Cookie 的安全隱患

第 11 屆 iThome 鐵人賽

DAY 5

Security

我是誰？我在哪？系列第 5 篇

11th鐵人賽

Miles

2019-09-21 22:41:51

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Cookie 固然方便，但畢竟它存在著安全隱患（security pitfalls），使得我們無法隨意地將極機密的資訊保存在 Cookie。

RFC 6265 section 8 提到了 Cookie 的安全注意事項，這都是在做身分驗證需要考慮的問題。

Ambient Authority

RFC 裡提到，Cookie 是一種 Ambient Authority 的形式。如果太依賴 Cookie 做為身分驗證手段的話，會有安全漏洞。主要是因為 User Agent 發送請求時，只要符合 Set-Cookie 的條件，就會夾帶當初設定的資訊。這可能會讓使用者在不知情下，以該使用者的身分執行某些攻擊者想騙使用者做的事。

這問題所引發最常見的攻擊手法即為 Cross-site request forgery，也縮寫作 CSRF 或 XSRF。比方說，Apple 買 iPhone 11 的連結如下：

https://apple.com/buy/iphone11?to=miles

攻擊者只要到處散布下面這個連結到各大社群，只要有人登入狀態還未清除，又不小心點擊到，攻擊者就會收到一隻新的 iPhone 11。

https://apple.com/buy/iphone11?to=attacker

這例子對攻擊者來說，執行起來非常簡單；相對地，對服務器來說，即便做了傳輸層加密，同時也做了 Cookie 屬性設置，依然還是會讓攻擊者得逞。

解決此問題的基本概念是：不能完全依賴 Cookie 作為身分認證方法，必須要額外加上其他認證方法。比方說，在官方的輸入表單產生一個攻擊者無法取得的亂數驗證碼如下：

<input type="hidden" name="_csrf" value="A12DD3BA-2C9B-4D3E-BC3A-8B3143E45B83"/>

在接收表單的時候去確認此亂數驗證碼是剛剛產生的。這樣若是不小心點擊到攻擊者散布的連結，會發生驗證碼比對錯誤，即可避免使用者踩中攻擊者的陷阱。

Clear Text

除非有使用安全通道（secure channel），不然 Cookie 的內容會是用明文傳輸。如果明文傳輸就會有以下問題：

敏感資訊會暴露給竊聽者
中間人攻擊可以很輕易的竄改資訊
User Agent 也可以很輕易的竄改送出的表頭資訊

RFC 裡的建議是，服務器應該對 Cookie 做加密（encrypt）和簽章（sign），即便是使用安全通道也是。只是即便加密和簽章，也無法防止重送攻擊。

需注意的是，如果有使用安全通道的話，則 Cookie 就得加上 Secure 屬性，不然安全通道的保護就沒有意義了。RFC 舉的例子是，攻擊者只要攔截 HTTP 請求，然後重導向使用者到沒有 Secure 屬性站台，並使用 HTTP 協定。即便站台沒有開啟 HTTP 連接埠，User Agent 還是會將該 HTTPS 的 Cookie 夾帶到 HTTP 的請求裡，攻擊者再攔截下來重送到該服務器上，就能偽造該使用者身分進入服務了。時序圖如下：

@startuml
participant Alice
participant Attacker
participant Bob
Alice -> Bob: Request
Bob -> Alice: Response: Set-Cookie: SID=31d4d96e407aad42
Alice --> Attacker: Intercept HTTP Request
Attacker --> Alice: Response: Redirect to Bob by HTTP
Alice --> Attacker: Intercept HTTP Request with Cookie
Attacker --> Bob: Request with Alice Cookie
@enduml

Session Identifier

所有狀態都放在 Cookie，並不是很恰當，一來 Cookie 有容量限制，二來有些機密資訊不適合被保存到 User Agent。因此有一種做法是，第一次來網站，就先發給 User Agent 一個 Cookie 與值，代表一個鑰匙。服務器拿到鑰匙就去打開背後對應的儲存空間，並把機器資料放裡這個儲存空間裡。這時只要儲存空間外面是接觸不到的，就能提高機密資訊的安全性。

時序圖如下：

@startuml
Alice -> Bob: Request: SID=31d4d96e407aad42
Bob -> Storage: Key: 31d4d96e407aad42
Storage -> Bob: Value: Alice secret
@enduml

只是即便如此，還是無法避免 CSRF 或重送攻擊等攻擊手法，而且並且會有其他的攻擊手法如下：

猜測 Session ID（Session Prediction）
竊取 Session ID（Session Hijacking）
固定 Session ID（Session Fixation）

第一種最簡單好理解，當攻擊者猜到 Session ID 就可以立馬以該使用者的身分使用服務。提升安全性的做法是使用適合的亂數產生器與適當的長度，提升攻擊者猜測的難度。

第二種是偷別人的 Session ID，只要偷到了，就能代表該使用者使用服務。經典的攻擊手法像是 Cross-site scripting（XSS） 讓使用者在不知不覺中執行攻擊者的指令碼；而指令碼實際做的事可能就是把 Session ID 傳送給攻擊者的主機。提升安全性的做法是，使用安全通道加上適當的 Cookie 屬性（如 HttpOnly）與 Content Security Policy（CSP） 限制網頁執行 Javascript 的範圍。

第三種則是利用系統 Session ID 固定不變的機制，來欺騙使用者使用攻擊者的 Session ID 登入，使用者登入後，攻擊者即可用使用者登入過的 Session ID 進入系統。攻擊手法的時序圖如下：

@startuml
participant Alice
participant Attacker
participant Bob
Attacker --> Bob: Request
Bob --> Attacker: Response: Set-Cookie: SID=31d4d96e407aad42
Attacker --> Alice: Fake link to using SID=31d4d96e407aad42 login
Alice -> Bob: Request: Cookie: SID=31d4d96e407aad42
Bob -> Alice: Response: SID=31d4d96e407aad42 Login success
Attacker --> Bob: Request: Cookie: SID=31d4d96e407aad42
Bob --> Attacker: Response: SID=31d4d96e407aad42 Login success
@enduml

提升安全性的做法是：系統在未登入轉換到登入後，應該要原本的 Session ID 消滅（如上例的 SID=31d4d96e407aad42），並產生新的 Session ID。如此一來，攻擊者嘗試使用原本的 Session ID 將會得不到任何資料。

Weak Confidentiality

若想在 Cookie 放機敏資訊，RFC 這裡給的提醒是－－千萬不要這麼做！Cookie 不能保證存在裡面的東西不會洩露出去。

RFC 裡面舉的例子就很清楚：雖然不同的 domain 或 path 可以設定不同的 Cookie，但不同的連接埠則會共用同一份 Cookie。這代表不能在同個 domain 上，執行兩個不能互相信任且不同連接埠的服務。

Weak Integrity

Cookie 對於主網域與子網域的資訊，無法保證其完整性。

RFC 裡提到的一個例子是：foo.example.com 可以設定 example.com 的 Cookie，而在 bar.example.com 在取得 Cookie 時，會無法確認這個 Cookie 是 foo 子網域設定的還是 bar 子網域設定的。在這前提下，foo 子網域就能利用這個漏洞對 bar 子網域發出攻擊。

雖然加密或簽章能保護資料不被竄改，但一樣還是會有重送攻擊的問題。