CSRF攻擊與防護

CSRF是什麼

CSRF在百度百科中是這麼說的：「CSRF（Cross-site request forgery跨站請求僞造，也被稱爲「one click attack」或者session riding，一般縮寫爲CSRF或者XSRF，是一種對網站的惡意利用。儘管聽起來像跨站腳本（XSS），但它與XSS很是不一樣，而且攻擊方式幾乎相左。XSS利用站點內的信任用戶，而CSRF則經過假裝來自受信任用戶的請求來利用受信任的網站。與XSS攻擊相比，CSRF攻擊每每不大流行（所以對其進行防範的資源也至關稀少）和難以防範，因此被認爲比XSS更具危險性。」。

 

CSRF攻擊原理

從上圖能夠看出，要完成一次CSRF攻擊，受害者必須依次完成2個步驟

1.登陸受信任網站A，並在本地生成Cookie。

2.在不登出A的狀況下，訪問危險網站B (這個過程完成攻擊)

 

CSRF 舉例

CSRF 攻擊能夠在受害者絕不知情的狀況下以受害者名義僞造請求發送給受攻擊站點，從而在並未受權的狀況下執行在權限保護之下的操做。

好比說，受害者 Bob 在銀行有一筆存款，經過對銀行的網站發送請求 http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=bob2可使 Bob 把 1000000 的存款轉到 bob2 的帳號下。

一般狀況下，該請求發送到網站後，服務器會先驗證該請求是否來自一個合法的 session，而且該 session 的用戶 Bob 已經成功登錄。

黑客 Mallory 本身在該銀行也有帳戶，他知道上文中的 URL 能夠把錢進行轉賬操做。

Mallory 能夠本身發送一個請求給銀行：http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=Mallory。可是這個請求來自 Mallory 而非 Bob，他不能經過安全認證，所以該請求不會起做用。

這時，Mallory 想到使用 CSRF 的攻擊方式，他先本身作一個網站，在網站中放入以下代碼：<img src=」http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=Mallory 」 />，而且經過廣告等誘使 Bob 來訪問他的網站。當 Bob 訪問該網站時，上述 url 就會從 Bob 的瀏覽器發向銀行，而這個請求會附帶 Bob 瀏覽器中的 cookie 一塊兒發向銀行服務器。大多數狀況下，該請求會失敗，由於他要求 Bob 的認證信息。

可是，若是 Bob 當時恰巧剛訪問他的銀行後不久，他的瀏覽器與銀行網站之間的 session 還沒有過時，瀏覽器的 cookie 之中含有 Bob 的認證信息。

這時，悲劇發生了，這個 url 請求就會獲得響應，錢將從 Bob 的帳號轉移到 Mallory 的帳號，而 Bob 當時絕不知情。等之後 Bob 發現帳戶錢少了，即便他去銀行查詢日誌，他也只能發現確實有一個來自於他本人的合法請求轉移了資金，沒有任何被攻擊的痕跡。而 Mallory 則能夠拿到錢後逍遙法外。

 

CSRF 防護

對於Web應用來講能夠有如下幾種方案：

1）驗證 HTTP Referer 字段

　　根據 HTTP 協議，在 HTTP 頭中有一個字段叫 Referer，它記錄了該 HTTP 請求的來源地址。在一般狀況下，訪問一個安全受限頁面的請求來自於同一個網站，好比須要訪問 http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=Mallory，用戶必須先登錄 bank.example，而後經過點擊頁面上的按鈕來觸發轉帳事件。這時，該轉賬請求的 Referer 值就會是轉帳按鈕所在的頁面的 URL，一般是以 bank.example 域名開頭的地址。而若是黑客要對銀行網站實施 CSRF 攻擊，他只能在他本身的網站構造請求，當用戶經過黑客的網站發送請求到銀行時，該請求的 Referer 是指向黑客本身的網站。所以，要防護 CSRF 攻擊，銀行網站只須要對於每個轉帳請求驗證其 Referer 值，若是是以 bank.example 開頭的域名，則說明該請求是來自銀行網站本身的請求，是合法的。若是 Referer 是其餘網站的話，則有多是黑客的 CSRF 攻擊，拒絕該請求。

　　這種方法的顯而易見的好處就是簡單易行，網站的普通開發人員不須要操心 CSRF 的漏洞，只須要在最後給全部安全敏感的請求統一增長一個攔截器來檢查 Referer 的值就能夠。特別是對於當前現有的系統，不須要改變當前系統的任何已有代碼和邏輯，沒有風險，很是便捷。

