阐述 JavaScript 中的 Side-Channel Attacks (旁路攻击)，例如缓存定时攻击 (Cache Timing Attack) 在浏览器环境中的潜在风险。

admin
Sat, 26 Jul 2025 18:49:05 +0000
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各位观众老爷们，早上好！欢迎来到“前端安全那些坑”系列讲座。今天咱们聊点刺激的，聊聊JavaScript中的旁路攻击，特别是那个让人又爱又恨的缓存定时攻击。 什么是旁路攻击？别想歪了啊！ 别看名字挺高大上，其实旁路攻击就是指通过观察程序的外部行为（比如执行时间、功耗、电磁辐射等等）来推断程序内部的秘密信息。它不直接破解加密算法，而是偷偷摸摸地从程序的“侧面”下手，所以叫“旁路”。 想象一下，你是一个小偷，你想知道邻居的保险箱密码。你不会直接去撬锁，而是偷偷观察他每次输入密码的动作，比如哪个数字按得特别慢，哪个数字按得特别用力，时间长了，你就能猜出密码了。旁路攻击就是干的类似的事情。 缓存定时攻击：时间就是金钱（或者说密钥） 在各种旁路攻击中，缓存定时攻击（Cache Timing Attack）算是比较经典的一种。它的原理是利用CPU缓存的特性：访问缓存中的数据比访问内存中的数据要快得多。如果一个程序在处理敏感数据时，会根据数据的不同而访问不同的缓存位置，那么通过测量访问这些位置的时间，就有可能推断出敏感数据的内容。 浏览器环境下的缓存定时攻击：前端也危险？ 你可能会觉得，缓存定时攻击 …

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各位观众老爷们，早上好！欢迎来到“前端安全那些坑”系列讲座。今天咱们聊点刺激的，聊聊JavaScript中的旁路攻击，特别是那个让人又爱又恨的缓存定时攻击。

什么是旁路攻击？别想歪了啊！

别看名字挺高大上，其实旁路攻击就是指通过观察程序的外部行为（比如执行时间、功耗、电磁辐射等等）来推断程序内部的秘密信息。它不直接破解加密算法，而是偷偷摸摸地从程序的“侧面”下手，所以叫“旁路”。

想象一下，你是一个小偷，你想知道邻居的保险箱密码。你不会直接去撬锁，而是偷偷观察他每次输入密码的动作，比如哪个数字按得特别慢，哪个数字按得特别用力，时间长了，你就能猜出密码了。旁路攻击就是干的类似的事情。

缓存定时攻击：时间就是金钱（或者说密钥）

在各种旁路攻击中，缓存定时攻击（Cache Timing Attack）算是比较经典的一种。它的原理是利用CPU缓存的特性：访问缓存中的数据比访问内存中的数据要快得多。如果一个程序在处理敏感数据时，会根据数据的不同而访问不同的缓存位置，那么通过测量访问这些位置的时间，就有可能推断出敏感数据的内容。

浏览器环境下的缓存定时攻击：前端也危险？

你可能会觉得，缓存定时攻击听起来很高深，跟前端JavaScript有什么关系？别忘了，现代浏览器为了提高性能，也大量使用了缓存。这就给缓存定时攻击提供了可乘之机。

JavaScript能干啥？

虽然JavaScript不像C/C++那样可以直接操作内存，但它仍然可以通过一些技巧来测量代码的执行时间，从而间接地观察CPU缓存的行为。

风险一：密码破解（没那么容易，但也不是不可能）

最直接的风险就是破解密码。假设你用JavaScript实现了一个简单的密码验证功能：

function checkPassword(userInput, correctPassword) {
  if (userInput.length !== correctPassword.length) {
    return false; // 长度不同，直接失败
  }

  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    if (userInput[i] !== correctPassword[i]) {
      return false; // 有一个字符不同，直接失败
    }
  }

  return true; // 所有字符都相同，成功
}

// 例子：
const correctPassword = "SecretPassword";

// 攻击者可以尝试各种输入，并测量checkPassword的执行时间
// 例如，尝试输入"A" + "xxxxxxxxxxxxx" , "B" + "xxxxxxxxxxxxx"  ...
// 如果输入"S" + "xxxxxxxxxxxxx"时，执行时间明显变长，说明第一个字符很可能是"S"
// 然后再尝试"SA" + "xxxxxxxxxxxx", "SB" + "xxxxxxxxxxxx" ...，以此类推

这段代码看起来很安全，但实际上存在缓存定时攻击的风险。如果userInput和correctPassword的长度不同，函数会立即返回false，速度很快。但是，如果长度相同，函数会逐个字符比较。如果第一个字符相同，那么会继续比较第二个字符，以此类推。

