大家好，欢迎来到“浏览器里的那些小秘密：旁路攻击实战演练”讲座！今天咱们不整那些虚头巴脑的，直接上手，聊聊浏览器里那些让人头疼的旁路攻击，尤其是缓存定时攻击。
一、啥是旁路攻击？（别告诉我你不知道！）
简单来说，旁路攻击就是不直接攻击密码算法本身，而是通过观察算法运行时的“边角料”信息，比如时间、功耗、电磁辐射，甚至是声音（真的！），来推断出密钥或者敏感数据。这就像你撬不开门锁，就听听屋里人走路的节奏，猜猜他们在哪儿，然后绕到窗户偷看一样。
二、浏览器里的战场：缓存定时攻击
浏览器，作为一个复杂的系统，到处都是缓存。CPU有缓存，内存有缓存，硬盘有缓存，就连网络请求也有缓存。这些缓存本来是为了提升性能，但如果使用不当，就会变成攻击者的乐园。
缓存定时攻击就是利用了缓存机制带来的时间差异。攻击者通过测量不同操作的执行时间，来判断某些数据是否被缓存过，从而推断出敏感信息。
三、实战演练：密码猜测器（简化版）
咱们来做一个简化版的密码猜测器，看看缓存定时攻击是怎么工作的。
场景：
- 目标网站有一个登录页面，用户名是固定的，但密码是未知的。
- 登录页面在验证密码时，会逐个字符比较用户输入的密码和正确密码。
- 如果输入的字符与正确字符匹配，验证时间会稍微长一点（因为要继续比较下一个字符）。
- 攻击者可以提交不同的密码，并测量每次提交所需的时间。
攻击思路：
攻击者可以逐个字符尝试猜测密码。如果某个字符匹配，服务器的验证时间会稍微延长。通过测量时间差异，攻击者可以逐步推断出完整的密码。
代码实现 (JavaScript):
// 模拟登录验证函数 (服务器端)
function verifyPassword(password) {
const correctPassword = "SecretPassword"; // 真正的密码
let startTime = performance.now(); //记录开始时间
for (let i = 0; i < password.length; i++) {
if (i >= correctPassword.length) {
break; // 防止输入密码过长
}
if (password[i] === correctPassword[i]) {
// 模拟耗时操作
for (let j = 0; j < 10000; j++) {
//空循环，增加耗时
}
} else {
break; // 密码不匹配，直接返回
}
}
let endTime = performance.now(); //记录结束时间
return endTime - startTime;
}
// 客户端代码 (模拟攻击)
async function attack() {
const username = "attacker"; // 已知的用户名
let guessedPassword = "";
let alphabet = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789"; // 密码可能包含的字符集
while (true) {
let bestChar = "";
let bestTime = 0;
for (let char of alphabet) {
let testPassword = guessedPassword + char;
let startTime = performance.now();
//模拟网络请求
await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 50)); //模拟网络延时50ms
let duration = verifyPassword(testPassword); // 调用模拟的验证函数
let endTime = performance.now(); //记录结束时间
let timeTaken = duration;
console.log(`尝试密码: ${testPassword}, 耗时: ${timeTaken.toFixed(2)} ms`);
if (bestChar === "" || timeTaken > bestTime) {
bestChar = char;
bestTime = timeTaken;
}
}
if (bestTime <= 0) {
console.log("无法猜测下一个字符，攻击结束。");
break;
}
guessedPassword += bestChar;
console.log(`猜测到的密码: ${guessedPassword}`);
// 停止条件：密码长度达到预期，或者没有显著的时间差异
if (guessedPassword.length >= 16) {
console.log("猜测完毕，最终密码:", guessedPassword);
break;
}
}
}
attack();
代码解释：
verifyPassword(password)(模拟服务器端): 这个函数模拟了服务器端的密码验证过程。它会逐个字符比较用户输入的密码和正确密码。如果字符匹配，会执行一个简单的循环来模拟耗时操作。attack()(客户端): 这个函数模拟了攻击者的行为。- 它会循环尝试不同的字符来猜测密码的下一个字符。
