PHP的安全實例分享

一個有趣的請求已開啟針對PHP來作出bin2hex()一定的時間。這導致了一些關於郵件列表的有趣討論（甚至讓我回覆：-X）。 PHP在遠端計時攻擊方面的報告非常好，但他們談論了字串比較。我想談談其他類型的計時攻擊。

什麼是遠端定時攻擊？

好的，讓我們假設你有以下程式碼：

function containsTheLetterC($string) {
    for ($i = 0; $i < strlen($string); $i++) {
        if ($string[$i] == "c") {
            return true;
        }
        sleep(1);
    }
    return false;}var_dump(containsTheLetterC($_GET[&#39;query&#39;]));

說出它的作用應該很容易。它接受query來自URL 的參數，然後逐字逐句通過它，檢查它是否是小寫字母c。如果是，它會返回。如果不是，它睡一秒鐘。

所以讓我們想像我們通過了字串?query=abcdef。我們預計檢查將花費2秒鐘。

現在，讓我們想像一下，我們不知道要找哪封信。讓我們想像一下，這"c"是一個我們不知道的不同價值。你能想出如何弄清楚那封信是什麼嗎？

這很簡單。我們構造一個字串"abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJ...."，並將其傳入。然後我們可以計算返回需要多長時間。然後我們知道哪個角色不同！

這是定時攻擊的基礎。

但是我們沒有在現實世界中看起來像那樣的程式碼。讓我們來看一個真實的例子：

$secret = "thisismykey";if ($_GET['secret'] !== $secret) {
    die("Not Allowed!");}

為了理解發生了什麼，我們需要is_identical_function從PHP的原始碼看到。如果你看看這個函數，你會發現結果是由以下情況定義的：

case IS_STRING:
    if (Z_STR_P(op1) == Z_STR_P(op2)) {
        ZVAL_BOOL(result, 1);
    } else {
        ZVAL_BOOL(result, (Z_STRLEN_P(op1) == Z_STRLEN_P(op2))
        && (!memcmp(Z_STRVAL_P(op1), Z_STRVAL_P(op2), Z_STRLEN_P(op1))));
    }
    break;

該if如果兩個變數都相同的變數（如主要是要求$secret === $secret）。在我們的情況下，這是不可能的，所以我們只需要看else區塊。

Z_STRLEN_P(op1) == Z_STRLEN_P(op2)

所以如果字串長度不匹配，我們立即返回。

這意味著如果字串的長度相同，就可以完成更多的工作！

如果我們花費多長時間來執行不同的長度，我們會看到類似這樣的內容：

##平均時間70.012410.011520.011910.01194#0.011910.01194#80.011510.012120.011890.0118490.011140.012510.011750.01180100.012120.011710.011200.0119711#0.012100.012310.012100.012310.01211##0.01175 130.011420.011740.01251#0.01189#140.012510.011210.01141

長度	時間運行1	時間跑2	時間運行3
# #0.01216	0.01219		#12	0.01121
#0.01194

###0.01171############

如果您忽略平均列，您会注意到似乎没有多少模式。这些数字都在彼此的原因之内。

但是，如果您平均进行多次跑步，您就会注意到一种模式。你会注意到长度11需要更长的时间（略），然后是其他长度。

这个例子非常夸张。但它说明了这一点。它已经显示了可以使用约49000（所以49000次尝试，而不是在上述实施例3）的样品大小远程检测的差异在时间缩短到约15纳秒。

但是，我们发现了这个长度。那不会给我们太多的收入......但第二部分呢？那怎么样memcmp(...)？

如果我们看的执行memcmp()：：

int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n){
    unsigned char u1, u2;
    for ( ; n-- ; s1++, s2++) {
        u1 = * (unsigned char *) s1;
        u2 = * (unsigned char *) s2;
        if ( u1 != u2) {
            return (u1-u2);
        }
    }
    return 0;}

等一下！这返回两个字符串之间的第一个区别！

所以一旦我们确定了字符串的长度，我们可以尝试不同的字符串开始检测差异：

axxxxxxxxxxbxxxxxxxxxxcxxxxxxxxxxdxxxxxxxxxx...yxxxxxxxxxxzxxxxxxxxxx

并通过相同的技术，发现与“txxxxxxxxxx”的差异比其他时间略长。

为什么？

让我们看看在memcmp中一步一步发生的事情。

1. 首先，它查看每个字符串的第一个字符。

   如果第一个字符不同，请立即返回。

2. 接下来，看看每个字符串的第二个字符。

   如果它们不同，立即返回。

3. 等等。

因此"axxxxxxxxxx"，它只执行第一步（因为我们正在比较的字符串"thisismykey"）。但是"txxxxxxxxxx"，第一步和第二步相匹配。所以它做更多的工作，因此需要更长的时间。