攻击者可以通过不断尝试不同的输入，并测量checkPassword函数的执行时间，来推断correctPassword的每一个字符。如果某个字符猜测正确，那么比较操作会执行更多次，导致执行时间变长。

攻击流程（简化版）：

1. 猜测第一个字符： 攻击者尝试输入 "Axxxxxxxxxxxxx", "Bxxxxxxxxxxxxx", "Cxxxxxxxxxxxxx" …，并测量每次 checkPassword 的执行时间。

2. 分析时间： 如果发现输入 "Sxxxxxxxxxxxxx" 时，执行时间明显变长，那么攻击者就可以推断出密码的第一个字符很可能是 "S"。

3. 猜测第二个字符： 接下来，攻击者尝试输入 "SAxxxxxxxxxxxx", "SBxxxxxxxxxxxx", "SCxxxxxxxxxxxx" …，并重复上述步骤。

4. 重复上述过程： 不断重复上述过程，直到推断出整个密码。

代码演示：攻击代码（模拟）

function timeCheck(func, input) {
  const start = performance.now();
  func(input, correctPassword); // 假设 correctPassword 在全局作用域
  const end = performance.now();
  return end - start;
}

function attack() {
  const passwordLength = correctPassword.length;
  let guessedPassword = "";

  for (let i = 0; i < passwordLength; i++) {
    let bestChar = "";
    let longestTime = 0;

    for (let charCode = 32; charCode < 127; charCode++) { // 尝试 ASCII 码 32 到 126 的字符
      const char = String.fromCharCode(charCode);
      const testInput = guessedPassword + char + "*".repeat(passwordLength - guessedPassword.length - 1);
      const time = timeCheck(checkPassword, testInput);

      if (time > longestTime) {
        longestTime = time;
        bestChar = char;
      }
    }

    guessedPassword += bestChar;
    console.log(`Guessed password so far: ${guessedPassword}`);
  }

  console.log(`Final guessed password: ${guessedPassword}`);
}

// 注意：这段代码只是模拟攻击，实际攻击会更复杂，需要考虑各种误差和优化
// 需要定义 checkPassword 和 correctPassword

表格：密码破解风险评估

攻击难度 | 攻击成本 | 成功率 | 影响
中等 | 低 | 中等 (取决于密码复杂度) | 密码泄露

风险二：密钥泄露（更可怕）

除了密码，一些Web应用还会使用密钥来进行身份验证或者数据加密。如果密钥在JavaScript代码中处理不当，也可能受到缓存定时攻击的威胁。

例如，假设你用JavaScript实现了一个简单的AES加密功能：

// 注意：这只是一个简单的示例，实际的加密算法会更复杂
function encrypt(data, key) {
  let result = "";
  for (let i = 0; i < data.length; i++) {
    const dataCharCode = data.charCodeAt(i);
    const keyCharCode = key.charCodeAt(i % key.length);
    result += String.fromCharCode(dataCharCode ^ keyCharCode); // 异或运算
  }
  return result;
}

// 例子：
const key = "MySecretKey";
const data = "SensitiveData";
const encryptedData = encrypt(data, key);

这段代码看起来很简单，但实际上也存在缓存定时攻击的风险。encrypt 函数会逐个字符地对数据和密钥进行异或运算。如果密钥的某些部分经常被使用，那么这些部分可能会被缓存在CPU缓存中。攻击者可以通过测量encrypt函数的执行时间，来推断密钥的内容。

攻击流程（简化版）：

1. 构造特殊数据： 攻击者构造一些特殊的数据，使得encrypt函数在处理这些数据时，会频繁地访问密钥的某些特定部分。

2. 测量时间： 攻击者测量encrypt函数处理这些特殊数据时的执行时间。

3. 分析缓存行为： 攻击者分析执行时间的变化，推断密钥的哪些部分被缓存在CPU缓存中。

4. 推断密钥： 根据缓存行为，攻击者推断密钥的内容。

代码演示：攻击代码（模拟）

// 模拟密钥访问
function simulateKeyAccess(key, index) {
  // 模拟访问 key[index] 的操作，可能会触发缓存行为
  const temp = key.charCodeAt(index % key.length);
  return temp;
}

// 攻击函数，尝试推断密钥的某个字符
function attackKey(keyLength, index) {
  let longestTime = 0;
  let bestGuess = 0;

  for (let charCode = 0; charCode < 256; charCode++) {
    // 构造一个数据，使得 encrypt 函数在处理这个数据时，会频繁地访问 key[index]
    const data = String.fromCharCode(charCode).repeat(1000);

    const start = performance.now();
    simulateKeyAccess(correctKey, index); // 模拟访问密钥
    const end = performance.now();
    const time = end - start;

    if (time > longestTime) {
      longestTime = time;
      bestGuess = charCode;
    }
  }

  console.log(`Guessed key character at index ${index}: ${String.fromCharCode(bestGuess)}`);
}

