跨站請求僞造CSRF防護方法

CSRF(Cross-site request forgery跨站請求僞造，也被稱成爲“one click attack”或者session riding，通常縮寫爲CSRF或者XSRF，是一種對網站的惡意利用。

一、CSRF攻擊原理

CSRF攻擊原理比較簡單，如圖1所示。其中Web A爲存在CSRF漏洞的網站，Web B爲攻擊者構建的惡意網站，User C爲Web A網站的合法用戶。

圖1 CSRF攻擊原理

1. 用戶C打開瀏覽器，訪問受信任網站A，輸入用戶名和密碼請求登錄網站A;

2.在用戶信息通過驗證後，網站A產生Cookie信息並返回給瀏覽器，此時用戶登錄網站A成功，可以正常發送請求到網站A;

3. 用戶未退出網站A之前，在同一瀏覽器中，打開一個TAB頁訪問網站B;

4. 網站B接收到用戶請求後，返回一些攻擊性代碼，併發出一個請求要求訪問第三方站點A;

5. 瀏覽器在接收到這些攻擊性代碼後，根據網站B的請求，在用戶不知情的情況下攜帶Cookie信息，向網站A發出請求。網站A並不知道該請求其實是由B發起的，所以會根據用戶C的Cookie信息以C的權限處理該請求，導致來自網站B的惡意代碼被執行。

二、CSRF漏洞防禦

CSRF漏洞防禦主要可以從三個層面進行，即服務端的防禦、用戶端的防禦和安全設備的防禦。

1、服務端的防禦

.1.1 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。在通常情況下，訪問一個安全受限頁面的請求必須來自於同一個網站。比如某銀行的轉賬是通過用戶訪問http://bank.test/test?page=10&userID=101&money=10000頁面完成，用戶必須先登錄bank.test，然後通過點擊頁面上的按鈕來觸發轉賬事件。當用戶提交請求時，該轉賬請求的Referer值就會是轉賬按鈕所在頁面的URL(本例中，通常是以bank. test域名開頭的地址)。而如果攻擊者要對銀行網站實施CSRF攻擊，他只能在自己的網站構造請求，當用戶通過攻擊者的網站發送請求到銀行時，該請求的Referer是指向攻擊者的網站。因此，要防禦CSRF攻擊，銀行網站只需要對於每一個轉賬請求驗證其Referer值，如果是以bank. test開頭的域名，則說明該請求是來自銀行網站自己的請求，是合法的。如果Referer是其他網站的話，就有可能是CSRF攻擊，則拒絕該請求。

1.2 在請求地址中添加token並驗證

CSRF攻擊之所以能夠成功，是因爲攻擊者可以僞造用戶的請求，該請求中所有的用戶驗證信息都存在於Cookie中，因此攻擊者可以在不知道這些驗證信息的情況下直接利用用戶自己的Cookie來通過安全驗證。由此可知，抵禦CSRF攻擊的關鍵在於：在請求中放入攻擊者所不能僞造的信息，並且該信息不存在於Cookie之中。鑑於此，系統開發者可以在HTTP請求中以參數的形式加入一個隨機產生的token，並在服務器端建立一個攔截器來驗證這個token，如果請求中沒有token或者token內容不正確，則認爲可能是CSRF攻擊而拒絕該請求。

1.3 在HTTP頭中自定義屬性並驗證

自定義屬性的方法也是使用token並進行驗證，和前一種方法不同的是，這裏並不是把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。通過XMLHttpRequest這個類，可以一次性給所有該類請求加上csrftoken這個HTTP頭屬性，並把token值放入其中。這樣解決了前一種方法在請求中加入token的不便，同時，通過這個類請求的地址不會被記錄到瀏覽器的地址欄，也不用擔心token會通過Referer泄露到其他網站。

2、其他防禦方法

1. CSRF攻擊是有條件的，當用戶訪問惡意鏈接時，認證的cookie仍然有效，所以當用戶關閉頁面時要及時清除認證cookie，對支持TAB模式(新標籤打開網頁)的瀏覽器尤爲重要。

2. 儘量少用或不要用request()類變量，獲取參數指定request.form()還是request. querystring ()，這樣有利於阻止CSRF漏洞攻擊，此方法只不能完全防禦CSRF攻擊，只是一定程度上增加了攻擊的難度。

代碼示例：

Java 代碼示例

下文將以 Java 爲例，對上述三種方法分別用代碼進行示例。無論使用何種方法，在服務器端的攔截器必不可少，它將負責檢查到來的請求是否符合要求，然後視結果而決定是否繼續請求或者丟棄。在 Java 中，攔截器是由 Filter 來實現的。我們可以編寫一個 Filter，並在 web.xml 中對其進行配置，使其對於訪問所有需要 CSRF 保護的資源的請求進行攔截。