　　然而，這種方法並不是萬無一失。Referer 的值是由瀏覽器提供的，雖然 HTTP 協議上有明確的要求，可是每一個瀏覽器對於 Referer 的具體實現可能有差異，並不能保證瀏覽器自身沒有安全漏洞。使用驗證 Referer 值的方法，就是把安全性都依賴於第三方（即瀏覽器）來保障，從理論上來說，這樣並不安全。事實上，對於某些瀏覽器，好比 IE6 或 FF2，目前已經有一些方法能夠篡改 Referer 值。若是 bank.example 網站支持 IE6 瀏覽器，黑客徹底能夠把用戶瀏覽器的 Referer 值設爲以 bank.example 域名開頭的地址，這樣就能夠經過驗證，從而進行 CSRF 攻擊。

　　即使是使用最新的瀏覽器，黑客沒法篡改 Referer 值，這種方法仍然有問題。由於 Referer 值會記錄下用戶的訪問來源，有些用戶認爲這樣會侵犯到他們本身的隱私權，特別是有些組織擔憂 Referer 值會把組織內網中的某些信息泄露到外網中。所以，用戶本身能夠設置瀏覽器使其在發送請求時再也不提供 Referer。當他們正常訪問銀行網站時，網站會由於請求沒有 Referer 值而認爲是 CSRF 攻擊，拒絕合法用戶的訪問。

2）在請求地址中添加 token 並驗證

　　CSRF 攻擊之因此可以成功，是由於黑客能夠徹底僞造用戶的請求，該請求中全部的用戶驗證信息都是存在於 cookie 中，所以黑客能夠在不知道這些驗證信息的狀況下直接利用用戶本身的 cookie 來經過安全驗證。要抵禦 CSRF，關鍵在於在請求中放入黑客所不能僞造的信息，而且該信息不存在於 cookie 之中。能夠在 HTTP 請求中以參數的形式加入一個隨機產生的 token，並在服務器端創建一個攔截器來驗證這個 token，若是請求中沒有 token 或者 token 內容不正確，則認爲多是 CSRF 攻擊而拒絕該請求。

　　這種方法要比檢查 Referer 要安全一些，token 能夠在用戶登錄後產生並放於 session 之中，而後在每次請求時把 token 從 session 中拿出，與請求中的 token 進行比對，但這種方法的難點在於如何把 token 以參數的形式加入請求。對於 GET 請求，token 將附在請求地址以後，這樣 URL 就變成 http://url?csrftoken=tokenvalue。 而對於 POST 請求來講，要在 form 的最後加上 <input type=」hidden」 name=」csrftoken」 value=」tokenvalue」/>，這樣就把 token 以參數的形式加入請求了。可是，在一個網站中，能夠接受請求的地方很是多，要對於每個請求都加上 token 是很麻煩的，而且很容易漏掉，一般使用的方法就是在每次頁面加載時，使用 javascript 遍歷整個 dom 樹，對於 dom 中全部的 a 和 form 標籤後加入 token。這樣能夠解決大部分的請求，可是對於在頁面加載以後動態生成的 html 代碼，這種方法就沒有做用，還須要程序員在編碼時手動添加 token。

　　該方法還有一個缺點是難以保證 token 自己的安全。特別是在一些論壇之類支持用戶本身發表內容的網站，黑客能夠在上面發佈本身我的網站的地址。因爲系統也會在這個地址後面加上 token，黑客能夠在本身的網站上獲得這個 token，並立刻就能夠發動 CSRF 攻擊。爲了不這一點，系統能夠在添加 token 的時候增長一個判斷，若是這個連接是鏈到本身本站的，就在後面添加 token，若是是通向外網則不加。不過，即便這個 csrftoken 不以參數的形式附加在請求之中，黑客的網站也一樣能夠經過 Referer 來獲得這個 token 值以發動 CSRF 攻擊。這也是一些用戶喜歡手動關閉瀏覽器 Referer 功能的緣由。

 

3）在 HTTP 頭中自定義屬性並驗證

　　這種方法也是使用 token 並進行驗證，和上一種方法不一樣的是，這裏並非把 token 以參數的形式置於 HTTP 請求之中，而是把它放到 HTTP 頭中自定義的屬性裏。經過 XMLHttpRequest 這個類，能夠一次性給全部該類請求加上 csrftoken 這個 HTTP 頭屬性，並把 token 值放入其中。這樣解決了上種方法在請求中加入 token 的不便，同時，經過 XMLHttpRequest 請求的地址不會被記錄到瀏覽器的地址欄，也不用擔憂 token 會透過 Referer 泄露到其餘網站中去。

