JS `Timing Attacks` (时间攻击) 在浏览器端的秘密信息泄露

各位听众，大家好！我是今天的讲座嘉宾，咱们今天来聊聊一个听起来有点神秘，但实际上挺常见的浏览器端安全问题：JS Timing Attacks（时间攻击）。这玩意儿就像个悄无声息的小偷，能从你的代码执行时间里偷走一些敏感信息。听起来是不是挺刺激的？

咱们先来打个比方：你和你朋友玩猜数字游戏。你心里想一个数字，然后你朋友猜。你告诉他猜大了还是猜小了。如果每次猜错，你都要停顿一下，停顿时间根据猜错的大小决定。猜得离谱，停顿时间就长；猜得接近，停顿时间就短。你朋友就能根据你的停顿时间，逐渐缩小范围，最后猜出你的数字。

Timing Attack 的原理跟这个差不多。攻击者通过测量代码执行的时间，来推断你代码的内部状态，从而窃取信息。

一、Timing Attack 的基本原理

简单来说，Timing Attack 就是利用代码执行时间上的差异，来推断秘密信息。这种差异可能非常小，只有几毫秒甚至更短，但攻击者可以多次测量，然后通过统计分析来提取信息。

二、JS Timing Attack 的常见场景

在浏览器端，Timing Attack 主要发生在以下几个场景：

密码验证：这是最经典的场景。如果你的密码验证逻辑是逐个字符比较，那么比较的字符越多，花费的时间就越长。攻击者可以通过测量验证时间，来逐步猜测密码。
加密算法：某些 JavaScript 加密算法可能存在时间漏洞。比如，在密钥比较的过程中，如果密钥错误，算法会提前退出，那么执行时间就会比密钥正确时短。
授权认证：在一些授权认证场景中，如果验证令牌（Token）的逻辑存在时间漏洞，攻击者可以通过测量验证时间来猜测令牌。
数据结构查找：如果你在 JavaScript 中使用一些自定义的数据结构进行查找，比如哈希表，如果哈希冲突处理不当，可能会导致不同键的查找时间不同，从而暴露信息。

三、一个简单的密码验证 Timing Attack 示例

咱们先来个简单的例子，看看 Timing Attack 是怎么工作的。

function naivePasswordCheck(userInput, correctPassword) {
  if (userInput.length !== correctPassword.length) {
    return false;
  }

  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    if (userInput[i] !== correctPassword[i]) {
      return false;
    }
  }

  return true;
}

// 模拟密码验证
const correctPassword = "SecretPassword";

function timePasswordCheck(userInput) {
  const startTime = performance.now();
  naivePasswordCheck(userInput, correctPassword);
  const endTime = performance.now();
  return endTime - startTime;
}

// 模拟攻击
function attackPassword() {
  let guessedPassword = "";
  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    let bestChar = "";
    let maxTime = 0;

    for (let charCode = 32; charCode < 127; charCode++) { // 遍历 ASCII 字符
      const char = String.fromCharCode(charCode);
      const testPassword = guessedPassword + char + "*".repeat(correctPassword.length - guessedPassword.length - 1); // 补全密码，保持长度一致
      let totalTime = 0;
      const iterations = 100; // 多次测量，取平均值
      for (let j = 0; j < iterations; j++) {
        totalTime += timePasswordCheck(testPassword);
      }
      const averageTime = totalTime / iterations;

      if (averageTime > maxTime) {
        maxTime = averageTime;
        bestChar = char;
      }
    }
    guessedPassword += bestChar;
    console.log(`Guessed so far: ${guessedPassword}`);
  }
  console.log(`Password cracked: ${guessedPassword}`);
}

// 启动攻击
attackPassword();

这个例子中，naivePasswordCheck 函数就是一个简单的密码验证函数，它逐个字符比较用户输入的密码和正确的密码。如果密码长度不一致或者某个字符不匹配，函数会立即返回 false。

timePasswordCheck 函数测量 naivePasswordCheck 函数的执行时间。

attackPassword 函数模拟攻击过程。它遍历所有可能的字符，然后测量 timePasswordCheck 函数的执行时间。如果某个字符的验证时间最长，那么攻击者就认为这个字符是密码的下一个字符。

这个攻击过程需要多次测量，因为 JavaScript 的执行时间可能会受到很多因素的影响，比如 CPU 负载、垃圾回收等。所以，攻击者需要多次测量，然后取平均值，才能得到比较准确的结果。

四、Timing Attack 的危害

Timing Attack 听起来好像没什么大不了的，但实际上它可以造成很大的危害。

密码泄露：如果密码验证逻辑存在时间漏洞，攻击者可以通过测量验证时间来猜测密码。
身份伪造：如果授权认证逻辑存在时间漏洞，攻击者可以通过测量验证时间来猜测令牌，从而伪造身份。
数据泄露：如果你在 JavaScript 中使用一些自定义的数据结构进行查找，如果哈希冲突处理不当，可能会导致不同键的查找时间不同，从而暴露数据。

