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松哥最近在研究 Spring Security 源碼，發(fā)現(xiàn)了很多好玩的代碼，抽空寫幾篇文章和小伙伴們分享一下。

很多人吐槽 Spring Security 比 Shiro 重量級(jí)，這個(gè)重量級(jí)不是憑空來的，重量有重量的好處，就是它提供了更為強(qiáng)大的防護(hù)功能。

比如松哥最近看到的一段代碼：

protected final UserDetails retrieveUser(String username, 
  UsernamePasswordAuthenticationToken authentication) 
  throws AuthenticationException { 
 prepareTimingAttackProtection(); 
 try { 
  UserDetails loadedUser = this.getUserDetailsService().loadUserByUsername(username); 
  if (loadedUser == null) { 
   throw new InternalAuthenticationServiceException( 
     "UserDetailsService returned null, which is an interface contract violation"); 
  } 
  return loadedUser; 
 } 
 catch (UsernameNotFoundException ex) { 
  mitigateAgainstTimingAttack(authentication); 
  throw ex; 
 } 
 catch (InternalAuthenticationServiceException ex) { 
  throw ex; 
 } 
 catch (Exception ex) { 
  throw new InternalAuthenticationServiceException(ex.getMessage(), ex); 
 } 
} 

這段代碼位于 DaoAuthenticationProvider 類中，為了方便大家理解，我來簡(jiǎn)單說下這段代碼的上下文環(huán)境。

當(dāng)用戶提交用戶名密碼登錄之后，Spring Security 需要根據(jù)用戶提交的用戶名去數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢用戶。

查到用戶對(duì)象之后，再去比對(duì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查到的用戶密碼和用戶提交的密碼之間的差異。

而上面這段代碼就是 Spring Security 根據(jù)用戶登錄時(shí)傳入的用戶名去數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢用戶，并將查到的用戶返回。方法中還有一個(gè) authentication 參數(shù)，這個(gè)參數(shù)里邊保存了用戶登錄時(shí)傳入的用戶名/密碼信息。

那么這段代碼有什么神奇之處呢?

我們來一行一行分析。

源碼梳理

1.首先方法一進(jìn)來調(diào)用了 prepareTimingAttackProtection 方法，從方法名字上可以看出，這個(gè)是為計(jì)時(shí)攻擊的防御做準(zhǔn)備，那么什么又是計(jì)時(shí)攻擊呢?別急，松哥一會(huì)來解釋。我們先來吧流程走完。prepareTimingAttackProtection 方法的執(zhí)行很簡(jiǎn)單，如下：

private void prepareTimingAttackProtection() { 
 if (this.userNotFoundEncodedPassword == null) { 
  this.userNotFoundEncodedPassword = this.passwordEncoder.encode(USER_NOT_FOUND_PASSWORD); 
 } 
} 

該方法就是將常量 USER_NOT_FOUND_PASSWORD 使用 passwordEncoder 編碼之后(如果不了解 passwordEncoder，可以參考 Spring Boot 中密碼加密的兩種姿勢(shì)!一文)，將編碼結(jié)果賦值給 userNotFoundEncodedPassword 變量。

2.接下來調(diào)用 loadUserByUsername 方法，根據(jù)登錄用戶傳入的用戶名去數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢用戶，如果查到了，就將查到的對(duì)象返回。

3.如果查詢過程中拋出 UsernameNotFoundException 異常，按理說直接拋出異常，接下來的密碼比對(duì)也不用做了，因?yàn)楦鶕?jù)用戶名都沒查到用戶，這次登錄肯定是失敗的，沒有必要進(jìn)行密碼比對(duì)操作!

但是大家注意，在拋出異常之前調(diào)用了 mitigateAgainstTimingAttack 方法。這個(gè)方法從名字上來看，有緩解計(jì)時(shí)攻擊的意思。

我們來看下該方法的執(zhí)行流程：

private void mitigateAgainstTimingAttack(UsernamePasswordAuthenticationToken authentication) { 
 if (authentication.getCredentials() != null) { 
  String presentedPassword = authentication.getCredentials().toString(); 
  this.passwordEncoder.matches(presentedPassword, this.userNotFoundEncodedPassword); 
 } 
} 

可以看到，這里首先獲取到登錄用戶傳入的密碼即 presentedPassword，然后調(diào)用 passwordEncoder.matches 方法進(jìn)行密碼比對(duì)操作，本來該方法的第二個(gè)參數(shù)是數(shù)據(jù)庫(kù)查詢出來的用戶密碼，現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有查到用戶，所以第二個(gè)參數(shù)用 userNotFoundEncodedPassword 代替了，userNotFoundEncodedPassword 就是我們一開始調(diào)用 prepareTimingAttackProtection 方法時(shí)賦值的變量。這個(gè)密碼比對(duì)，從一開始就注定了肯定會(huì)失敗，那為什么還要比對(duì)呢?