所以一旦你看到了，你知道t是第一个字符。

那么这只是一个重复这个过程的问题：

taxxxxxxxxxtbxxxxxxxxxtcxxxxxxxxxtdxxxxxxxxx...tyxxxxxxxxxtzxxxxxxxxx

为每个角色做到这一点，你就完成了。你已经成功推断出一个秘密！

防止比较攻击

所以这是一个基本的比较攻击。==并且===在PHP中都容易受到攻击。

有两种基本的防御方法。

首先是手动比较两个字符串，并且总是比较每个字符（这是我以前的博客文章中的函数：

/**
 * A timing safe equals comparison
 *
 * @param string $safe The internal (safe) value to be checked
 * @param string $user The user submitted (unsafe) value
 *
 * @return boolean True if the two strings are identical.
 */function timingSafeEquals($safe, $user) {
    $safeLen = strlen($safe);
    $userLen = strlen($user);
    if ($userLen != $safeLen) {
        return false;
    }
    $result = 0;
    for ($i = 0; $i < $userLen; $i++) {
        $result |= (ord($safe[$i]) ^ ord($user[$i]));
    }
    // They are only identical strings if $result is exactly 0...
    return $result === 0;}

第二个是使用内置的PHP hash_equals() function。这是在5.6中添加的，与上面的代码做同样的事情。

注：一般情况下，它是不是能够防止长度泄漏。所以可以泄漏这个长度。重要的部分是它不会泄漏关于两个字符串的差异的信息。

其他类型的计时攻击 - 索引查找

那就是比较。这是相当好的覆盖。但是让我们来谈谈索引查找：

如果您有一个数组（或字符串），并且使用秘密信息作为索引（键），则可能会泄漏有关该键的信息。

为了理解为什么，我们需要了解一下CPU如何处理内存。

通常，CPU具有固定宽度的寄存器。把这些想象成小变量。在现代处理器上，这些寄存器可能是64位（8字节）宽。这意味着CPU可以在一次处理的最大变量是8个字节。（注意：这是不正确的，因为大多数处理器都有基于向量的操作，例如SIMD，它允许它与更多的数据交互。对于这个讨论来说，尽管这并不重要）。

那么当你想读一个长度为16字节的字符串时会发生什么呢？

那么，CPU需要加载它块。根据操作的不同，它可能一次加载8个字节的字符串，并且一次对它操作8个字节。或者更常见的是，它一次处理一个字节。

所以这意味着它需要从某处获取字符串的其余部分。这个“某处”是主存（RAM）。但记忆非常缓慢。像真的很慢。大约100ns。这是我们的15纳秒阈值。

而且由于主内存非常慢，所以CPU在CPU本身上只有很少的内存空间来充当缓存。实际上，它们通常有两种类型的缓存。它们具有特定于每个核心（每个核心都有自己的L1高速缓存）的L1高速缓存，也是特定于核心的L2高速缓存，以及经常在单个芯片上的所有核心之间共享的L3高速缓存。为什么3层？由于速度：

#60 - 100奈秒

記憶體類型	尺寸	潛伏
L1快取	32KB	0.5奈秒
L2快取	256KB	2.5 ns
L3快取	4-16MB	10-20奈秒
記憶體

####

所以我们来看看在string[index]C字符串（char \*字符数组）上做了什么。想象一下你有这样的代码：

char character_at_offset(const char *string, size_t offset) {
    return string[offset]}

编译器会将其编译为：

character_at_offset:
    pushq   %rbp    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movq    %rsi, -16(%rbp)
    movq    -16(%rbp), %rax
    movq    -8(%rbp), %rdx
    addq    %rdx, %rax    movzbl  (%rax), %eax
    popq    %rbp    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc

虽然有很多噪音。让我们把它缩小到一个非功能性但更合适的尺寸：

character_at_offset:
    addq    %rdx, %rax    movzbl  (%rax), %eax
    popq    %rbp
    ret

