JS `Side-Channel Attacks` (旁路攻击) 在浏览器中的可能性与防御

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊点刺激的——浏览器里的 JavaScript Side-Channel Attacks，也就是“旁路攻击”。这名字听着就有点神秘，像特工电影里的桥段，实际上它也确实挺像那么回事。

什么是旁路攻击？

简单来说，旁路攻击不是直接攻破你的密码或者加密算法，而是通过观察你的程序运行时的“副作用”来推断信息。这些“副作用”可能包括：

• 时间： 程序运行的时间长短
• 功耗： CPU消耗的能量
• 电磁辐射： 设备发出的电磁波
• 声音： 有些设备会发出微弱的声音

这些信息本身可能看起来没什么用，但是如果你的代码对某些敏感信息（比如密码、密钥）进行操作，那么通过分析这些“副作用”，攻击者就有可能推断出这些敏感信息。

JS 在浏览器中搞旁路攻击的可能性？

你可能会想，JS 跑在浏览器里，又不是直接操作硬件，也能搞旁路攻击？答案是：能！而且有一些还挺有意思的。

JS 虽然不能直接控制硬件，但它可以测量时间。而时间，就是最常见的旁路攻击手段之一。

1. Timing Attacks (时间攻击)

时间攻击是最常见的旁路攻击类型。它的基本原理是：不同的操作可能需要不同的时间，而这些时间差异可能会泄露信息。

举个栗子：字符串比较

假设我们有一个验证用户密码的函数：

function verifyPassword(inputPassword, correctPassword) {
  if (inputPassword.length !== correctPassword.length) {
    return false;
  }
  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    if (inputPassword[i] !== correctPassword[i]) {
      return false;
    }
  }
  return true;
}

这段代码看起来很正常，但它有一个致命的弱点：它在发现 inputPassword 和 correctPassword 的第一个不同字符时就立即返回 false。这意味着，如果 inputPassword 的前几个字符是正确的，那么函数执行的时间就会稍微长一些。

攻击者可以利用这一点，通过多次尝试不同的 inputPassword，并测量函数执行的时间，来逐渐推断出 correctPassword 的每一个字符。

代码演示：

async function timePasswordGuess(guess, correctPassword) {
  const start = performance.now();
  verifyPassword(guess, correctPassword); // 使用上面的函数
  const end = performance.now();
  return end - start;
}

async function attack(correctPassword) {
  let passwordGuess = "";
  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    let bestChar = "";
    let bestTime = 0;

    for (let charCode = 32; charCode < 127; charCode++) { // 尝试常见字符
      const char = String.fromCharCode(charCode);
      const currentGuess = passwordGuess + char + "*".repeat(correctPassword.length - passwordGuess.length - 1); // 补全猜测
      const time = await timePasswordGuess(currentGuess, correctPassword);

      if (bestChar === "" || time > bestTime) {
        bestChar = char;
        bestTime = time;
      }
    }
    passwordGuess += bestChar;
    console.log(`Character ${i+1}: ${bestChar}, time: ${bestTime}`);
  }
  return passwordGuess;
}

// 示例
const correctPassword = "SecretPassword";
attack(correctPassword).then(guessedPassword => {
  console.log(`Guessed password: ${guessedPassword}`);
});

这段代码会尝试猜测密码的每一个字符，每次都选择导致函数执行时间最长的字符。虽然这只是一个简单的演示，但它足以说明时间攻击的威力。

2. Cache Timing Attacks (缓存时间攻击)

缓存时间攻击利用了 CPU 缓存的特性。CPU 缓存是一种高速存储器，用于存储最近访问的数据。当 CPU 需要访问某个数据时，它首先会检查缓存中是否存在该数据。如果存在（称为“缓存命中”），则 CPU 可以直接从缓存中读取数据，速度非常快。如果不存在（称为“缓存未命中”），则 CPU 需要从主内存中读取数据，速度较慢。