// 执行攻击
function runAttack() {
  const keyLength = correctKey.length;
  for (let i = 0; i < keyLength; i++) {
    attackKey(keyLength, i);
  }
}

// 需要定义 correctKey

表格：密钥泄露风险评估

攻击难度 | 攻击成本 | 成功率 | 影响
较高 | 中等 | 中等 (取决于密钥的使用方式) | 密钥泄露，数据泄露

风险三：其他敏感信息泄露（脑洞大开）

除了密码和密钥，缓存定时攻击还可以用来泄露其他敏感信息，比如用户ID、会话令牌等等。只要这些信息在JavaScript代码中被处理，就有可能受到缓存定时攻击的威胁。

例如，假设你的Web应用使用了一个简单的会话管理机制：

// 模拟会话ID验证
function validateSessionId(sessionId) {
  // 假设 sessionIdList 是一个存储有效会话ID的数组
  for (let i = 0; i < sessionIdList.length; i++) {
    if (sessionId === sessionIdList[i]) {
      return true; // 会话ID有效
    }
  }
  return false; // 会话ID无效
}

攻击者可以通过测量validateSessionId函数的执行时间，来判断一个会话ID是否有效。如果会话ID有效，那么循环会执行更多次，导致执行时间变长。

防御措施：亡羊补牢，犹未晚矣

既然缓存定时攻击这么可怕，那么我们该如何防御呢？

1. 避免在JavaScript中处理敏感数据： 这是最有效的防御方法。尽量将敏感数据的处理放在服务器端进行，避免在客户端暴露敏感信息。

2. 使用安全的加密算法： 选择经过严格审查的加密算法，并确保正确使用。避免使用自定义的加密算法，因为这些算法很可能存在安全漏洞。

3. 恒定时间算法（Constant-Time Algorithms）： 设计算法时，要尽量保证执行时间与输入数据无关。例如，在比较密码时，不要使用短路逻辑，而是要始终比较所有字符。

// 改进后的密码验证函数（恒定时间）
function constantTimeCheckPassword(userInput, correctPassword) {
  let result = true;
  if (userInput.length !== correctPassword.length) {
    return false;
  }

  let diff = 0; // 使用一个变量来记录差异
  for (let i = 0; i < correctPassword.length; i++) {
    diff |= userInput.charCodeAt(i) ^ correctPassword.charCodeAt(i); // 使用位运算，避免短路
  }

  return diff === 0; // 只有所有字符都相同时，diff 才为 0
}

4. 混淆代码： 使用代码混淆工具，可以增加攻击者分析代码的难度。但是，代码混淆并不能完全阻止攻击，只能起到一定的延缓作用。

5. 限制定时器的精度： 现代浏览器通常会限制performance.now()等定时器的精度，以降低缓存定时攻击的风险。

6. Content Security Policy (CSP): 使用 CSP 可以限制JavaScript代码的执行权限，降低攻击的风险。

7. 定期安全审计： 定期对Web应用进行安全审计，及时发现和修复安全漏洞。

表格：防御措施总结

防御措施 | 优点 | 缺点
避免在JavaScript中处理敏感数据 | 最有效 | 可能会增加服务器端的负担
使用安全的加密算法 | 提高安全性 | 需要选择合适的算法和正确使用
恒定时间算法 | 可以防止缓存定时攻击 | 可能会降低性能
混淆代码 | 增加攻击难度 | 不能完全阻止攻击
限制定时器的精度 | 降低攻击风险 | 可能会影响一些需要高精度定时的功能
Content Security Policy (CSP) | 限制JavaScript代码的执行权限 | 需要正确配置
定期安全审计 | 及时发现和修复安全漏洞 | 需要投入人力和时间

总结：安全无小事，防患于未然

缓存定时攻击是一种隐蔽而危险的攻击方式，它可以利用CPU缓存的特性来泄露敏感信息。虽然JavaScript不像C/C++那样可以直接操作内存，但它仍然可以通过一些技巧来测量代码的执行时间，从而间接地观察CPU缓存的行为。因此，在开发Web应用时，一定要注意防范缓存定时攻击，避免在JavaScript中处理敏感数据，使用安全的加密算法，并采取其他必要的防御措施。

记住，安全无小事，防患于未然！

最后的彩蛋：

虽然我们今天讲了很多关于缓存定时攻击的风险，但是也要记住，完全消除这种风险几乎是不可能的。我们能做的就是尽量降低风险，并做好应对突发情况的准备。

希望今天的讲座对大家有所帮助。谢谢大家！