WebAuthn (FIDO2) 的安全性分析：如何防止钓鱼、中间人攻击和设备窃取？

晚上好，各位技术爱好者！我是今天的讲师，咱们今晚聊聊WebAuthn，也就是大家常说的FIDO2，这个听起来有点科幻，但实际上已经悄悄保护我们账号安全的“黑科技”。

WebAuthn：账号安全的未来？

想象一下，你的密码再也不用记了，每次登录只要刷个脸、按个指纹，或者插个U盘就搞定，而且比传统密码更安全。这就是WebAuthn的魅力。它试图解决互联网上由来已久的难题——密码安全问题。

密码的问题：一个古老的故事

咱们先回顾一下密码的问题。密码太弱容易被破解，密码太强自己又记不住，重用密码更是安全大忌。更别提钓鱼网站、中间人攻击，分分钟把你密码偷走。

WebAuthn的原理：公钥密码学的魔力

WebAuthn的核心是公钥密码学。简单来说，它会为你生成一对密钥：一个公钥，一个私钥。

• 私钥（Private Key）： 藏在你的设备里，谁也不能给，绝对不能泄露。
• 公钥（Public Key）： 可以公开给服务器，就像你的身份证号码一样。

登录的时候，你的设备会用私钥对登录请求进行签名，服务器用对应的公钥验证这个签名是否正确。如果签名匹配，那就说明是你本人在操作。

WebAuthn的工作流程：一步一步解开谜团

WebAuthn的流程主要分为两个阶段：注册（Registration）和认证（Authentication）。

1. 注册（Registration）：

• 用户发起注册： 用户在网站上点击“注册”按钮，选择使用WebAuthn。
• 服务器生成Challenge： 服务器生成一个随机数，叫做Challenge。这个Challenge的作用是防止重放攻击，确保每次注册都是唯一的。
• 浏览器调用WebAuthn API： 浏览器调用navigator.credentials.create()方法，触发WebAuthn流程。
• 用户选择认证器： 用户可以选择使用哪个认证器（比如指纹识别器、USB安全密钥）。
• 认证器生成密钥对： 认证器生成公钥和私钥，并将公钥返回给浏览器。
• 浏览器将公钥和Challenge发送给服务器： 浏览器将公钥、Challenge以及一些其他信息（比如认证器的类型）发送给服务器。
• 服务器保存公钥： 服务器将公钥和用户账号关联起来，完成注册。

代码示例（JavaScript）：

async function register() {
  try {
    const publicKeyCredentialOptions = {
      challenge: new Uint8Array([ /* 你的服务器生成的Challenge */ ]), // 替换为你的Challenge
      rp: {
        name: "Example Corp", // 网站名称
        id: window.location.hostname // 网站域名
      },
      user: {
        id: new Uint8Array([ /* 用户ID */ ]), // 替换为用户ID
        name: "[email protected]", // 用户名
        displayName: "User Name" // 用户显示名称
      },
      pubKeyCredParams: [
        {
          type: "public-key",
          alg: -7 // ES256算法
        }
      ],
      timeout: 60000, // 超时时间
      attestation: "direct" // 认证声明类型
    };

    const credential = await navigator.credentials.create({
      publicKey: publicKeyCredentialOptions
    });

    // 将credential发送到服务器
    console.log("Registration Success:", credential);
    // 这里需要将credential.rawId, credential.response, credential.type, credential.getClientExtensionResults()发送到服务器
  } catch (error) {
    console.error("Registration Failed:", error);
  }
}

2. 认证（Authentication）：

• 用户发起登录： 用户在网站上点击“登录”按钮，选择使用WebAuthn。
• 服务器生成Challenge： 同样，服务器生成一个随机数Challenge。
• 浏览器调用WebAuthn API： 浏览器调用navigator.credentials.get()方法，触发WebAuthn流程。
• 用户选择认证器： 用户选择之前注册时使用的认证器。
• 认证器使用私钥签名Challenge： 认证器使用私钥对Challenge进行签名。
• 浏览器将签名和Challenge发送给服务器： 浏览器将签名、Challenge以及一些其他信息发送给服务器。
• 服务器验证签名： 服务器使用之前保存的公钥验证签名是否正确。如果签名匹配，那就说明是用户本人在操作，登录成功。