- 对于每个字符，它会调用
verifyPassword()函数来模拟密码验证过程，并测量验证所需的时间。 - 它会记录耗时最长的字符，并将其添加到已猜测的密码中。
- 它会重复这个过程，直到猜测出完整的密码。
performance.now(): 这个函数用于获取高精度的时间戳，可以用来测量代码块的执行时间。await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 50)):模拟网络请求的延迟。在真实环境中，攻击者需要通过网络请求将密码发送到服务器，因此需要考虑网络延迟的影响。
运行结果分析：
运行上面的代码，你会发现，随着猜测的密码越来越接近正确密码，每次验证所需的时间也会逐渐增加。攻击者可以通过分析这些时间差异，逐步推断出完整的密码。
注意： 这只是一个简化的示例，实际的攻击会更加复杂，需要考虑更多的因素，比如网络延迟、服务器负载等。
四、更高级的玩法：Flush+Reload
Flush+Reload是一种更隐蔽、更精确的缓存定时攻击技术。它的原理是：
- Flush: 攻击者通过某种方式，将目标数据所在的缓存行从缓存中清除（Flush）。
- Access (受害者): 受害者访问目标数据，导致数据被重新加载到缓存中。
- Reload: 攻击者再次访问目标数据，并测量访问时间。如果数据已经被缓存，访问时间会非常短。
通过测量访问时间，攻击者可以判断受害者是否访问过目标数据。
应用场景：
- 网站访问记录: 攻击者可以利用Flush+Reload来判断用户是否访问过特定的网站。
- 加密密钥: 攻击者可以利用Flush+Reload来窃取加密密钥。
代码示例 (JavaScript + SharedArrayBuffer):
这个例子需要使用 SharedArrayBuffer，并且需要在支持 SharedArrayBuffer 的环境中运行（比如开启了 Cross-Origin-Embedder-Policy 和 Cross-Origin-Opener-Policy 的服务器）。
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Flush+Reload Demo</title>
</head>
<body>
<h1>Flush+Reload Demo</h1>
<p>Open the console to see the results.</p>
<script>
// 创建一个 SharedArrayBuffer
const sab = new SharedArrayBuffer(1024);
const array = new Int32Array(sab);
// 要探测的目标地址（这里只是一个示例地址）
const targetAddress = array.byteOffset;
// 探测函数
async function probe(address) {
// Flush: 尝试将目标地址的数据从缓存中清除
// (这个操作在 JavaScript 中无法直接实现，只能通过一些间接的方式，比如访问大量内存)
for (let i = 0; i < 10000; i++) {
volatileRead(array, i % array.length); // 访问大量内存
}
// 开始计时
const startTime = performance.now();
// Reload: 访问目标地址的数据
volatileRead(array, 0); // 访问目标地址
// 结束计时
const endTime = performance.now();
// 返回访问时间
return endTime - startTime;
}
// 防止编译器优化
function volatileRead(arr, index) {
// 这段代码的目的是防止编译器优化，确保每次都实际读取内存
let dummy = arr[index];
return dummy;
}
// 模拟受害者访问数据
async function victimFunction() {
console.log("Victim: Accessing data...");
await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 100)); // 模拟一些操作
volatileRead(array, 0); // 模拟访问目标数据
console.log("Victim: Data access complete.");
}
// 攻击函数
async function attackerFunction() {
console.log("Attacker: Starting attack...");
// 第一次探测
let time1 = await probe(targetAddress);
console.log(`Attacker: First probe time: ${time1.toFixed(4)} ms`);
// 模拟受害者访问数据