計(jì)時(shí)攻擊

這就引入了我們今天的主題--計(jì)時(shí)攻擊。

計(jì)時(shí)攻擊是旁路攻擊的一種，在密碼學(xué)中，旁道攻擊又稱側(cè)信道攻擊、邊信道攻擊(Side-channel attack)。

這種攻擊方式并非利用加密算法的理論弱點(diǎn)，也不是暴力破解，而是從密碼系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)中獲取的信息。例如：時(shí)間信息、功率消耗、電磁泄露等額外的信息源，這些信息可被用于對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步破解。

旁路攻擊有多種不同的分類：

• 緩存攻擊(Cache Side-Channel Attacks)，通過獲取對(duì)緩存的訪問權(quán)而獲取緩存內(nèi)的一些敏感信息，例如攻擊者獲取云端主機(jī)物理主機(jī)的訪問權(quán)而獲取存儲(chǔ)器的訪問權(quán)。
• 計(jì)時(shí)攻擊(Timing attack)，通過設(shè)備運(yùn)算的用時(shí)來推斷出所使用的運(yùn)算操作，或者通過對(duì)比運(yùn)算的時(shí)間推定數(shù)據(jù)位于哪個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，或者利用通信的時(shí)間差進(jìn)行數(shù)據(jù)竊取。
• 基于功耗監(jiān)控的旁路攻擊，同一設(shè)備不同的硬件電路單元的運(yùn)作功耗也是不一樣的，因此一個(gè)程序運(yùn)行時(shí)的功耗會(huì)隨著程序使用哪一種硬件電路單元而變動(dòng)，據(jù)此推斷出數(shù)據(jù)輸出位于哪一個(gè)硬件單元，進(jìn)而竊取數(shù)據(jù)。
• 電磁攻擊(Electromagnetic attack)，設(shè)備運(yùn)算時(shí)會(huì)泄漏電磁輻射，經(jīng)過得當(dāng)分析的話可解析出這些泄漏的電磁輻射中包含的信息(比如文本、聲音、圖像等)，這種攻擊方式除了用于密碼學(xué)攻擊以外也被用于非密碼學(xué)攻擊等竊聽行為，如TEMPEST 攻擊。
• 聲學(xué)密碼分析(Acoustic cryptanalysis)，通過捕捉設(shè)備在運(yùn)算時(shí)泄漏的聲學(xué)信號(hào)捉取信息(與功率分析類似)。
• 差別錯(cuò)誤分析，隱密數(shù)據(jù)在程序運(yùn)行發(fā)生錯(cuò)誤并輸出錯(cuò)誤信息時(shí)被發(fā)現(xiàn)。
• 數(shù)據(jù)殘留(Data remanence)，可使理應(yīng)被刪除的敏感數(shù)據(jù)被讀取出來(例如冷啟動(dòng)攻擊)。
• 軟件初始化錯(cuò)誤攻擊，現(xiàn)時(shí)較為少見，行錘攻擊(Row hammer)是該類攻擊方式的一個(gè)實(shí)例，在這種攻擊實(shí)現(xiàn)中，被禁止訪問的存儲(chǔ)器位置旁邊的存儲(chǔ)器空間如果被頻繁訪問將會(huì)有狀態(tài)保留丟失的風(fēng)險(xiǎn)。
• 光學(xué)方式，即隱密數(shù)據(jù)被一些視覺光學(xué)儀器(如高清晰度相機(jī)、高清晰度攝影機(jī)等設(shè)備)捕捉。

所有的攻擊類型都利用了加密/解密系統(tǒng)在進(jìn)行加密/解密操作時(shí)算法邏輯沒有被發(fā)現(xiàn)缺陷，但是通過物理效應(yīng)提供了有用的額外信息(這也是稱為“旁路”的緣由)，而這些物理信息往往包含了密鑰、密碼、密文等隱密數(shù)據(jù)。

而上面 Spring Security 中的那段代碼就是為了防止計(jì)時(shí)攻擊。

具體是怎么做的呢?假設(shè) Spring Security 從數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有查到用戶信息就直接拋出異常了，沒有去執(zhí)行 mitigateAgainstTimingAttack 方法，那么黑客經(jīng)過大量的測(cè)試，再經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些登錄驗(yàn)證耗時(shí)明顯少于其他登錄，進(jìn)而推斷出登錄驗(yàn)證時(shí)間較短的都是不存在的用戶，而登錄耗時(shí)較長(zhǎng)的是數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的用戶。

現(xiàn)在 Spring Security 中，通過執(zhí)行 mitigateAgainstTimingAttack 方法，無(wú)論用戶存在或者不存在，登錄校驗(yàn)的耗時(shí)不會(huì)有明顯差別，這樣就避免了計(jì)時(shí)攻擊。

可能有小伙伴會(huì)說，passwordEncoder.matches 方法執(zhí)行能耗費(fèi)多少時(shí)間呀?這要看你怎么計(jì)時(shí)了，時(shí)間單位越小，差異就越明顯：毫秒(ms)、微秒(µs)、奈秒(ns)、皮秒(ps)、飛秒(fs)、阿秒(as)、仄秒(zs)。

另外，Spring Security 為了安全，passwordEncoder 中引入了一個(gè)概念叫做自適應(yīng)單向函數(shù)，這種函數(shù)故意執(zhí)行的很慢并且消耗大量系統(tǒng)資源，所以非常有必要進(jìn)行計(jì)時(shí)攻擊防御。

關(guān)于自適應(yīng)單向函數(shù)，這是另外一個(gè)故事了，松哥抽空再和小伙伴們聊～

好啦，今天就先和小伙伴們聊這么多，小伙伴們決定有收獲的話，記得點(diǎn)個(gè)在看鼓勵(lì)下松哥哦～

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