Timing Attacks (时间攻击) 如何在浏览器端泄露秘密信息 (如密码哈希比较时间)?如何设计防御措施?

各位听众,早上好/下午好/晚上好!(取决于您阅读的时间啦!)

今天咱们来聊聊一个听起来有点神秘,但其实非常实用的安全话题:浏览器端的Timing Attacks(时间攻击)。 这玩意儿就像是安全领域里的“窃听风云”,攻击者通过分析你的代码执行时间,就能慢慢摸清你隐藏的秘密。 别担心,咱们会用最通俗易懂的方式,把它扒个底朝天。

1. 什么是Timing Attack?(时间攻击的基础概念)

想象一下,你正在试图打开一个保险箱,密码是四个数字。 如果你每次输错一个数字,保险箱都会发出“嘟”的一声,而且声音持续的时间跟你猜对的数字个数有关:猜对的数字越多,“嘟”的声音持续时间越长。

那么,即使你不知道正确的密码,你也可以通过不断尝试,并记录每次“嘟”的声音持续时间,最终找到正确的密码。 这就是Timing Attack的基本原理: 通过测量操作执行的时间,来推断隐藏的信息。

在计算机安全领域,Timing Attack就是指攻击者通过分析代码执行时间的变化,来获取敏感信息,比如密码、密钥等等。 这种攻击通常利用程序在不同条件下执行时间上的差异。

2. Timing Attack在浏览器端的应用场景

在浏览器端,Timing Attack 可以利用 JavaScript 的特性,攻击者可以通过 JavaScript 精确地测量代码执行的时间。 常见应用场景包括:

  • 密码哈希比较: 验证用户输入的密码时,服务器端通常会将用户输入的密码进行哈希处理,然后与数据库中存储的哈希值进行比较。 如果比较函数不是设计得当,攻击者可以通过测量比较的时间,来判断用户输入的密码与正确密码的相似程度,从而逐步破解密码。
  • 验证码识别: 某些验证码识别程序可能会根据验证码的复杂度,花费不同的时间。 攻击者可以通过测量验证码识别的时间,来判断验证码的类型和难度,从而提高破解的成功率。
  • 跨域信息泄露: 某些浏览器的跨域策略可能存在漏洞,攻击者可以通过测量跨域请求的时间,来获取其他域的信息。

3. 密码哈希比较中的Timing Attack(重点!)

咱们重点说说密码哈希比较中的Timing Attack。 这也是最常见的Timing Attack场景之一。

3.1. 易受攻击的密码比较函数

假设我们有这样一个简单的JavaScript函数,用于比较用户输入的密码和存储的哈希值:

function insecureCompare(userInput, storedHash) {
  if (userInput.length !== storedHash.length) {
    return false;
  }
  for (let i = 0; i < userInput.length; i++) {
    if (userInput[i] !== storedHash[i]) {
      return false;
    }
  }
  return true;
}

这个函数的问题在于,它在遇到第一个不匹配的字符时就立即返回false。 这意味着,如果用户输入的密码与存储的哈希值的前几个字符匹配,那么比较的时间就会比前几个字符不匹配的情况更长。 攻击者可以通过多次尝试,并记录每次比较的时间,来逐步猜测正确的哈希值。

3.2. 攻击示例

假设存储的哈希值是"abcdefg"。 攻击者可以尝试以下输入:

  • "aaaaaaa":比较时间较短
  • "baaaaaa":比较时间较短
  • "caaaaaa":比较时间较短
  • "daaaaaa":比较时间较短
  • "eaaaaaa":比较时间较短
  • "faaaaaa":比较时间较长! 说明第一个字符可能是"a""f"之间的某个字符。
  • "gaaaaaa":比较时间较短
  • "haaaaaa":比较时间较短

通过这种方式,攻击者可以逐步缩小范围,最终确定第一个字符是"a""f"之间的某个字符。 然后,攻击者可以继续尝试第二个字符,以此类推,最终破解整个哈希值。

3.3. 代码演示

为了更直观地展示Timing Attack的效果,我们可以编写一个简单的测试程序:

<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
  <title>Timing Attack Demo</title>
</head>
<body>
  <h1>Timing Attack Demo</h1>
  <input type="text" id="userInput" placeholder="Enter your guess">
  <button onclick="testCompare()">Test</button>
  <p id="result"></p>

  <script>
    const storedHash = "abcdefg"; // 存储的哈希值

    function insecureCompare(userInput, storedHash) {
      if (userInput.length !== storedHash.length) {
        return false;
      }
      for (let i = 0; i < userInput.length; i++) {
        if (userInput[i] !== storedHash[i]) {
          return false;
        }
      }
      return true;
    }

    function testCompare() {
      const userInput = document.getElementById("userInput").value;
      const startTime = performance.now();
      const result = insecureCompare(userInput, storedHash);
      const endTime = performance.now();
      const elapsedTime = endTime - startTime;

      document.getElementById("result").textContent = `Result: ${result}, Time: ${elapsedTime.toFixed(4)} ms`;
    }
  </script>
</body>
</html>

在这个例子中,我们使用performance.now()函数来测量insecureCompare函数的执行时间。 你可以尝试输入不同的字符串,观察执行时间的变化。 你会发现,当输入的字符串与storedHash的前几个字符匹配时,执行时间会更长。

4. 防御Timing Attack(重点中的重点!)