await victimFunction();
// 第二次探测
let time2 = await probe(targetAddress);
console.log(`Attacker: Second probe time: ${time2.toFixed(4)} ms`);
// 分析结果
if (time2 < time1 * 0.8) { // 阈值可以根据实际情况调整
console.log("Attacker: Victim accessed the data!");
} else {
console.log("Attacker: Victim did not access the data.");
}
}
// 启动攻击
attackerFunction();
</script>
</body>
</html>代码解释：
SharedArrayBuffer:SharedArrayBuffer允许在不同的 JavaScript 上下文（比如不同的 Worker 线程）之间共享内存。这对于 Flush+Reload 攻击非常有用，因为攻击者需要能够精确地控制缓存的状态。probe(address): 这个函数执行 Flush+Reload 操作。- Flush: 它会访问大量内存，试图将目标地址的数据从缓存中清除。 (注意：在JavaScript中无法直接控制缓存，所以这里Flush操作是间接的，效果可能不理想)
- Reload: 它会访问目标地址的数据，并测量访问时间。
victimFunction(): 这个函数模拟了受害者访问数据的行为。attackerFunction(): 这个函数执行攻击。- 它首先执行一次探测，记录访问时间。
- 然后，它模拟受害者访问数据。
- 最后，它再次执行探测，并比较两次访问时间。如果第二次访问时间明显小于第一次，就说明受害者访问过目标数据。
volatileRead(arr, index): 防止编译器优化，确保每次都实际读取内存。
运行结果分析：
运行上面的代码，你会发现，如果受害者访问过目标数据，第二次探测的访问时间会明显小于第一次。攻击者可以通过分析这些时间差异，判断受害者是否访问过目标数据。
重要提示： 由于 JavaScript 无法直接控制缓存，所以上面的 Flush+Reload 示例的效果可能不理想。在实际攻击中，攻击者通常会使用更底层的技术，比如汇编语言，来直接控制缓存。
五、防御策略：亡羊补牢，犹未晚矣
旁路攻击防不胜防，但也不是完全没有办法。以下是一些常见的防御策略：
-
常量时间算法: 确保算法的执行时间不依赖于输入数据。比如，在比较密码时，不要使用短路逻辑，而是始终比较完整的字符串。
// 不安全的写法 (存在定时攻击风险) function insecureCompare(a, b) { if (a.length !== b.length) { return false; } for (let i = 0; i < a.length; i++) { if (a[i] !== b[i]) { return false; } } return true; } // 安全的写法 (常量时间比较) function secureCompare(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)); // 使用位运算，确保所有字符都被比较 } return result === 0; } -
缓存分区: 将敏感数据和非敏感数据存储在不同的缓存区域，防止攻击者利用缓存来推断敏感信息。
-
随机化: 在算法中引入随机性，使得攻击者难以预测算法的执行时间。
-
限制时间精度: 降低时间测量的精度，使得攻击者难以区分不同的操作。
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HTTPS: 使用 HTTPS 加密所有网络流量，防止攻击者窃听通信内容。
-
Same-Site Cookies: 使用 Same-Site Cookies 来防止跨站请求伪造 (CSRF) 攻击，从而减少攻击者利用缓存的机会。
-
HTTP Header Security: 设置适当的 HTTP Header，比如
Cache-Control: no-store和Pragma: no-cache，来禁用缓存。 但是请注意，这些Header并非完全可靠，某些浏览器或者代理服务器可能会忽略它们。 -
Subresource Integrity (SRI): 使用 SRI 来验证第三方资源的完整性，防止恶意代码被注入到页面中。
-
Content Security Policy (CSP): 使用 CSP 来限制页面可以加载的资源，防止恶意脚本被执行。
六、总结：道高一尺，魔高一丈
旁路攻击是一种非常隐蔽和难以防御的攻击方式。作为开发者，我们需要时刻保持警惕，了解常见的旁路攻击技术，并采取适当的防御措施。
当然，防御旁路攻击是一个持续不断的过程。随着技术的不断发展，新的攻击方式也会不断涌现。我们需要不断学习和更新知识，才能更好地保护我们的系统。
今天就到这里，希望大家有所收获！如果以后有机会，咱们再聊聊其他有趣的浏览器安全话题。 谢谢大家！