CSRF攻击与防御

CSRF是什么

CSRF在百度百科中是这么说的：“CSRF（Cross-site request forgery跨站请求伪造，也被称为“one click attack”或者session riding，通常缩写为CSRF或者XSRF，是一种对网站的恶意利用。尽管听起来像跨站脚本（XSS），但它与XSS非常不同，并且攻击方式几乎相左。XSS利用站点内的信任用户，而CSRF则通过伪装来自受信任用户的请求来利用受信任的网站。与XSS攻击相比，CSRF攻击往往不大流行（因此对其进行防范的资源也相当稀少）和难以防范，所以被认为比XSS更具危险性。”。

CSRF攻击原理

从上图可以看出，要完成一次CSRF攻击，受害者必须依次完成2个步骤

1.登录受信任网站A，并在本地生成Cookie。

2.在不登出A的情况下，访问危险网站B (这个过程完成攻击)

CSRF 举例

CSRF 攻击可以在受害者毫不知情的情况下以受害者名义伪造请求发送给受攻击站点，从而在并未授权的情况下执行在权限保护之下的操作。

比如说，受害者 Bob 在银行有一笔存款，通过对银行的网站发送请求 http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=bob2可以使 Bob 把 1000000 的存款转到 bob2 的账号下。

通常情况下，该请求发送到网站后，服务器会先验证该请求是否来自一个合法的 session，并且该 session 的用户 Bob 已经成功登陆。

黑客 Mallory 自己在该银行也有账户，他知道上文中的 URL 可以把钱进行转帐操作。

Mallory 可以自己发送一个请求给银行：http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=Mallory。但是这个请求来自 Mallory 而非 Bob，他不能通过安全认证，因此该请求不会起作用。

这时，Mallory 想到使用 CSRF 的攻击方式，他先自己做一个网站，在网站中放入如下代码：<img src=”http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=Mallory ” />，并且通过广告等诱使 Bob 来访问他的网站。当 Bob 访问该网站时，上述 url 就会从 Bob 的浏览器发向银行，而这个请求会附带 Bob 浏览器中的 cookie 一起发向银行服务器。大多数情况下，该请求会失败，因为他要求 Bob 的认证信息。

但是，如果 Bob 当时恰巧刚访问他的银行后不久，他的浏览器与银行网站之间的 session 尚未过期，浏览器的 cookie 之中含有 Bob 的认证信息。

这时，悲剧发生了，这个 url 请求就会得到响应，钱将从 Bob 的账号转移到 Mallory 的账号，而 Bob 当时毫不知情。等以后 Bob 发现账户钱少了，即使他去银行查询日志，他也只能发现确实有一个来自于他本人的合法请求转移了资金，没有任何被攻击的痕迹。而 Mallory 则可以拿到钱后逍遥法外。

CSRF 防御

对于Web应用来说可以有以下几种方案：

1）验证 HTTP Referer 字段

　　根据 HTTP 协议，在 HTTP 头中有一个字段叫 Referer，它记录了该 HTTP 请求的来源地址。在通常情况下，访问一个安全受限页面的请求来自于同一个网站，比如需要访问 http://bank.example/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=Mallory，用户必须先登陆 bank.example，然后通过点击页面上的按钮来触发转账事件。这时，该转帐请求的 Referer 值就会是转账按钮所在的页面的 URL，通常是以 bank.example 域名开头的地址。而如果黑客要对银行网站实施 CSRF 攻击，他只能在他自己的网站构造请求，当用户通过黑客的网站发送请求到银行时，该请求的 Referer 是指向黑客自己的网站。因此，要防御 CSRF 攻击，银行网站只需要对于每一个转账请求验证其 Referer 值，如果是以 bank.example 开头的域名，则说明该请求是来自银行网站自己的请求，是合法的。如果 Referer 是其他网站的话，则有可能是黑客的 CSRF 攻击，拒绝该请求。

　　这种方法的显而易见的好处就是简单易行，网站的普通开发人员不需要操心 CSRF 的漏洞，只需要在最后给所有安全敏感的请求统一增加一个拦截器来检查 Referer 的值就可以。特别是对于当前现有的系统，不需要改变当前系统的任何已有代码和逻辑，没有风险，非常便捷。

　　然而，这种方法并非万无一失。Referer 的值是由浏览器提供的，虽然 HTTP 协议上有明确的要求，但是每个浏览器对于 Referer 的具体实现可能有差别，并不能保证浏览器自身没有安全漏洞。使用验证 Referer 值的方法，就是把安全性都依赖于第三方（即浏览器）来保障，从理论上来讲，这样并不安全。事实上，对于某些浏览器，比如 IE6 或 FF2，目前已经有一些方法可以篡改 Referer 值。如果 bank.example 网站支持 IE6 浏览器，黑客完全可以把用户浏览器的 Referer 值设为以 bank.example 域名开头的地址，这样就可以通过验证，从而进行 CSRF 攻击。

