快捷導(dǎo)航

在?.NET?中使用?FixedTimeEquals?應(yīng)對(duì)計(jì)時(shí)攻擊的例子

更新時(shí)間：2022年06月01日 15:02:53 作者：SpringLeee

在計(jì)算機(jī)安全中，計(jì)時(shí)攻擊（Timing attack）是旁道攻擊（Side-channel attack）的一種，而旁道攻擊是根據(jù)計(jì)算機(jī)處理過(guò)程發(fā)出的信息進(jìn)行分析,這篇文章主要介紹了在?.NET?中使用?FixedTimeEquals?應(yīng)對(duì)計(jì)時(shí)攻擊,需要的朋友可以參考下

計(jì)時(shí)攻擊

在計(jì)算機(jī)安全中，計(jì)時(shí)攻擊（Timing attack）是旁道攻擊（Side-channel attack）的一種，而旁道攻擊是根據(jù)計(jì)算機(jī)處理過(guò)程發(fā)出的信息進(jìn)行分析，包括耗時(shí)，聲音，功耗等等，這和一般的暴力破解或者利用加密算法本身的弱點(diǎn)進(jìn)行攻擊是不一樣的。

舉個(gè)例子

假如您有一個(gè)后端 webapi， GetConfig 接口用來(lái)獲取配置信息，調(diào)用時(shí)需要在 Header 中傳入一個(gè)秘鑰，然后判斷是否正確并進(jìn)行返回，如下

X-Api-Key: x123

[HttpGet]
public IActionResult GetConfig()
{
    var key = Request.Headers["X-Api-Key"].FirstOrDefault();
    if (key != "x123")
    {
        return Unauthorized();
    }

    return Ok(configuration);
}

注意，這里我們?yōu)榱伺袛鄡蓚€(gè)字符串相等，通常會(huì)使用 == 或者 != , 實(shí)際上背后使用了 String 的 Equals() 方法，如下

// Determines whether two Strings match.
public static bool Equals(string? a, string? b)
{
    if (object.ReferenceEquals(a, b))
    {
        return true;
    }

    if (a is null || b is null || a.Length != b.Length)
    {
        return false;
    }

    return EqualsHelper(a, b);
}

而內(nèi)部又使用了 SequenceEqual() 方法

[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
private static bool EqualsHelper(string strA, string strB)
{
    Debug.Assert(strA != null);
    Debug.Assert(strB != null);
    Debug.Assert(strA.Length == strB.Length);

    return SpanHelpers.SequenceEqual(
            ref Unsafe.As<char, byte>(ref strA.GetRawStringData()),
            ref Unsafe.As<char, byte>(ref strB.GetRawStringData()),
            ((uint)strA.Length) * sizeof(char));
}

大概的邏輯是，先判斷兩個(gè)字符串長(zhǎng)度是否一致，如果不是，直接返回 false，然后循環(huán)字符串進(jìn)行逐位對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)不相同，直接返回 false，偽代碼如下

public bool Equals(string str1, string str2)
{
    if (str1.Length != str2.Length) 
    {
        return false;
    } 

    for (var i = 0; i < str1.Length; i++)
    {
        if (str1[i] != str2[i])
        {
            return false;
        }
    } 

    return true;
}

這里有一個(gè)問(wèn)題是，如果字符串第一位不相同，直接就返回 false，如果最后一位不相同，那就需要遍歷到最后，然后返回 false。不一樣的字符串，計(jì)算的時(shí)長(zhǎng)可能不一致。

嘗試破解

假如用戶知道了我們的秘鑰的固定長(zhǎng)度是 4 位。

GET /GetConfig  
X-Api-Key：a000
Cost: 2ns

本次耗時(shí)了 2ns, 接下來(lái)又輸入 b000, c000....

GET /GetConfig  
X-Api-Key：b000
Cost: 2ns
 
GET /GetConfig  
X-Api-Key：c000
Cost: 2ns 

...

GET /GetConfig  
X-Api-Key：x000
Cost: 4ns

直到輸入了 x000, 發(fā)現(xiàn)其他的耗時(shí)都是 2ns, 而這里是 4ns，大概率判定第一位是 x。

注意，這里的測(cè)試進(jìn)行了放大，可能每個(gè) case 分別調(diào)用了 100 次，然后統(tǒng)計(jì)了 P50（中位數(shù)）得出的結(jié)果。