攻击者可以通过测量缓存命中和缓存未命中的时间差异来推断信息。

举个栗子：AES 加密

AES (Advanced Encryption Standard) 是一种常用的加密算法。AES 算法使用一个查找表（Lookup Table）来进行一些计算。这个查找表通常存储在内存中。

如果攻击者可以控制某些输入数据，并观察 AES 加密过程中的缓存行为，那么他们就有可能推断出密钥的一部分。

代码演示（简化版）：

这个例子高度简化，仅仅用于展示概念，真正的 AES 缓存攻击远比这复杂。

// 模拟一个简单的查找表
const lookupTable = new Uint8Array(256);
for (let i = 0; i < 256; i++) {
  lookupTable[i] = Math.floor(Math.random() * 256);
}

function accessLookupTable(index) {
  // 访问查找表
  const start = performance.now();
  const value = lookupTable[index];
  const end = performance.now();
  return end - start;
}

async function detectCacheHit(index) {
  // 先访问一次，将数据加载到缓存中
  accessLookupTable(index);
  // 再次访问，测量时间
  const time = accessLookupTable(index);
  return time;
}

async function attack() {
  // 测量访问不同索引的时间
  const time1 = await detectCacheHit(0);
  const time2 = await detectCacheHit(1);

  console.log(`Time for index 0: ${time1}`);
  console.log(`Time for index 1: ${time2}`);

  // 如果 time2 比 time1 快很多，说明 index 1 的数据可能已经在缓存中
  if (time2 < time1 * 0.5) {
    console.log("Possible cache hit for index 1");
  }
}

attack();

这段代码演示了如何测量访问查找表不同索引的时间。如果某个索引的数据已经在缓存中，那么访问它的时间会比访问不在缓存中的索引快很多。

3. Spectre and Meltdown (幽灵和熔断)

Spectre 和 Meltdown 是两个非常著名的 CPU 漏洞，它们利用了 CPU 的推测执行（Speculative Execution）和缓存机制。

• Spectre: 诱骗 CPU 推测执行错误的指令序列，并将敏感数据加载到缓存中。然后，攻击者可以通过测量缓存访问时间来推断出这些敏感数据。
• Meltdown: 允许攻击者读取内核内存中的数据。

虽然 Spectre 和 Meltdown 是硬件漏洞，但 JS 代码也可以利用这些漏洞进行攻击。

JS 如何利用 Spectre 和 Meltdown？

JS 代码可以通过以下方式利用 Spectre 和 Meltdown：

• Array out-of-bounds access (数组越界访问): 利用 JS 引擎的优化，诱骗 CPU 执行错误的数组越界访问，并将敏感数据加载到缓存中。
• Type confusion (类型混淆): 利用 JS 的动态类型特性，诱骗 CPU 执行错误的类型转换，并将敏感数据加载到缓存中。

代码演示（简化版，仅用于概念展示，实际攻击非常复杂）：

// 假设有一个敏感数据数组
const secretData = new Uint8Array([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]);
const publicArray = new Uint8Array(256);

// 攻击函数
async function spectreAttack(index) {
  let temp = 0;
  // 诱骗 CPU 执行错误的数组越界访问
  if (index < publicArray.length) {
    temp = publicArray[secretData[index]]; // 错误访问，但CPU可能推测执行
  }
  return temp;
}

// 测量缓存访问时间
async function timeAccess(index) {
  const start = performance.now();
  spectreAttack(index);
  const end = performance.now();
  return end - start;
}

async function attack() {
  // 训练 CPU，使其推测执行
  for (let i = 0; i < 256; i++) {
    await spectreAttack(i % secretData.length);
  }

  // 测量访问不同索引的时间
  const times = [];
  for (let i = 0; i < secretData.length; i++) {
    times[i] = await timeAccess(i);
    console.log(`Time for index ${i}: ${times[i]}`);
  }