该函数有两个参数，其中一个是指针（字符串的第一个元素），第二个是整数偏移量。它将两者相加以获得我们想要的字符的内存地址。然后，movzbl从该地址移动一个字节并将其存储%eax（其余零也为零）。

那么，CPU如何知道在哪里可以找到那个内存地址呢？

那么，它会遍历高速缓存链，直到找到它。

因此，如果它在L1缓存中，整体操作大约需要0.5 ns。如果它在L2，2.5ns。等等。因此，通过仔细计算信息的时间，我们可以推断出该项目被缓存的位置（或者它是否被缓存）。

值得注意的是，CPU不会缓存单个字节。他们缓存称为线的内存块。现代处理器通常具有64字节宽的高速缓存行。这意味着缓存中的每个条目都是连续的64字节的内存块。

所以，当你进行内存提取时，CPU会将一个64字节的内存块写入缓存行。因此，如果您的movzbl调用需要打到主内存，整个块将被复制到较低的缓存行中。（请注意，这是一个非常简单的事情，但它是为了演示下一步会发生什么）。

现在，这里是真正有趣的地方。

假设我们正在处理一个大字符串。一个不适合二级缓存。所以1MB。

现在，让我们设想一下，我们从基于数字的秘密序列的字符串中提取字节。

通过观察获取字节需要多长时间，我们实际上可以确定关于秘密的信息！

让我们想象我们获取以下偏移量：

• offset 10

• offset 1

第一次提取会导致缓存未命中，将从主内存加载到缓存中。

但是第二个fetch（offset 1）将从L1缓存中获取，因为它可能与原来的缓存行（内存块）相同offset 10。所以它很可能是缓存命中。

如果我们然后提取offset 2048，它很可能不在缓存中。

因此，通过仔细观察延迟模式，您可以确定有关偏移序列关系的一些信息。通过多次使用正确的信息来做到这一点，你可以推断出这个秘密。

这被称为缓存时间攻击。

现在看起来真的很牵强，对吧？我的意思是，你有多频繁地获取完美的信息？这怎么可能是实际的。那么，这是100％的实际，并发生在现实世界中。

针对缓存时间攻击的防御：

只有一种防御这种风格攻击的实用方法：

1. 不要通过秘密索引数组（或字符串）。

这真的很简单。

基于分支的计时攻击

你看过几次类似下面的代码？

$query = "SELECT * FROM users WHERE id = ?";$stmt = $pdo->prepare($query);$stmt->execute([$_POST['id']]);$user = $stmt->fetchObject();if ($user && password_verify($_POST['password'], $user->password)) {
    return true;}return false;

当然，这是安全的？

那里有信息泄漏。

如果您尝试使用不同的用户名，则根据用户名是否存在需要不同的时间。如果password_verify需要0.1秒，您可以简单地测量该差异来确定用户名是否有效。平均而言，对使用用户名的请求将花费比可用用户名更长的时间。

现在，这是一个问题吗？我不知道，这取决于你的要求。许多网站希望保留用户名的秘密，并尽量不公开他们的信息（例如：不说用户名或密码在登录表单中是否无效）。

如果你想保持用户名的秘密，你就不会。

防御基于分支的计时攻击

做到这一点的唯一方法是不分支。但那里有问题。如果你不分支，你如何获得像上面那样的功能？

那么，一个想法是执行以下操作：

$query = "SELECT * FROM users WHERE id = ?";$stmt = $pdo->prepare($query);$stmt->execute([$_POST['id']]);$user = $stmt->fetchObject();if ($user) {
    return password_verify($_POST['password'], $user->password);} else {
    password_verify("", DUMMY_HASH);}return false;

这意味着你password_verify在两种情况下运行。这削减了0.1第二个区别。

但核心计时攻击依然存在。原因在于数据库将返回查询的时间稍微有点不同，以查找找到该用户的查询，以及查找不到的查询。这是因为它在内部执行大量分支和条件逻辑，最终需要通过线路将数据传输回程序。

所以防御这种风格攻击的唯一方法就是不要将您的用户名视为秘密！

关于“随机延迟”的一个注记

许多人在听到定时攻击时，都会想：“呃，我只是随意添加一个延迟！这将工作！“。而事实并非如此。

要理解为什么，让我们来谈谈添加随机延迟时实际发生的情况：

整体执行时间是work + sleep(rand(1, 10))。如果兰德行为良好（这是随机的），那么随着时间的推移，我们可以将其平均。

让我们说这是rand(1, 10)。那么，这意味着当我们平均运行时，平均延迟约为5.相同的平均值加到所有情况下。所以我们需要做的就是每运行一次运行一次以平均噪音。我们运行的次数越多，随机值越倾向于平均。所以我们的信号仍然存在，它只需要稍微更多的数据来对抗噪声。

