在.NET中如何使用FixedTimeEquals應(yīng)對計(jì)時攻擊

這篇“在.NET中如何使用FixedTimeEquals應(yīng)對計(jì)時攻擊”文章的知識點(diǎn)大部分人都不太理解，所以小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，內(nèi)容詳細(xì)，步驟清晰，具有一定的借鑒價值，希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲，下面我們一起來看看這篇“在.NET中如何使用FixedTimeEquals應(yīng)對計(jì)時攻擊”文章吧。

計(jì)時攻擊

在計(jì)算機(jī)安全中，計(jì)時攻擊（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)處理過程發(fā)出的信息進(jìn)行分析，包括耗時，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。

舉個例子

假如您有一個后端 webapi， GetConfig 接口用來獲取配置信息，調(diào)用時需要在 Header 中傳入一個秘鑰，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€字符串相等，通常會使用 == 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，先判斷兩個字符串長度是否一致，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;
}

這里有一個問題是，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)算的時長可能不一致。

嘗試破解

假如用戶知道了我們的秘鑰的固定長度是 4 位。

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

本次耗時了 2ns, 接下來又輸入 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)其他的耗時都是 2ns, 而這里是 4ns，大概率判定第一位是 x。

注意，這里的測試進(jìn)行了放大，可能每個 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，測試第二位，第三位....., 最終破解拿到了秘鑰。

使用固定時間的算法

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 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景中，確實(shí)要考慮到計(jì)時攻擊，當(dāng)涉及到安全時，還是寧可信其有。

所以我們的算法的執(zhí)行耗時應(yīng)該是固定的，不應(yīng)該在不匹配時，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，都會遍歷完整個字符串，然后返回結(jié)果，看上去沒什么問題，時間總是固定的，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，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 &，來代替 If, 只有全部為 true 時，才會返回 true，其中任意一個字符不匹配，就會返回 false，看上去不錯。

但是，還有一些問題，對于bool類型的 result （true/false）, 我們的 .NET JIT 和 x86 指令執(zhí)行仍然會進(jìn)行一些優(yōu)化，我們再調(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，result 為 0，,才會返回 true, 其中任意一個不匹配，result 就不為 0，會返回 false。

最后，為了防止 JIT 對我們的代碼進(jìn)行其他的優(yōu)化，我們可以加一個特性，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)了一個針對字符串比較的固定時間的算法，來應(yīng)對計(jì)時攻擊。

實(shí)際上， 從 .NET Core 2.1 開始就已經(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)在用起來也很方便：

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

以上就是關(guān)于“在.NET中如何使用FixedTimeEquals應(yīng)對計(jì)時攻擊”這篇文章的內(nèi)容，相信大家都有了一定的了解，希望小編分享的內(nèi)容對大家有幫助，若想了解更多相關(guān)的知識內(nèi)容，請關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。