Cerias tech Report 2015-01 The Weakness of Winrar encrypted Archives to Compression Side-channel Attacks

6 

2.  WINRAR 

WinRAR is capable of supporting all popular compression formats, including .rar and 

.zip files [17].  The software uses the Advanced Encryption Standard (AES) to encrypt 

archives.  WinRAR 5.0 and higher supports AES-256 while earlier versions use AES­

128.  Users  specify  a  password  to  encrypt  the  archive  in  question.  The  AES  key  is 

then derived from the given password implementing Password-Based Key Derivation 

Function 2 (PBKDF2) [18]. 

The  compression  and  encryption  functions  in  WinRAR  are  independent  of  each 

other.  Files  are  first  compressed  then  encrypted  when  added  to  an  archive  [9].  The 

user may further specify one of two encryption modes to apply to the archive.  First, 

the  user  may  encrypt  only  the  file  data.  This  allows  information  such  as  file  names 

to  be  viewed  in  plaintext.  The  second  mode  encrypts  both  file  data  and  header 

information, including file names, sizes, and other attributes [19]. 

2.1  WinRAR  v5.0 

As of September 2013, WinRAR introduced the new RAR5 archiving format.  Sev­

eral important changes, which will be discussed below, are implemented in the newest 

version.  It  is  important  to  note  that  RAR5  files  are  not  compatible  with  versions  of 

WinRAR prior  to 5.0.  During this transition  to a  new format,  the  older  RAR format 

is currently the default archive format. 

Versions 5.0 and above introduce new features to the compression algorithm [18]. 

The  maximum  dictionary  size  has  been  increased  to  1GB.  The  default  size  is  now 

32MB. This gives a higher compression ratio with a sacrifice to speed when compared 

to the earlier versions.  In addition to the general compression algorithms, Intel IA-32 

executable and delta compression algorithms are now implemented.  Some older algo­

---

7 

rithms such as RAR 4.x test, audio, true color and itanium are no longer supported. 

Theses  changes  increase  the  efficiency  of  the  software  when  handling  modern  data 

types. 

Changes  in  the  encryption  algorithm  and  related  features  offers  stronger  infor­

mation  security.  The  encryption  algorithm  now  uses  256-bit  AES  in  place  of  the 

previous 128-bit AES. To derive the key for AES-256, WinRAR now implements the 

key derivation function PBKDF2 using HMAC-SHA1.  To circumvent the discovery of 

encrypted information through system memory, the password verification method now 

allows for the detection of wrong passwords without unpacking the encrypted file.  Ad­

ditionally, the file checksums are now modified with a propriety password-dependent 

algorithm.  According  to  Rarlabs,  it  is  now  “impossible”  to  guess  the  contents  of  a 

file by comparing it with the typical CRC32 and BLAKE2 values [18].  Users can use 

a 256-bit length BLAKE2 hash in lieu of the default CRC32 file checksum. 

Finally,  the RAR5 format has improved the recovery of broken archives.  The new 

implementation  is  now  based  on  Reed-Solomon  error  correction  codes  [18].  If  the 

recovery  record  is  at  least  5%  of  the  original  file  size,  the  correction  scheme  pro­

vides much higher resistance.  This allows the software to detect larger deletions and 

insertions to an archive.  Further details can be found in [20]. 

2.2  WinRAR  encryption 

WinRAR has used AES encryption beginning with the release of version 3.00 [21]. 

AES was introduced by the National Institute of Standards and Technology (NIST) 

in 2001 [22].  It is a symmetric block cipher based on the Rijdael cipher developed by 

Joan Daemen and Vincent Rijmen. 

AES-128 uses a 128-bit length key and consists of 10 rounds while AES-256 has a 

key length of 256 bits and goes through 14 rounds.  Each AES round consists of four 

transformations [22]: 

SubBytes  This is a non-linear byte substitution using a substitution table. 

---

8 

ShiftRows  The final three rows of the state are cyclically left shifted. 

MixColumns  Each column is multiplied modulo x

4 

+ 1 to mix the bytes. 

AddRoundKey  The  final  transformation  is  an  XOR  of  the  state  with  the  round 

key. 

The final round omits the MixColumns transformation. 

The AES algorithm requires a cryptographic key.  In a password protected archive, 

a  key  can  be  generated  from  the  password  using  a  key  derivation  function  (KDF). 

KDFs  take  as  input  the  password,  salt,  and  the  desired  length  of  the  master  key. 

These  are  then  used  in  a  pseudorandom  function  for  a  fixed  number  of  interations. 

In WinRAR, the salt is stored as an option field in the file header and the key length 

depends on the file version.  WinRAR uses PBKDF2, which implements HMAC with 

SHA-1 as the pseudorandom function [23]. 

2.3  WinRAR  compression 

WinRAR  uses  a  proprietary  compression  implementatiom  developed  by  Eugene 

Roshal [17].  This implementation includes several well-known compression algorithms 

such  as:  Lempel-Ziv-Storer-Szymanski  (LZSS),  PPM  with  Information  Inheritance 

(PPMII),  Intel IA-32  and  delta  encoding.  These  methods  will be  discussed in detail 

below. 

2.3.1  LZSS 

LZSS is the primary compression method for WinRAR. It is a lossless data com­

pression  algorithm  derived  from  LZ77  [24].  LZSS  is  a  dictionary  coding  technique 

that utilizes previously seen text as a dictionary.  A string of symbols, S, is replaced 

by pointers to substrings of S in the dictionary along with the length of the substring. 

The pointers are original  if they point to a substring of the original source.  Similarly, 

---