因此，如果我们需要运行49,000次测试以获得15ns的准确度，那么我们需要大概100,000或1,000,000次测试来获得相同的准确度和随机延迟。或者可能达到100,000,000。但数据仍然存在。

修复漏洞，不要仅仅在它周围增加噪音。

有效的实际延迟

随机延迟不起作用。但我们可以通过两种方式有效地使用延迟。第一个是更有效的，也是我唯一“依靠”的一个。

1. 延迟取决于用户输入。

   因此，在这种情况下，您可以使用本地密钥对用户输入进行哈希处理，以确定要使用的延迟：

   function delay($input, $secret_key) {
       $hash = crc32(serialize($secret_key . $input . $secret_key));
       // make it take a maximum of 0.1 milliseconds
       time_nanosleep(0, abs($hash % 100000));}

   然后只需将用户输入用于延迟功能。这样，随着用户改变他们的输入，延迟也会改变。但它会以同样的方式改变，使他们无法用统计技术来平均它。

   请注意，我使用过crc32()。这不需要是加密散列函数。由于我们只是派生一个整数，所以我们不需要担心碰撞。如果您希望更安全，您可以用SHA-2功能替换它，但我不确定这是否值得速度损失。

2. 使操作花费最少时间（夹紧）

   因此，许多人浮现的想法是将操作“夹”到特定的运行时（或者更准确地说，使其至少需要一定的运行时间）。

   function clamp(callable $op, array $args, $time = 100) {
       $start = microtime(true);
       $return = call_user_func_array($op, $args);
       $end = microtime(true);
       // convert float seconds to integer nanoseconds
       $diff = floor((($end - $start) * 1000000000) % 1000000000);
       $sleep = $diff - $time;
       if ($sleep > 0) {
           time_nanosleep(0, $sleep);
       }
       return $return;}

   所以你可以说比较必须花费最少的时间。因此，不要试图比较一直持续的时间，你只需要花时间。

   所以，你可以钳住等于100纳秒（clamp("strcmp", [$secret, $user], 100)）。

   这样做，你保护了字符串的第一部分。如果前20个字符花费了100纳秒，那么通过钳位到100纳秒，可以防止那些泄漏的差异。

   但是有一些问题：

• 它非常脆弱。如果你时间太短，你会失去所有的保护。如果时间过长，可能会在应用程序中增加不必要的延迟（如果不小心，可能会暴露DOS风险）。

• 它实际上并没有保护任何东西。它只是掩盖了这个问题。我认为这是一种通过默默无闻的安全形式。这并不意味着它没有用或无效。这只是意味着风险。很难知道它是否确实有效地让你更安全，或者让你在夜晚更好地睡觉。当在图层中使用时，它可能是好的。

• 它不能防止本地攻击者。如果攻击者可以在服务器上获得代码（甚至是未经授权的，在不同的用户帐户上，如共享服务器上），则他们可以查看CPU使用情况，从而可以看到过去的睡眠状况。这是一个延伸，在这种情况下可能会有更有效的攻击，但至少值得注意。

防御DOS攻击

所有这些技术都需要很多请求。它们基于依靠大量数据有效“平均”噪声的统计技术。

这意味着要获得足够的数据来实际执行攻击，攻击者可能需要制造数千，数十万甚至数百万的请求。

如果你正在练习好的DOS保护技术（基于IP的速率限制等），那么你将能够绕过很多这些风格的攻击。

但是DDOS保护难以防范。通过分配流量，防范难度更大。但对攻击者来说也更难，因为他们有更多的噪音需要处理（而不仅仅是本地网段）。所以这并不太实际。

但是就像安全的任何事情一样，纵深防御。即使我们认为这次攻击是不可能的，但如果我们原来的保护失败，仍然值得保护它。深度使用防御，我们可以让自己在各种规模的攻击中更具弹性。