　　然而這種方法的侷限性很是大。XMLHttpRequest 請求一般用於 Ajax 方法中對於頁面局部的異步刷新，並不是全部的請求都適合用這個類來發起，並且經過該類請求獲得的頁面不能被瀏覽器所記錄下，從而進行前進，後退，刷新，收藏等操做，給用戶帶來不便。另外，對於沒有進行 CSRF 防禦的遺留系統來講，要採用這種方法來進行防禦，要把全部請求都改成 XMLHttpRequest 請求，這樣幾乎是要重寫整個網站，這代價無疑是不能接受的。

 

Tomcat中的CsrfPreventionFilter

/*
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 * 
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 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
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 * limitations under the License.
 */

package org.apache.catalina.filters;

import java.io.IOException;
import java.io.Serializable;
import java.security.SecureRandom;
import java.util.HashSet;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Random;
import java.util.Set;

import javax.servlet.FilterChain;
import javax.servlet.FilterConfig;
import javax.servlet.ServletException;
import javax.servlet.ServletRequest;
import javax.servlet.ServletResponse;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import javax.servlet.http.HttpServletResponseWrapper;
import javax.servlet.http.HttpSession;

import org.apache.juli.logging.Log;
import org.apache.juli.logging.LogFactory;

/**
 * Provides basic CSRF protection for a web application. The filter assumes
 * that:
 * <ul>
 * <li>The filter is mapped to /*</li>
 * <li>{@link HttpServletResponse#encodeRedirectURL(String)} and
 * {@link HttpServletResponse#encodeURL(String)} are used to encode all URLs
 * returned to the client
 * </ul>
 */
public class CsrfPreventionFilter extends FilterBase {

    private static final Log log =
        LogFactory.getLog(CsrfPreventionFilter.class);
    
    private String randomClass = SecureRandom.class.getName();
    
    private Random randomSource;

    private final Set<String> entryPoints = new HashSet<String>();
    
    private int nonceCacheSize = 5;

    @Override
    protected Log getLogger() {
        return log;
    }

    /**
     * Entry points are URLs that will not be tested for the presence of a valid
     * nonce. They are used to provide a way to navigate back to a protected
     * application after navigating away from it. Entry points will be limited
     * to HTTP GET requests and should not trigger any security sensitive
     * actions.
     * 
     * @param entryPoints   Comma separated list of URLs to be configured as
     *                      entry points.
     */
    public void setEntryPoints(String entryPoints) {
        String values[] = entryPoints.split(",");
        for (String value : values) {
            this.entryPoints.add(value.trim());
        }
    }

    /**
     * Sets the number of previously issued nonces that will be cached on a LRU
     * basis to support parallel requests, limited use of the refresh and back
     * in the browser and similar behaviors that may result in the submission
     * of a previous nonce rather than the current one. If not set, the default
     * value of 5 will be used.
     * 
     * @param nonceCacheSize    The number of nonces to cache
     */
    public void setNonceCacheSize(int nonceCacheSize) {
        this.nonceCacheSize = nonceCacheSize;
    }
    
    /**
     * Specify the class to use to generate the nonces. Must be in instance of
     * {@link Random}.
     * 
     * @param randomClass   The name of the class to use
     */
    public void setRandomClass(String randomClass) {
        this.randomClass = randomClass;
    }

    @Override
    public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {
        // Set the parameters
        super.init(filterConfig);
        
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName(randomClass);
            randomSource = (Random) clazz.newInstance();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            ServletException se = new ServletException(sm.getString(
                    "csrfPrevention.invalidRandomClass", randomClass), e);
            throw se;
        } catch (InstantiationException e) {
            ServletException se = new ServletException(sm.getString(
                    "csrfPrevention.invalidRandomClass", randomClass), e);
            throw se;
        } catch (IllegalAccessException e) {
            ServletException se = new ServletException(sm.getString(
                    "csrfPrevention.invalidRandomClass", randomClass), e);
            throw se;
        }
    }


    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response,
            FilterChain chain) throws IOException, ServletException {

        ServletResponse wResponse = null;
        
        if (request instanceof HttpServletRequest &&
                response instanceof HttpServletResponse) {
            
            HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) request;
            HttpServletResponse res = (HttpServletResponse) response;

            boolean skipNonceCheck = false;
            
            if (Constants.METHOD_GET.equals(req.getMethod())) {
                String path = req.getServletPath();
                if (req.getPathInfo() != null) {
                    path = path + req.getPathInfo();
                }
                
                if (entryPoints.contains(path)) {
                    skipNonceCheck = true;
                }
            }

            HttpSession session = req.getSession(false);