　　即便是使用最新的浏览器，黑客无法篡改 Referer 值，这种方法仍然有问题。因为 Referer 值会记录下用户的访问来源，有些用户认为这样会侵犯到他们自己的隐私权，特别是有些组织担心 Referer 值会把组织内网中的某些信息泄露到外网中。因此，用户自己可以设置浏览器使其在发送请求时不再提供 Referer。当他们正常访问银行网站时，网站会因为请求没有 Referer 值而认为是 CSRF 攻击，拒绝合法用户的访问。

2）在请求地址中添加 token 并验证

　　CSRF 攻击之所以能够成功，是因为黑客可以完全伪造用户的请求，该请求中所有的用户验证信息都是存在于 cookie 中，因此黑客可以在不知道这些验证信息的情况下直接利用用户自己的 cookie 来通过安全验证。要抵御 CSRF，关键在于在请求中放入黑客所不能伪造的信息，并且该信息不存在于 cookie 之中。可以在 HTTP 请求中以参数的形式加入一个随机产生的 token，并在服务器端建立一个拦截器来验证这个 token，如果请求中没有 token 或者 token 内容不正确，则认为可能是 CSRF 攻击而拒绝该请求。

　　这种方法要比检查 Referer 要安全一些，token 可以在用户登陆后产生并放于 session 之中，然后在每次请求时把 token 从 session 中拿出，与请求中的 token 进行比对，但这种方法的难点在于如何把 token 以参数的形式加入请求。对于 GET 请求，token 将附在请求地址之后，这样 URL 就变成 http://url?csrftoken=tokenvalue。 而对于 POST 请求来说，要在 form 的最后加上 <input type=”hidden” name=”csrftoken” value=”tokenvalue”/>，这样就把 token 以参数的形式加入请求了。但是，在一个网站中，可以接受请求的地方非常多，要对于每一个请求都加上 token 是很麻烦的，并且很容易漏掉，通常使用的方法就是在每次页面加载时，使用 javascript 遍历整个 dom 树，对于 dom 中所有的 a 和 form 标签后加入 token。这样可以解决大部分的请求，但是对于在页面加载之后动态生成的 html 代码，这种方法就没有作用，还需要程序员在编码时手动添加 token。

　　该方法还有一个缺点是难以保证 token 本身的安全。特别是在一些论坛之类支持用户自己发表内容的网站，黑客可以在上面发布自己个人网站的地址。由于系统也会在这个地址后面加上 token，黑客可以在自己的网站上得到这个 token，并马上就可以发动 CSRF 攻击。为了避免这一点，系统可以在添加 token 的时候增加一个判断，如果这个链接是链到自己本站的，就在后面添加 token，如果是通向外网则不加。不过，即使这个 csrftoken 不以参数的形式附加在请求之中，黑客的网站也同样可以通过 Referer 来得到这个 token 值以发动 CSRF 攻击。这也是一些用户喜欢手动关闭浏览器 Referer 功能的原因。

3）在 HTTP 头中自定义属性并验证

　　这种方法也是使用 token 并进行验证，和上一种方法不同的是，这里并不是把 token 以参数的形式置于 HTTP 请求之中，而是把它放到 HTTP 头中自定义的属性里。通过 XMLHttpRequest 这个类，可以一次性给所有该类请求加上 csrftoken 这个 HTTP 头属性，并把 token 值放入其中。这样解决了上种方法在请求中加入 token 的不便，同时，通过 XMLHttpRequest 请求的地址不会被记录到浏览器的地址栏，也不用担心 token 会透过 Referer 泄露到其他网站中去。

　　然而这种方法的局限性非常大。XMLHttpRequest 请求通常用于 Ajax 方法中对于页面局部的异步刷新，并非所有的请求都适合用这个类来发起，而且通过该类请求得到的页面不能被浏览器所记录下，从而进行前进，后退，刷新，收藏等操作，给用户带来不便。另外，对于没有进行 CSRF 防护的遗留系统来说，要采用这种方法来进行防护，要把所有请求都改为 XMLHttpRequest 请求，这样几乎是要重写整个网站，这代价无疑是不能接受的。

Tomcat中的CsrfPreventionFilter

/*
 * Licensed to the Apache Software Foundation (ASF) under one or more
 * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
 * this work for additional information regarding copyright ownership.
 * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
 * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
 * the License.  You may obtain a copy of the License at
 *
 *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * 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);
　　　　　　　// 对请求进行验证
            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);
            }
            // 为下一次请求，生成一个随机数放在URL中
            String newNonce = generateNonce();
            // 同时将随机数存储在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);
            }
        }
    }
}