回到点

目前有关PHP内部的一个关于是否使某些核心功能的时序安全与否的线索。正在讨论的具体功能是：

• bin2hex

• hex2bin

• base64_encode

• base64_decode

• mcrypt_encrypt

• mcrypt_decrypt

现在，为什么这些功能？井，bin2hex和base64_encode编码输出到浏览器（编码会话参数例如）当经常使用。然而，更重要的是hex2bin和base64_decode，因为它们可以用于解密秘密信息（就像在将密钥用于加密之前的密钥）。

到目前为止，大多数受访者的共识是，为了获得更多的安全，不值得让它们变得更慢。我同意这一点。

但是，我不同意的是，它会让它们“变慢”。更改比较（从）==到hash_equals较慢是因为它将函数的复杂性（最佳，平均，最差）从O(1, n/2, n)更改为O(n, n, n)。这意味着它将对平均情况下的性能产生重大影响。

但改变编码功能不会影响复杂性。他们将继续O(n)。所以问题是，速度差是多少？那么，我用PHP算法和一个时间安全的标准对bin2hex和hex2bin进行了基准测试，差异不是太显着。编码（bin2hex）大致相同（误差范围），并且解码的差异（hex2bin）大约为0.5μs。对于大约40个字符的字符串，这是5e-10秒多。

对我而言，这足够小，根本不用担心。平均应用程序调用其中一个受影响的函数多少次？也许每一次执行可能？但有什么潜在的好处？这可能是一个漏洞被阻止？

也许吧。我认为没有充足的理由去做这件事，一般而言，这些漏洞在用PHP编写的应用程序类型中将非常困难。但有了这个说法，如果实施过程足够快速（对我来说，0.5μs足够快），那么我认为没有一个重要的理由不去做这个改变。即使它有助于防止所有数百万PHP用户的单一攻击，这是否值得？是。它会阻止单一攻击吗？我不知道（可能不）。

但是，我认为有几项功能必须不断进行时间安全审计：

• mcrypt_\*

• hash_\*

• password_\*

• openssl_\*

• md5()

• sha1()

• strlen()

• substr()

基本上，我们所知道的任何东西都会与敏感信息一起使用，或者将在敏感操作中用作原语。

至于字符串函数的其余部分，或者没有必要让它们的时间安全（像lcfirst或strpos），或者它不可能（像trim）或已经完成（像strlen），或者它没有任何业务在PHP（如hebrev）...

跟进

因此，HackerNews和Reddit发布了这篇文章。评论有几个共同的主题，所以我会在这里跟进。我还编辑了帖子内联来解决这些问题。

不可能使代码保持恒定时间

那么，我应该澄清“不变”的含义。在绝对意义上，我并不是指不变的。我的意思是不变的相对于秘密。这意味着时间不会依赖于我们试图保护的数据而改变。因此总体而言，绝对时间可能由于许多原因而波动。但我们不希望我们试图保护的价值影响它。

这是区别：

for ($i = 0; $i < strlen($_GET[&#39;input&#39;]); $i++) {
    $input .= $_GET[&#39;input&#39;][$i];}

这是可变的时间，但泄漏什么是秘密，

和

$time = 0;for ($i = 0; $i < strlen($_GET[&#39;input&#39;]); $i++) {
    $time += abs(ord($_GET[&#39;input&#39;][$i]) - ord($secret[$i]));}sleep($time);

现在，这是一个荒谬的例子。但它表明，两者都会根据投入改变时间，但也会因我们试图保护的秘密而有所不同。这就是我们说“恒定时间”时的意思，而不是基于秘密的价值而变化。

怎样钳制一个特定的运行时间？

我已经在帖子的主体中解决了上述问题。

不保护DOS的工作？

是。我已经将其添加到防御列表中。但考虑到它对DDOS不起作用（虽然时间差异很难识别），但我不会因为这个原因而忽略它。

这不实用

那么，事实并非如此。有视频和文件和工具以及更多工具和更多论文以及更多视频。

所以如果攻击者一直在谈论这件事情，那肯定是有好处的。

但是，成功利用计时攻击需要很多工作。因此，攻击者通常会寻找更容易和更常见的攻击，例如SQLi，XSS，远程代码执行等，但这实际上取决于更多因素。如果您正在保护博客网站的会话标识符，那么您可能不必担心它。但是，如果您保护用于加密信用卡号码的加密密钥......

从实际的角度来看，我不会担心定时攻击，除非我确信其他潜在的媒介是安全的。就这样说，我认为这很有趣，值得了解。但是像安全和编程中的其他一切一样，这都是关于权衡的。

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