然后用同樣的方法，測(cè)試第二位，第三位....., 最終破解拿到了秘鑰。

使用固定時(shí)間的算法

雖然看上去有點(diǎn)扯，但確實(shí)是真實(shí)存在的，包括大名鼎鼎的針對(duì) TLS 的 Lucky 13 攻擊，有興趣的同學(xué)可以看一下。在安全性要求比較高的場(chǎng)景中，確實(shí)要考慮到計(jì)時(shí)攻擊，當(dāng)涉及到安全時(shí)，還是寧可信其有。

所以我們的算法的執(zhí)行耗時(shí)應(yīng)該是固定的，不應(yīng)該在不匹配時(shí)，就立即返回，我們嘗試改造一下代碼

public bool Equals(string str1, string str2)
{
    if (str1.Length != str2.Length)
    {
        return false;
    }

    bool reult = true;

    for (var i = 0; i < str1.Length; i++)
    {
        if (str1[i] != str2[i])
        {
            reult = false;
        }
    }

    return reult;
}

不管怎么樣，都會(huì)遍歷完整個(gè)字符串，然后返回結(jié)果，看上去沒(méi)什么問(wèn)題，時(shí)間總是固定的，但在現(xiàn)代的 CPU 和 .NET 上卻不是的，因?yàn)槲覀円紤]到分支預(yù)測(cè)，特別是 if 條件。

好吧，那我們調(diào)整一下代碼

public bool Equals(string str1, string str2)
{
    if (str1.Length != str2.Length)
    {
        return false;
    }

    bool reult = true;

    for (var i = 0; i < str1.Length; i++)
    { 
       reult &= str1[i] == str2[i]; 
    }

    return reult;
}

我們用了運(yùn)算符 &，來(lái)代替 If, 只有全部為 true 時(shí)，才會(huì)返回 true，其中任意一個(gè)字符不匹配，就會(huì)返回 false，看上去不錯(cuò)。

但是，還有一些問(wèn)題，對(duì)于bool類型的 result （true/false）, 我們的 .NET JIT 和 x86 指令執(zhí)行仍然會(huì)進(jìn)行一些優(yōu)化，我們?cè)僬{(diào)整一下代碼

public bool Equals(string str1, string str2)
{
    if (str1.Length != str2.Length)
    {
        return false;
    }

    int reult = 0;

    for (var i = 0; i < str1.Length; i++)
    { 
       reult |= str1[i] ^ str2[i]; 
    }

    return reult == 0;
}

我們把 bool 改成了 int 類型，然后使用了運(yùn)算符 ^ 和 |，同樣的，只有字符串全部匹配時(shí)，result 為 0，,才會(huì)返回 true, 其中任意一個(gè)不匹配，result 就不為 0，會(huì)返回 false。

最后，為了防止 JIT 對(duì)我們的代碼進(jìn)行其他的優(yōu)化，我們可以加一個(gè)特性，告訴 JIT 不要管它，就像這樣

[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining | MethodImplOptions.NoOptimization)]
public bool Equals(string str1, string str2)
{
    if (str1.Length != str2.Length)
    {
        return false;
    }

    int reult = 0;

    for (var i = 0; i < str1.Length; i++)
    { 
       reult |= str1[i] ^ str2[i]; 
    }

    return reult == 0;
}

上面我們實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對(duì)字符串比較的固定時(shí)間的算法，來(lái)應(yīng)對(duì)計(jì)時(shí)攻擊。

實(shí)際上，從 .NET Core 2.1 開(kāi)始就已經(jīng)做了內(nèi)置支持，我們可以直接使用 FixedTimeEquals 方法, 看一下它的實(shí)現(xiàn)

[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining | MethodImplOptions.NoOptimization)]
public static bool FixedTimeEquals(ReadOnlySpan<byte> left, ReadOnlySpan<byte> right)
{ 
    if (left.Length != right.Length)
    {
        return false;
    }

    int length = left.Length;
    int accum = 0;

    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        accum |= left[i] - right[i];
    }

    return accum == 0;
}

現(xiàn)在用起來(lái)也很方便：

var result = CryptographicOperations.FixedTimeEquals(
   Encoding.UTF8.GetBytes(str1), Encoding.UTF8.GetBytes(str2)
);

總結(jié)

在安全性比較高的場(chǎng)景中，應(yīng)該要考慮到計(jì)時(shí)攻擊，可以使用固定時(shí)間的算法來(lái)應(yīng)對(duì)。在其他的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言中，也都有本文中類似的算法，而在 .NET 中，現(xiàn)在我們可以直接使用 CryptographicOperations.FixedTimeEquals。

到此這篇關(guān)于在 .NET 中使用 FixedTimeEquals 應(yīng)對(duì)計(jì)時(shí)攻擊的文章就介紹到這了,更多相關(guān).net計(jì)時(shí)攻擊內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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