加密使用 IV 來隨機化密文，但問題是，PC 和硬體模組如何知道 IV？如果 PC 生成一個真正隨機的 IV 並用它加密命令，那麼硬體模組沒有它就無法解密消息。
所以它認為也許 PC 應該將 IV 傳輸到硬體，使用 ECB 模式，然後傳輸使用該 IV 加密的命令，但我們又回到了原點，因為攻擊者可以重複密文，而硬體將接受它（這被認為是重放攻擊嗎？）。
我已經閱讀了一些關於 MAC 以及它如何允許驗證發件人是否未更改的資訊，但它如何應用於這種情況？它甚至會有所幫助嗎？如果不是，在這種情況下可以使用什麼技術？
請記住，發送到硬體模組的消息種類很少。硬體模組還能夠生成真正的隨機數，並以簡單的“OK”或“Invalid command”消息回復命令。這些也應該被加密，以確保攻擊者獲得盡可能少的資訊。
編輯：
我還讀到有時，IV在加密文本的開頭髮送，以便接收端知道前N個字節對應於IV並且可以解密消息。這不是也容易受到同樣的重放攻擊嗎？
實現某種“握手”不是更好嗎，其中硬體是生成IV並將其發送到PC的硬體，PC以確定性的方式修改IV，然後使用修改後的消息發送消息四？然後，每次 PC 需要發送命令時，該過程都會重複，只要硬體不會兩次生成相同的 IV，那麼一切都是安全的，對嗎？
如果這個問題到處都是，我很抱歉，我對文字學很困惑，我被要求實現一些我幾乎不知道它是如何工作的東西。任何幫助將非常感激。
您的問題似乎將 IV 和反重放保護的想法混為一談；實際上，他們彼此之間沒有任何關係。
IV（在 CBC 模式下）是加密器隨機選擇的值；它可以與密文一起發送（因為我們不在乎攻擊者是否知道它）。它的存在使得如果我們決定發送兩次相同的消息（或發送兩個相似的消息），密文看起來完全不相關（因此攻擊者不會獲得任何資訊）。它對反重放沒有幫助；但是，它從未被設計為。
至於反重放（拒絕相同的消息），有兩種標準方法可以解決它。
- 第一種方法是讓接收者記住它已經收到了哪些消息。這可能比您想像的要容易；如果發送者包含一個序列號（它在每次發送消息時遞增），接收者只需檢查是否看到了最後一個序列號；如果它沒有增加，它可以拒絕該消息。現在，這可能有一個問題，對您來說，它無法正常工作；當任一系統重新啟動時，雙方如何知道使用哪個序列號？當我們使用這種策略時，我們在最初協商密鑰時將序列號重置為已知值；聽起來您正在使用配置的密鑰，所以這不起作用。
- 另一種策略是挑戰/響應協議；我們讓接收者發送一個值（可以是隨機的）；然後發送者將該值包含在加密消息中，然後接收者檢查消息中的值是否與它發出的值匹配。在您的情況下，它可能如下所示：
PC：“我想給你發個命令”
設備：“好的，使用值 0x314159”
PC：“打開 MACHINE1；值 0x314159；回复值 0x271828”
設備：“OK，命令已接受；值 0x271828”
請注意，前兩條消息實際上並不需要加密；攻擊者無法從他們身上學到任何有用的東西。
我包含了回复值（由 PC 選擇），以便攻擊者無法模擬設備接受命令，而實際上它沒有。
第三個問題是“如何確保攻擊者無法通過修改消息獲得任何收益”。顯然，可以更改任意消息的攻擊者可以禁止任何通信（通過簡單地干擾 RS-232 信號）；密碼學不能解決這個問題；它可以做的最好的事情就是確保攻擊者可以完成的所有事情。
您提到了 MAC（消息驗證碼）；這是這個問題的正確解決方案。對於每條加密消息，您將計算 MAC（這是消息和密鑰的函式）；您將此值與加密消息和 IV 一起發送。當設備收到它時，它還會計算 MAC，並將計算的值與加密消息中的值進行比較。如果兩個值相同，就知道消息沒有被修改。
沒有這個，攻擊者就有可能修改加密的消息；例如，他可能能夠將加密的“打開機器 1”消息修改為加密的“打開機器 2”消息。讓我震驚的是，避免這種可能性是值得做的。
有了您擁有的資源，最簡單的 MAC 將是 CBC-MAC。要實現這一點，您將獲取您的消息（包括 IV），如果您支持可變長度消息，則添加消息長度，然後要求您的 CBC 硬體使用固定的 IV（全 0 的工作）和不同的 AES 對其進行加密比您用於執行實際消息加密的密鑰。然後，您獲取密文，並丟棄除最後 16 個字節之外的所有內容；那是你的MAC。
接收方會做同樣的事情；他們將接收到的消息（不包括 MAC），可能會添加長度，並要求他們的硬體使用相同的固定 IV 對其進行加密（是的，加密，而不是解密），並且只查看最後 16 個字節生成的密文，並將其與接收到的消息中包含的 MAC 進行比較。