代码示例（JavaScript）：

async function authenticate() {
  try {
    const publicKeyCredentialRequestOptions = {
      challenge: new Uint8Array([ /* 你的服务器生成的Challenge */ ]), // 替换为你的Challenge
      allowCredentials: [
        {
          type: "public-key",
          id: new Uint8Array([ /* 注册时credential.rawId */ ]), // 替换为注册时credential.rawId
          transports: ["usb", "nfc", "ble"] // 可选的传输方式
        }
      ],
      timeout: 60000, // 超时时间
      userVerification: "required" // 要求用户验证 (例如指纹, PIN)
    };

    const assertion = await navigator.credentials.get({
      publicKey: publicKeyCredentialRequestOptions
    });

    // 将assertion发送到服务器
    console.log("Authentication Success:", assertion);
    // 这里需要将assertion.rawId, assertion.response, assertion.type, assertion.getClientExtensionResults()发送到服务器
  } catch (error) {
    console.error("Authentication Failed:", error);
  }
}

WebAuthn的优势：为什么它更安全？

• 防钓鱼： WebAuthn绑定域名，认证器只会在正确的域名下工作。钓鱼网站就算长得再像，也无法骗过认证器。
• 防中间人攻击： 签名过程发生在设备内部，即使中间人截获了数据，也无法伪造签名。
• 防密码泄露： 根本没有密码，也就无从泄露。
• 多因素认证： WebAuthn可以结合生物识别、PIN码等多种认证方式，进一步提高安全性。

WebAuthn的安全性分析：如何应对潜在威胁？

虽然WebAuthn很强大，但也不是万无一失。我们需要了解它的弱点，才能更好地保护它。

1. 钓鱼攻击：升级版挑战与域名绑定

• 问题： 尽管WebAuthn绑定域名，但攻击者可能会使用更高级的钓鱼技术，例如在受信任的网站上嵌入恶意iframe，诱导用户在不知情的情况下进行认证。
• 解决方案：
  • 严格的域名验证： 服务器端必须严格验证域名，防止子域名劫持等攻击。
  • 用户教育： 提高用户安全意识，教育用户识别钓鱼网站。
  • Attestation： 通过认证器提供的Attestation信息，验证认证器的真实性，防止使用伪造的认证器。

2. 中间人攻击：HTTPS是基础

• 问题： 如果网站没有使用HTTPS，中间人可以截获WebAuthn的注册和认证数据，虽然无法伪造签名，但可能会发起重放攻击。
• 解决方案：
  • 强制HTTPS： 确保网站使用HTTPS，防止中间人截获数据。
  • Challenge机制： 使用随机数Challenge，防止重放攻击。每次认证都使用不同的Challenge，即使中间人截获了之前的认证数据，也无法用于后续的认证。

3. 设备窃取：私钥保护至关重要

• 问题： 如果用户的设备被盗，攻击者可能会利用设备上的私钥进行认证。
• 解决方案：
  • 用户验证： 要求用户在每次认证前进行验证（比如指纹识别、PIN码）。这样即使设备被盗，攻击者也无法直接使用私钥。
  • 私钥保护： 将私钥存储在安全元件（Secure Element）中，防止私钥被导出。
  • 账户恢复机制： 提供账户恢复机制，允许用户在设备丢失后撤销WebAuthn认证。

4. 认证器漏洞：厂商责任与定期更新

• 问题： 认证器本身可能存在漏洞，攻击者可以利用这些漏洞窃取私钥或者绕过认证。
• 解决方案：
  • 选择信誉良好的认证器： 选择来自知名厂商的认证器，这些厂商通常会更重视安全性。
  • 定期更新认证器固件： 及时更新认证器固件，修复已知的安全漏洞。