防御Timing Attack的关键在于,消除代码执行时间与敏感信息之间的关联。 也就是说,要让代码执行时间对于不同的输入都是恒定的,或者至少是不可预测的。

4.1. 使用恒定时间比较算法

最有效的防御方法是使用恒定时间比较算法。 这种算法无论输入是什么,都会执行相同数量的操作,从而消除时间差异。

function secureCompare(userInput, storedHash) {
  if (userInput.length !== storedHash.length) {
    return false;
  }
  let result = 0;
  for (let i = 0; i < userInput.length; i++) {
    result |= userInput.charCodeAt(i) ^ storedHash.charCodeAt(i); // 使用位运算,无论是否匹配都执行
  }
  return result === 0;
}

这个函数使用位运算^ (异或) 来比较每个字符。 无论字符是否匹配,都会执行异或运算。 然后,使用| (或) 运算将所有比较结果合并到result变量中。 最后,判断result是否为0,如果为0,则表示所有字符都匹配。

关键点:

  • 位运算: 位运算的执行时间通常是恒定的,不会受到输入的影响。
  • 避免提前返回: 即使遇到不匹配的字符,也要继续执行比较,直到所有字符都比较完毕。

4.2. 其他防御措施

除了使用恒定时间比较算法,还有一些其他的防御措施可以帮助我们降低Timing Attack的风险:

  • 加盐哈希: 在密码哈希中,使用盐(salt)可以增加哈希值的复杂度,使得攻击者更难破解密码。
  • 密钥拉伸: 使用密钥拉伸算法(如PBKDF2、bcrypt、 Argon2)可以增加哈希计算的时间,使得攻击者需要花费更多的时间来破解密码。
  • 限制请求频率: 通过限制用户在一定时间内尝试密码的次数,可以减缓攻击的速度。
  • 使用双因素认证: 使用双因素认证可以增加安全性,即使密码被破解,攻击者也无法访问用户的帐户。
  • Web Crypto API: 使用浏览器提供的Web Crypto API进行加密操作,这些API通常经过优化,可以减少Timing Attack的风险。

4.3. 代码示例 (使用Web Crypto API)

以下是使用Web Crypto API进行密码哈希和比较的示例:

async function hashPassword(password, salt) {
  const encoder = new TextEncoder();
  const passwordData = encoder.encode(password);
  const saltData = encoder.encode(salt);

  const keyMaterial = await window.crypto.subtle.importKey(
    "raw",
    passwordData,
    { name: "PBKDF2" },
    false,
    ["deriveKey", "deriveBits"]
  );

  const key = await window.crypto.subtle.deriveKey(
    {
      name: "PBKDF2",
      salt: saltData,
      iterations: 100000, // 迭代次数,增加破解难度
      hash: "SHA-256",
    },
    keyMaterial,
    { name: "AES-CBC", length: 256 },
    false,
    ["encrypt", "decrypt"]
  );

  const exportedKey = await window.crypto.subtle.exportKey("raw", key);
  const hashArray = Array.from(new Uint8Array(exportedKey));
  const hashHex = hashArray
    .map((b) => b.toString(16).padStart(2, "0"))
    .join("");

  return hashHex;
}

async function verifyPassword(password, storedHash, salt) {
  const hashedPassword = await hashPassword(password, salt);
  return secureCompare(hashedPassword, storedHash); // 使用恒定时间比较
}

代码解释:

  1. hashPassword(password, salt):
    • 使用window.crypto.subtle.importKey导入密码作为密钥材料。
    • 使用window.crypto.subtle.deriveKey进行密钥拉伸 (PBKDF2)。 iterations 参数控制迭代次数,增加破解难度。
    • 使用window.crypto.subtle.exportKey导出哈希后的密钥。
    • 将导出的密钥转换为十六进制字符串。
  2. verifyPassword(password, storedHash, salt):
    • 使用相同的盐和密码哈希函数计算新的哈希值。
    • 使用secureCompare函数进行恒定时间比较。

4.4. 表格总结防御措施

防御措施 描述 优点 缺点
恒定时间比较算法 使用位运算,避免提前返回,确保所有字符都比较完毕。 彻底消除比较时间与输入之间的关联,是最有效的防御方法。 实现起来可能比较复杂,需要仔细考虑各种情况。
加盐哈希 在密码哈希中,使用随机生成的盐值。 增加哈希值的复杂度,使得攻击者更难破解密码。 需要安全地存储盐值。
密钥拉伸 使用密钥拉伸算法(PBKDF2、bcrypt、Argon2)增加哈希计算的时间。 增加攻击者破解密码所需的时间和计算资源。 增加了服务器端的计算负担。
限制请求频率 限制用户在一定时间内尝试密码的次数。 减缓攻击的速度,使得攻击者更难在短时间内破解密码。 可能会影响正常用户的体验。
使用双因素认证 除了密码之外,还需要用户提供其他身份验证信息(如短信验证码、指纹识别等)。 即使密码被破解,攻击者也无法访问用户的帐户。 增加了用户的操作步骤。
Web Crypto API 使用浏览器提供的Web Crypto API进行加密操作。 这些API通常经过优化,可以减少Timing Attack的风险。 需要考虑浏览器的兼容性。

5. 总结

Timing Attack 是一种隐蔽但有效的攻击方式。 理解 Timing Attack 的原理,并采取相应的防御措施,对于保护用户的信息安全至关重要。 记住,安全无小事,细节决定成败!

希望今天的讲座对大家有所帮助。 如果有任何问题,欢迎提问! 感谢大家的收听!

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