在 filter 中對請求的 Referer 驗證代碼如下

清單 1. 在 Filter 中驗證 Referer

 // 從 HTTP 頭中取得 Referer 值
 String referer=request.getHeader("Referer");
 // 判斷 Referer 是否以 bank.example 開頭
 if((referer!=null) &&(referer.trim().startsWith(“bank.example”))){
    chain.doFilter(request, response);
 }else{
request.getRequestDispatcher(“error.jsp”).forward(request,response);
 }

以上代碼先取得 Referer 值，然後進行判斷，當其非空並以 bank.example 開頭時，則繼續請求，否則的話可能是 CSRF 攻擊，轉到 error.jsp 頁面。

如果要進一步驗證請求中的 token 值，代碼如下

清單 2. 在 filter 中驗證請求中的 token

HttpServletRequest req = (HttpServletRequest)request;
 HttpSession s = req.getSession();
 // 從 session 中得到 csrftoken 屬性
 String sToken = (String)s.getAttribute(“csrftoken”);
 if(sToken == null){
    // 產生新的 token 放入 session 中
    sToken = generateToken();
    s.setAttribute(“csrftoken”,sToken);
    chain.doFilter(request, response);
 } else{
    // 從 HTTP 頭中取得 csrftoken
    String xhrToken = req.getHeader(“csrftoken”);
    // 從請求參數中取得 csrftoken
    String pToken = req.getParameter(“csrftoken”);
    if(sToken != null && xhrToken != null && sToken.equals(xhrToken)){
        chain.doFilter(request, response);
    }else if(sToken != null && pToken != null && sToken.equals(pToken)){
        chain.doFilter(request, response);
    }else{
request.getRequestDispatcher(“error.jsp”).forward(request,response);
    }
 }

首先判斷 session 中有沒有 csrftoken，如果沒有，則認爲是第一次訪問，session 是新建立的，這時生成一個新的 token，放於 session 之中，並繼續執行請求。如果 session 中已經有 csrftoken，則說明用戶已經與服務器之間建立了一個活躍的 session，這時要看這個請求中有沒有同時附帶這個 token，由於請求可能來自於常規的訪問或是 XMLHttpRequest 異步訪問，我們分別嘗試從請求中獲取 csrftoken 參數以及從 HTTP 頭中獲取 csrftoken 自定義屬性並與 session 中的值進行比較，只要有一個地方帶有有效 token，就判定請求合法，可以繼續執行，否則就轉到錯誤頁面。生成 token 有很多種方法，任何的隨機算法都可以使用，Java 的 UUID 類也是一個不錯的選擇。

除了在服務器端利用 filter 來驗證 token 的值以外，我們還需要在客戶端給每個請求附加上這個 token，這是利用 js 來給 html 中的鏈接和表單請求地址附加 csrftoken 代碼，其中已定義 token 爲全局變量，其值可以從 session 中得到。

清單 3. 在客戶端對於請求附加 token

function appendToken(){
    updateForms();
    updateTags();
 }

 function updateForms() {
    // 得到頁面中所有的 form 元素
    var forms = document.getElementsByTagName('form');
    for(i=0; i<forms.length; i++) {
        var url = forms[i].action;
        // 如果這個 form 的 action 值爲空，則不附加 csrftoken
        if(url == null || url == "" ) continue;
        // 動態生成 input 元素，加入到 form 之後
        var e = document.createElement("input");
        e.name = "csrftoken";
        e.value = token;
        e.type="hidden";
        forms[i].appendChild(e);
    }
 }
 function updateTags() {
    var all = document.getElementsByTagName('a');
    var len = all.length;
    // 遍歷所有 a 元素
    for(var i=0; i<len; i++) {
        var e = all[i];
        updateTag(e, 'href', token);
    }
 }
 function updateTag(element, attr, token) {
    var location = element.getAttribute(attr);
    if(location != null && location != '' '' ) {
        var fragmentIndex = location.indexOf('#');
        var fragment = null;
        if(fragmentIndex != -1){
            //url 中含有隻相當頁的錨標記
            fragment = location.substring(fragmentIndex);
            location = location.substring(0,fragmentIndex);
        }               

        var index = location.indexOf('?');
        if(index != -1) {
            //url 中已含有其他參數
            location = location + '&csrftoken=' + token;
        } else {
            //url 中沒有其他參數
            location = location + '?csrftoken=' + token;
        }
        if(fragment != null){
            location += fragment;
        }
element.setAttribute(attr, location);
    }
 }

