引言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全和隱私問(wèn)題變得愈發(fā)重要。黑客和攻擊者不斷尋找新的攻擊方法，其中之一是時(shí)間序列攻擊（Timing Attack）。時(shí)間序列攻擊是一種側(cè)信道攻擊，攻擊者試圖通過(guò)測(cè)量程序的執(zhí)行時(shí)間來(lái)推斷程序內(nèi)部的信息。

什么是時(shí)間序列攻擊？

時(shí)間序列攻擊，又稱時(shí)序攻擊，是一種利用計(jì)算機(jī)程序或系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間來(lái)推斷內(nèi)部信息的攻擊方法。攻擊者通過(guò)觀察程序的執(zhí)行時(shí)間來(lái)猜測(cè)程序內(nèi)部的敏感信息，例如密碼、密鑰或其他機(jī)密數(shù)據(jù)。時(shí)序攻擊通常是一種側(cè)信道攻擊，因?yàn)楣粽卟恢苯釉L問(wèn)內(nèi)部數(shù)據(jù)，而是通過(guò)側(cè)信道（即程序的執(zhí)行時(shí)間）來(lái)獲取信息。

如何進(jìn)行時(shí)間序列攻擊與防御？

時(shí)間序列攻擊的攻擊者通常執(zhí)行以下步驟：

• 選擇目標(biāo)：攻擊者選擇一個(gè)目標(biāo)，通常是一個(gè)包含敏感信息的系統(tǒng)或程序。
• 構(gòu)建攻擊模型：攻擊者分析目標(biāo)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間，構(gòu)建一個(gè)攻擊模型，以了解如何根據(jù)執(zhí)行時(shí)間來(lái)推斷內(nèi)部信息。
• 執(zhí)行攻擊：攻擊者通過(guò)多次執(zhí)行相同操作，并測(cè)量每次操作的執(zhí)行時(shí)間，來(lái)獲取足夠的時(shí)間數(shù)據(jù)。
• 分析數(shù)據(jù)：攻擊者分析收集到的時(shí)間數(shù)據(jù)，尋找執(zhí)行時(shí)間的差異，以推斷出內(nèi)部信息的可能值。

java模擬時(shí)間序列攻擊

模擬時(shí)間序列攻擊。它通過(guò)在 isEquals 方法中引入時(shí)間延遲，來(lái)模擬攻擊者通過(guò)測(cè)量程序執(zhí)行時(shí)間來(lái)猜測(cè)兩個(gè)字節(jié)數(shù)組的內(nèi)容是否相等。根據(jù)不同的字節(jié)數(shù)組內(nèi)容，程序會(huì)輸出不同的執(zhí)行時(shí)間，以演示如何利用執(zhí)行時(shí)間的差異來(lái)進(jìn)行攻擊

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        // 記錄開(kāi)始時(shí)間
        Long start = System.currentTimeMillis();
        // 調(diào)用isEquals方法比較兩個(gè)字節(jié)數(shù)組的內(nèi)容
        isEquals("adfg".getBytes(), "abcd".getBytes());
        // 計(jì)算并輸出比較 "adfg" >> "abcd" 的時(shí)間差
        System.out.println("比較 adfg  >>  abcd 時(shí)間: " + (System.currentTimeMillis() - start));

        start = System.currentTimeMillis();
        isEquals("abfg".getBytes(), "abcd".getBytes());
        System.out.println("比較 abfg  >>  abcd 時(shí)間: " + (System.currentTimeMillis() - start));

        start = System.currentTimeMillis();
        isEquals("abcg".getBytes(), "abcd".getBytes());
        System.out.println("比較 abcg  >>  abcd 時(shí)間: " + (System.currentTimeMillis() - start));
    }

    // 自定義方法，用于比較兩個(gè)字節(jié)數(shù)組的內(nèi)容
    public static Boolean isEquals(byte[] digesta, byte[] digestb) {
        for (int i = 0; i < digesta.length; i++) {
            // 模擬時(shí)間延遲，每次比較等待100毫秒
            Test.sleep(100L);
            // 如果發(fā)現(xiàn)不同的字節(jié)，返回false，表示內(nèi)容不相等
            if (digesta[i] != digestb[i]) {
                return false;
            }
        }
        // 所有字節(jié)都相等，返回true，表示內(nèi)容相等
        return true;
    }
    
    // 自定義方法，用于讓當(dāng)前線程休眠指定的毫秒數(shù)
    public static void sleep(Long millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