            @SuppressWarnings("unchecked")
            LruCache<String> nonceCache = (session == null) ? null
                    : (LruCache<String>) session.getAttribute(
                            Constants.CSRF_NONCE_SESSION_ATTR_NAME);
　　　　　　　// 對請求進行驗證
            if (!skipNonceCheck) {
                String previousNonce =
                    req.getParameter(Constants.CSRF_NONCE_REQUEST_PARAM);

                if (nonceCache == null || previousNonce == null ||
                        !nonceCache.contains(previousNonce)) {
                    res.sendError(HttpServletResponse.SC_FORBIDDEN);
                    return;
                }
            }
            
            if (nonceCache == null) {
                nonceCache = new LruCache<String>(nonceCacheSize);
                if (session == null) {
                    session = req.getSession(true);
                }
                session.setAttribute(
                        Constants.CSRF_NONCE_SESSION_ATTR_NAME, nonceCache);
            }
            // 爲下一次請求，生成一個隨機數放在URL中
            String newNonce = generateNonce();
            // 同時將隨機數存儲在session中
            nonceCache.add(newNonce);
            
            wResponse = new CsrfResponseWrapper(res, newNonce);
        } else {
            wResponse = response;
        }
        
        chain.doFilter(request, wResponse);
    }


    @Override
    protected boolean isConfigProblemFatal() {
        return true;
    }


    /**
     * Generate a once time token (nonce) for authenticating subsequent
     * requests. This will also add the token to the session. The nonce
     * generation is a simplified version of ManagerBase.generateSessionId().
     * 
     */
    protected String generateNonce() {
        byte random[] = new byte[16];

        // Render the result as a String of hexadecimal digits
        StringBuilder buffer = new StringBuilder();

        randomSource.nextBytes(random);
       
        for (int j = 0; j < random.length; j++) {
            byte b1 = (byte) ((random[j] & 0xf0) >> 4);
            byte b2 = (byte) (random[j] & 0x0f);
            if (b1 < 10)
                buffer.append((char) ('0' + b1));
            else
                buffer.append((char) ('A' + (b1 - 10)));
            if (b2 < 10)
                buffer.append((char) ('0' + b2));
            else
                buffer.append((char) ('A' + (b2 - 10)));
        }

        return buffer.toString();
    }

    protected static class CsrfResponseWrapper
            extends HttpServletResponseWrapper {

        private String nonce;

        public CsrfResponseWrapper(HttpServletResponse response, String nonce) {
            super(response);
            this.nonce = nonce;
        }

        @Override
        @Deprecated
        public String encodeRedirectUrl(String url) {
            return encodeRedirectURL(url);
        }

        @Override
        public String encodeRedirectURL(String url) {
            return addNonce(super.encodeRedirectURL(url));
        }

        @Override
        @Deprecated
        public String encodeUrl(String url) {
            return encodeURL(url);
        }

        @Override
        public String encodeURL(String url) {
            return addNonce(super.encodeURL(url));
        }
        
        /**
         * Return the specified URL with the nonce added to the query string. 
         *
         * @param url URL to be modified
         * @param nonce The nonce to add
         */
        private String addNonce(String url) {

            if ((url == null) || (nonce == null))
                return (url);

            String path = url;
            String query = "";
            String anchor = "";
            int pound = path.indexOf('#');
            if (pound >= 0) {
                anchor = path.substring(pound);
                path = path.substring(0, pound);
            }
            int question = path.indexOf('?');
            if (question >= 0) {
                query = path.substring(question);
                path = path.substring(0, question);
            }
            StringBuilder sb = new StringBuilder(path);
            if (query.length() >0) {
                sb.append(query);
                sb.append('&');
            } else {
                sb.append('?');
            }
            sb.append(Constants.CSRF_NONCE_REQUEST_PARAM);
            sb.append('=');
            sb.append(nonce);
            sb.append(anchor);
            return (sb.toString());
        }
    }
    
    protected static class LruCache<T> implements Serializable {

        private static final long serialVersionUID = 1L;

        // Although the internal implementation uses a Map, this cache
        // implementation is only concerned with the keys.
        private final Map<T,T> cache;
        
        public LruCache(final int cacheSize) {
            cache = new LinkedHashMap<T,T>() {
                private static final long serialVersionUID = 1L;
                @Override
                protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<T,T> eldest) {
                    if (size() > cacheSize) {
                        return true;
                    }
                    return false;
                }
            };
        }
        
        public void add(T key) {
            synchronized (cache) {
                cache.put(key, null);
            }
        }

        public boolean contains(T key) {
            synchronized (cache) {
                return cache.containsKey(key);
            }
        }
    }
}