5. 服务器端漏洞：安全编码与审计

• 问题： 服务器端在处理WebAuthn数据时可能存在漏洞，例如未正确验证签名、未正确处理Challenge等。
• 解决方案：
  • 安全编码： 采用安全编码规范，防止常见的Web安全漏洞。
  • 安全审计： 定期进行安全审计，发现并修复潜在的安全漏洞。
  • 使用成熟的WebAuthn库： 使用经过良好测试和维护的WebAuthn库，避免自己编写复杂的安全代码。

WebAuthn的未来：更广泛的应用与标准化

WebAuthn正在迅速发展，未来将会应用到更多的场景中。

• 无密码登录： 彻底摆脱密码，实现真正的无密码登录。
• 多因素认证： 作为多因素认证的强大补充，提高账户安全性。
• 移动支付： 用于移动支付的身份验证，提高支付安全性。
• 物联网： 用于物联网设备的身份验证，保护设备安全。

WebAuthn与其他认证方式的对比

认证方式	优点	缺点	安全性
密码	简单易用	容易被破解、泄露、钓鱼	低
短信验证码	方便快捷	容易被SIM卡劫持、短信拦截	中
TOTP (Google Authenticator)	安全性较高，离线可用	需要安装App，需要同步时间	中高
WebAuthn	安全性极高，防钓鱼、防中间人攻击、无密码	需要硬件支持（指纹识别器、安全密钥），兼容性问题	高

总结：WebAuthn，值得信赖的选择

WebAuthn是目前最安全的Web身份验证方式之一。它利用公钥密码学、域名绑定、用户验证等多种技术，有效地防止了钓鱼、中间人攻击和设备窃取。虽然WebAuthn还存在一些潜在的威胁，但只要我们采取正确的安全措施，就可以有效地降低风险。

一些额外的建议

• 选择合适的认证器： 根据自己的需求选择合适的认证器。如果对安全性要求较高，可以选择使用安全密钥；如果对方便性要求较高，可以选择使用指纹识别器。
• 备份认证器： 备份认证器，防止设备丢失后无法登录。
• 关注WebAuthn的最新发展： 及时了解WebAuthn的最新发展，以便更好地保护自己的账户安全。

代码示例（服务器端 – Node.js）：

这里提供一个简单的 Node.js 代码示例，用于处理 WebAuthn 的注册和认证请求。

const express = require('express');
const bodyParser = require('body-parser');
const base64url = require('base64url');
const cbor = require('cbor');
const crypto = require('crypto');

const app = express();
app.use(bodyParser.json());

// 模拟用户数据库
const users = {};

// 生成 Challenge
function generateChallenge() {
  return crypto.randomBytes(32);
}

// 验证 Attestation Statement
function verifyAttestation(attestationObject, clientDataJSON) {
  // (简化版本，实际需要根据Attestation Statement类型进行更详细的验证)
  // 验证 clientDataHash
  const clientData = JSON.parse(Buffer.from(clientDataJSON, 'base64').toString('utf8'));
  const clientDataHash = crypto.createHash('sha256').update(Buffer.from(clientDataJSON, 'base64')).digest();

  // 验证 attestationObject 的内容 (例如，校验证书链)
  const attestation = cbor.decodeAllSync(Buffer.from(attestationObject, 'base64'))[0];

  // 实际需要根据认证器类型，验证 attestation 里的证书链，以及 signature
  return true;
}

//注册接口
app.post('/register/start', (req, res) => {
  const username = req.body.username;
  const userId = crypto.randomBytes(16).toString('hex'); // 生成随机用户ID
  const challenge = generateChallenge();

  users[userId] = {
    username: username,
    challenge: challenge,
    credentials: []
  };

  res.json({
    challenge: base64url(challenge),
    userId: userId,
    username: username
  });
});

app.post('/register/finish', (req, res) => {
  const userId = req.body.userId;
  const credential = req.body.credential;

  const clientDataJSON = base64url.decode(credential.response.clientDataJSON);
  const attestationObject = base64url.decode(credential.response.attestationObject);
  const challenge = users[userId].challenge;