這段代碼模擬了時(shí)間序列攻擊的情景，通過(guò)不同的字節(jié)數(shù)組內(nèi)容和模擬的時(shí)間延遲，演示了如何利用執(zhí)行時(shí)間的差異來(lái)進(jìn)行攻擊。請(qǐng)注意，這種方式只是模擬，實(shí)際的時(shí)間序列攻擊更為復(fù)雜和不道德。

執(zhí)行結(jié)果：

比較 adfg  >>  abcd 時(shí)間: 207
比較 abfg  >>  abcd 時(shí)間: 317
比較 abcg  >>  abcd 時(shí)間: 412

因?yàn)閮蓚€(gè)字符串從左到右相匹配的字節(jié)不同，所以每次進(jìn)行比較的時(shí)間不相等：abcg > abfg > adfg

要防范時(shí)間序列攻擊，可以采取以下措施：

• 實(shí)施時(shí)間恒定的算法：在密碼學(xué)和安全相關(guān)的應(yīng)用中，使用時(shí)間恒定的算法，確保無(wú)論輸入的數(shù)據(jù)如何，執(zhí)行時(shí)間都保持不變。這可以防止攻擊者根據(jù)執(zhí)行時(shí)間來(lái)猜測(cè)敏感信息。
• 引入隨機(jī)性：在比較和處理敏感信息時(shí)，引入隨機(jī)的等待時(shí)間，以干擾攻擊者的時(shí)間測(cè)量。
• 使用受信任的密碼學(xué)庫(kù)：在處理密碼學(xué)操作時(shí)，使用受信任的密碼學(xué)庫(kù)，這些庫(kù)已經(jīng)考慮了時(shí)序攻擊的防護(hù)措施。
• 監(jiān)測(cè)和審計(jì)：定期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間，以檢測(cè)潛在的時(shí)序攻擊。

Java方法更改

public static Boolean isEquals(byte[] digesta, byte[] digestb) {
    Boolean temp = true;
    for (int i = 0; i < digesta.length; i++) {
        Test.sleep(100L);
        if (digesta[i] != digestb[i]) {
            temp = false;
        }
    }
    return temp;
}

全部遍歷，即使兩個(gè)字符串從左到右相匹配的字節(jié)不同，但是比對(duì)次數(shù)相同，故時(shí)間相等：abcg = abfg = adfg

MessageDigest.isEqual() 方法介紹

MessageDigest.isEqual() 方法不是標(biāo)準(zhǔn)Java API 的一部分，而是可能在一些安全庫(kù)或密碼學(xué)庫(kù)中自定義的方法。然而，它的作用是比較兩個(gè)字節(jié)數(shù)組是否相等，通常用于安全相關(guān)的應(yīng)用，以防止時(shí)間序列攻擊（Timing Attack）等側(cè)信道攻擊。

public static boolean isEqual(byte[] digesta, byte[] digestb) {
    if (digesta == digestb) return true;
    if (digesta == null || digestb == null) {
        return false;
    }

    int lenA = digesta.length;
    int lenB = digestb.length;

    if (lenB == 0) {
        return lenA == 0;
    }

    int result = 0;
    result |= lenA - lenB;

    // time-constant comparison
    for (int i = 0; i < lenA; i++) {
        // If i >= lenB, indexB is 0; otherwise, i.
        int indexB = ((i - lenB) >>> 31) * i;
        result |= digesta[i] ^ digestb[indexB];
    }
    return result == 0;
}

這個(gè)方法的主要特點(diǎn)是，它會(huì)在比較兩個(gè)字節(jié)數(shù)組時(shí)采用時(shí)間恒定的比較方式，確保無(wú)論兩個(gè)字節(jié)數(shù)組的內(nèi)容是否相等，執(zhí)行時(shí)間都保持相同。這是為了防止攻擊者通過(guò)測(cè)量執(zhí)行時(shí)間的差異來(lái)猜測(cè)內(nèi)部數(shù)據(jù)。

時(shí)間序列攻擊是一種隱蔽的攻擊方法，可用于推斷內(nèi)部信息，威脅安全和隱私。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該認(rèn)真考慮時(shí)序攻擊，并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以確保敏感信息的保密性和完整性。隨著安全技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以更好地應(yīng)對(duì)這種類型的威脅，保護(hù)我們的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)。時(shí)序攻擊是一個(gè)不斷演變的領(lǐng)域，需要持續(xù)的研究和關(guān)注，以確保我們的安全措施足夠健壯。