五、如何防御 JS Timing Attack

防御 Timing Attack 的关键是消除代码执行时间上的差异。

恒定时间算法：尽量使用恒定时间算法。恒定时间算法的执行时间不依赖于输入数据。比如，在密码验证中，可以使用恒定时间比较函数，即使密码不匹配，也要比较所有字符。
使用加密库：使用经过安全审计的加密库。这些库通常会提供恒定时间的加密算法。
添加随机延迟：在代码中添加随机延迟，可以干扰攻击者的测量。但是，这种方法只能增加攻击的难度，不能完全消除 Timing Attack。
限制请求频率：限制用户的请求频率，可以减少攻击者测量的时间。
使用 Web Crypto API： Web Crypto API 提供了一些原生的加密算法，这些算法通常比 JavaScript 实现的算法更安全。

六、防御 Timing Attack 的代码示例

咱们来修改一下上面的密码验证函数，让它具有恒定时间特性。

function constantTimePasswordCheck(userInput, correctPassword) {
  let mismatch = 0;
  if (userInput.length !== correctPassword.length) {
    mismatch = 1; // 确保即使长度不匹配，也要执行完所有比较
  }

  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    const a = userInput.charCodeAt(i) || 0; // 防止访问越界
    const b = correctPassword.charCodeAt(i) || 0; // 防止访问越界
    mismatch |= a ^ b; // 使用位运算，确保即使不匹配，也要比较所有字符
  }

  return mismatch === 0;
}

// 模拟密码验证
const correctPassword = "SecretPassword";

function timePasswordCheckConstant(userInput) {
  const startTime = performance.now();
  constantTimePasswordCheck(userInput, correctPassword);
  const endTime = performance.now();
  return endTime - startTime;
}

// 模拟攻击
function attackPasswordConstant() {
  let guessedPassword = "";
  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    let bestChar = "";
    let maxTime = 0;

    for (let charCode = 32; charCode < 127; charCode++) { // 遍历 ASCII 字符
      const char = String.fromCharCode(charCode);
      const testPassword = guessedPassword + char + "*".repeat(correctPassword.length - guessedPassword.length - 1); // 补全密码，保持长度一致
      let totalTime = 0;
      const iterations = 100; // 多次测量，取平均值
      for (let j = 0; j < iterations; j++) {
        totalTime += timePasswordCheckConstant(testPassword);
      }
      const averageTime = totalTime / iterations;

      if (averageTime > maxTime) {
        maxTime = averageTime;
        bestChar = char;
      }
    }
    guessedPassword += bestChar;
    console.log(`Guessed so far: ${guessedPassword}`);
  }
  console.log(`Password cracked: ${guessedPassword}`);
}

// 启动攻击
//attackPasswordConstant(); // 这一行先注释掉，因为恒定时间函数会使攻击失效

在这个例子中，constantTimePasswordCheck 函数使用了恒定时间比较算法。即使密码不匹配，它也会比较所有字符，从而消除时间差异。

注意，我把 attackPasswordConstant() 注释掉了，因为使用了恒定时间函数之后，攻击就失效了。你可以取消注释，自己运行一下，看看效果。

七、更高级的 Timing Attack 防御技巧

除了上面提到的基本防御方法之外，还有一些更高级的技巧可以用来防御 Timing Attack。

代码混淆：对代码进行混淆，可以增加攻击者分析代码的难度。但是，代码混淆并不能完全消除 Timing Attack，只能增加攻击的难度。
使用硬件加速：某些硬件设备提供了恒定时间的加密算法。使用这些硬件设备可以提高安全性。
多因素认证：使用多因素认证可以增加攻击的难度。即使攻击者猜测了密码，也需要其他因素才能登录。

八、总结

Timing Attack 是一种隐蔽的攻击方式，它可以利用代码执行时间上的差异来窃取敏感信息。在浏览器端，Timing Attack 主要发生在密码验证、加密算法和授权认证等场景。

防御 Timing Attack 的关键是消除代码执行时间上的差异。可以使用恒定时间算法、加密库、添加随机延迟、限制请求频率和使用 Web Crypto API 等方法来防御 Timing Attack。

记住，安全是一个持续的过程，没有一劳永逸的解决方案。我们需要不断学习和改进，才能更好地保护我们的应用程序。

九、一些补充说明

JavaScript 的精度问题： performance.now() 的精度可能不够高，这可能会影响 Timing Attack 的效果。但是，攻击者可以通过多次测量，然后取平均值，来提高精度。
浏览器优化：现代浏览器会对 JavaScript 代码进行优化，这可能会使 Timing Attack 更加困难。但是，攻击者可以使用一些技巧来绕过浏览器的优化。
其他攻击方式：除了 Timing Attack 之外，还有其他一些攻击方式可以用来窃取敏感信息，比如 Side-Channel Attack 和 Fault Injection Attack。

十、Q&A 环节

好了，今天的讲座就到这里。现在是 Q&A 环节，大家有什么问题可以提出来。放心大胆地问，不用客气！我保证知无不言，言无不尽！

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