  // 验证 Challenge
  const clientData = JSON.parse(clientDataJSON);
  if (clientData.challenge !== base64url(challenge)) {
    return res.status(400).json({ error: 'Challenge mismatch' });
  }

  // 验证 Origin
  if (clientData.origin !== `http://localhost:3000`) { // 修改为你的origin
    return res.status(400).json({ error: 'Origin mismatch' });
  }

  // 验证 Attestation
  if (!verifyAttestation(attestationObject, credential.response.clientDataJSON)) {
    return res.status(400).json({ error: 'Attestation verification failed' });
  }

  const attestation = cbor.decodeAllSync(Buffer.from(attestationObject, 'base64'))[0];
  const publicKey = attestation.attStmt.x5c ? attestation.attStmt.x5c[0] : attestation.attStmt.sig;

  users[userId].credentials.push({
    id: credential.id,
    publicKey: publicKey,
    type: credential.type,
    transports: credential.transports
  });

  res.json({ success: true });
});

// 认证接口
app.post('/login/start', (req, res) => {
  const username = req.body.username;
  let userId;

  for (const id in users) {
    if (users[id].username === username) {
      userId = id;
      break;
    }
  }

  if (!userId) {
    return res.status(404).json({ error: 'User not found' });
  }

  const challenge = generateChallenge();
  users[userId].challenge = challenge;

  const allowCredentials = users[userId].credentials.map(cred => ({
    id: base64url.decode(cred.id, 'hex'),
    type: cred.type,
    transports: cred.transports
  }));

  res.json({
    challenge: base64url(challenge),
    allowCredentials: allowCredentials
  });
});

app.post('/login/finish', (req, res) => {
  const username = req.body.username;
  let userId;

  for (const id in users) {
    if (users[id].username === username) {
      userId = id;
      break;
    }
  }

  if (!userId) {
    return res.status(404).json({ error: 'User not found' });
  }

  const credential = req.body.credential;
  const challenge = users[userId].challenge;

  const clientDataJSON = base64url.decode(credential.response.clientDataJSON);
  const clientData = JSON.parse(clientDataJSON);

  // 验证 Challenge
  if (clientData.challenge !== base64url(challenge)) {
    return res.status(400).json({ error: 'Challenge mismatch' });
  }

  // 验证 Origin
  if (clientData.origin !== `http://localhost:3000`) { // 修改为你的origin
    return res.status(400).json({ error: 'Origin mismatch' });
  }

  // 查找对应的公钥
  const credentialId = credential.id;
  const cred = users[userId].credentials.find(c => c.id === credentialId);

  if (!cred) {
    return res.status(404).json({ error: 'Credential not found' });
  }

  const publicKey = cred.publicKey;

  // 验证签名
  const verifier = crypto.createVerify('sha256');
  verifier.update(Buffer.from(clientDataJSON, 'utf8'));
  verifier.update(Buffer.from(credential.response.authenticatorData, 'base64'));

  const signature = Buffer.from(credential.response.signature, 'base64');
  const isVerified = verifier.verify(publicKey, signature);

  if (!isVerified) {
    return res.status(400).json({ error: 'Signature verification failed' });
  }

  res.json({ success: true, message: 'Login successful!' });
});

const port = 3000;
app.listen(port, () => {
  console.log(`Server listening on port ${port}`);
});

重要提示：

• 这只是一个简化的示例，用于演示 WebAuthn 的基本流程。在实际应用中，需要进行更严格的验证和错误处理。
• 需要安装一些必要的依赖：npm install express body-parser base64url cbor
• 需要根据实际情况修改代码中的域名、用户ID等信息。

希望今天的讲座能让你对WebAuthn有更深入的了解。记住，安全无小事，让我们一起努力，构建更安全的互联网世界！ 谢谢大家！