  // 分析时间，找出最快的访问时间，对应的索引可能就是 secretData 中的值
  let fastestIndex = 0;
  for (let i = 1; i < secretData.length; i++) {
    if (times[i] < times[fastestIndex]) {
      fastestIndex = i;
    }
  }

  console.log(`Possible secret value: ${fastestIndex}`);
}

attack();

这段代码尝试利用 Spectre 漏洞读取 secretData 数组中的数据。它通过诱骗 CPU 执行错误的数组越界访问，并将 secretData 中的值加载到缓存中。然后，它测量访问不同索引的时间，并找出最快的访问时间，对应的索引可能就是 secretData 中的值。

请注意： 这只是一个高度简化的演示，实际的 Spectre 和 Meltdown 攻击远比这复杂。而且，现代浏览器已经采取了一些缓解措施来防止这些攻击。

如何防御 JS Side-Channel Attacks？

防御 JS Side-Channel Attacks 非常困难，因为它涉及到硬件、操作系统、浏览器和 JS 代码的多个层面。但是，我们可以采取一些措施来降低风险：

1. Constant-Time Algorithms (恒定时间算法)

   避免使用依赖于敏感数据的分支和循环。确保算法的执行时间不依赖于输入数据。

   示例：安全的字符串比较

   function safeCompare(a, b) {
     if (a.length !== b.length) {
       return false;
     }
     let result = 0;
     for (let i = 0; i < a.length; i++) {
       result |= a.charCodeAt(i) ^ b.charCodeAt(i);
     }
     return result === 0;
   }

   这段代码使用了位运算 | 和 ^ 来比较字符串，确保无论字符串是否相等，循环都会执行完整的 a.length 次。

2. Disable SharedArrayBuffer (禁用 SharedArrayBuffer)

   SharedArrayBuffer 允许 JS 代码在不同的线程之间共享内存。这使得 JS 代码更容易进行时间攻击和缓存攻击。禁用 SharedArrayBuffer 可以降低这些攻击的风险。

   可以通过设置 Cross-Origin-Opener-Policy 和 Cross-Origin-Embedder-Policy HTTP 头来禁用 SharedArrayBuffer。

3. Mitigation Techniques (缓解技术)

   现代浏览器已经采取了一些缓解措施来防止 Spectre 和 Meltdown 等漏洞。这些措施包括：

   • Site Isolation (站点隔离): 将不同的网站隔离到不同的进程中，防止恶意网站读取其他网站的数据。
   • Spectre Mitigations (Spectre 缓解措施): 包括 Retpoline、Branch Target Injection (BTI) 等技术，用于防止 CPU 推测执行错误的指令序列。

4. Code Review (代码审查)

   仔细审查代码，找出可能存在 Side-Channel 漏洞的地方。

5. Regular Updates (定期更新)

   保持浏览器和操作系统的更新，以获取最新的安全补丁。

总结

JS Side-Channel Attacks 是一种隐蔽而危险的攻击方式。虽然防御这些攻击非常困难，但我们可以通过采取一些措施来降低风险。记住，安全是一个持续的过程，我们需要不断学习和改进我们的安全措施。

表格总结：

攻击类型	原理	防御措施
Timing Attacks	程序执行时间依赖于输入数据	使用恒定时间算法，避免依赖于敏感数据的分支和循环
Cache Timing Attacks	利用 CPU 缓存的特性，通过测量缓存命中和缓存未命中的时间差异来推断信息	禁用 SharedArrayBuffer，站点隔离，代码审查
Spectre/Meltdown	利用 CPU 的推测执行和缓存机制，诱骗 CPU 执行错误的指令序列，并将敏感数据加载到缓存中	站点隔离，Spectre 缓解措施 (Retpoline, BTI)，定期更新

好了，今天的讲座就到这里。希望大家对 JS Side-Channel Attacks 有了更深入的了解。记住，安全无小事，小心驶得万年船！下次有机会再跟大家聊聊其他安全话题。祝大家编程愉快，永无 BUG！