在客戶端 html 中，主要是有兩個地方需要加上 token，一個是表單 form，另一個就是鏈接 a。這段代碼首先遍歷所有的 form，在 form 最後添加一隱藏字段，把 csrftoken 放入其中。然後，代碼遍歷所有的鏈接標記 a，在其 href 屬性中加入 csrftoken 參數。注意對於 a.href 來說，可能該屬性已經有參數，或者有錨標記。因此需要分情況討論，以不同的格式把 csrftoken 加入其中。

如果你的網站使用 XMLHttpRequest，那麼還需要在 HTTP 頭中自定義 csrftoken 屬性，利用 dojo.xhr 給 XMLHttpRequest 加上自定義屬性代碼如下：

清單 4. 在 HTTP 頭中自定義屬性

var plainXhr = dojo.xhr;// 重寫 dojo.xhr 方法
 dojo.xhr = function(method,args,hasBody) {
    // 確保 header 對象存在
    args.headers = args.header || {};
    tokenValue = '<%=request.getSession(false).getAttribute("csrftoken")%>';
    var token = dojo.getObject("tokenValue");
    // 把 csrftoken 屬性放到頭中
    args.headers["csrftoken"] = (token) ? token : "  ";
    return plainXhr(method,args,hasBody);
 };

這裏改寫了 dojo.xhr 的方法，首先確保 dojo.xhr 中存在 HTTP 頭，然後在 args.headers 中添加 csrftoken 字段，並把 token 值從 session 裏拿出放入字段中。

PHP代碼示例：

請看下面一個簡單的應用，它允許用戶購買鋼筆或鉛筆。界面上包含下面的表單：

<form action="buy.php" method="POST">
  <p>
  Item:
  <select name="item">
    <option name="pen">pen</option>
    <option name="pencil">pencil</option>
  </select><br />
  Quantity: <input type="text" name="quantity" /><br />
  <input type="submit" value="Buy" />
  </p></form>

下面的buy.php程序處理表單的提交信息：

<?php
  session_start();
  $clean = array();
  if (isset($_REQUEST['item'] && isset($_REQUEST['quantity']))
  {
    /* Filter Input ($_REQUEST['item'], $_REQUEST['quantity']) */
    if (buy_item($clean['item'], $clean['quantity']))
    {
      echo '<p>Thanks for your purchase.</p>';
    }
    else
    {
      echo '<p>There was a problem with your order.</p>';
    }
  }?>

攻擊者會首先使用這個表單來觀察它的動作。例如，在購買了一支鉛筆後，攻擊者知道了在購買成功後會出現感謝信息。注意到這一點後，攻擊者會嘗試通過訪問下面的URL以用GET方式提交數據是否能達到同樣的目的：

http://store.example.org/buy.php?item=pen&quantity=1

如果能成功的話，攻擊者現在就取得了當合法用戶訪問時，可以引發購買的URL格式。在這種情況下，進行跨站請求僞造攻擊非常容易，因爲攻擊者只要引發受害者訪問該URL即可。

請看下面對前例應用更改後的代碼：

php
  session_start();
  $token = md5(uniqid(rand(), TRUE));
  $_SESSION['token'] = $token;
  $_SESSION['token_time'] = time();?>

表單：

<form action="buy.php" method="POST">
  <input type="hidden" name="token" value="<?php echo $token; ?>" />
  <p>
  Item:
  <select name="item">
    <option name="pen">pen</option>
    <option name="pencil">pencil</option>
  </select><br />
  Quantity: <input type="text" name="quantity" /><br />
  <input type="submit" value="Buy" />
  </p></form>

通過這些簡單的修改，一個跨站請求僞造攻擊就必須包括一個合法的驗證碼以完全模仿表單提交。由於驗證碼的保存在用戶的session中的，攻擊者必須對每個受害者使用不同的驗證碼。這樣就有效的限制了對一個用戶的任何攻擊，它要求攻擊者獲取另外一個用戶的合法驗證碼。使用你自己的驗證碼來僞造另外一個用戶的請求是無效的。

該驗證碼可以簡單地通過一個條件表達式來進行檢查：

<?php
  if (isset($_SESSION['token']) && $_POST['token'] == $_SESSION['token'])
  {
    /* Valid Token */
  }?>

你還能對驗證碼加上一個有效時間限制，如5分鐘：

<?php
  $token_age = time() - $_SESSION['token_time'];
  if ($token_age <= 300)
  {
    /* Less than five minutes has passed. */
  }?>

通過在你的表單中包括驗證碼，你事實上已經消除了跨站請求僞造攻擊的風險。可以在任何需要執行操作的任何表單中使用這個流程。

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