37 边界，信任的分水岭 边界是信息安全里一个重要的概念。如果不能清晰地界定信任的边界，并且有效地守护好这个边界，那么编写安全的代码几乎就是一项不可能完成的任务。
评审案例
计算机之间的通信，尤其是建立在非可靠连接之上的通信，如果我们能够知道对方是否处于活跃状态，会大幅度地提升通信效率。在传输层安全通信的场景下，这种检测对方活跃状态的协议，叫做心跳协议。
心跳协议的基本原理，就是发起方给对方发送一段检测数据，如果对方能原封不动地把检测数据都送回，就证明对方处于活跃状态。
下面的数据结构，定义的就是包含检测数据的通信消息。 struct { HeartbeatMessageType type; uint16 payload_length; opaque payload[HeartbeatMessage.payload_length]; opaque padding[padding_length]; } HeartbeatMessage;
其中，type是一个字节，表明心跳检测的类型；payload_length使用两个字节，定义的是检测数据的长度；payload的字节数由payload_length确定，它携带的是检测数据；padding是随机的填充数据，最少16个字节。
如果愿意回应心跳请求，接收方就拷贝检测数据（payload_length和payload），并把它封装在同样的数据结构里。
下面的这段代码（函数process_heartbeat，为便于阅读，在源代码基础上有修改），就是接收方处理心跳请求的C语言代码。你能看出其中的问题吗？ int process_heartbeat( unsigned char/* request, unsigned int request_length) { unsigned char /p = request, /pl; unsigned short hbtype; unsigned int payload_length; unsigned int padding_length = 16; //* Use minimum padding // // Read type and payload length first // hbtype = /p++; payload_length = ((unsigned int)(/p++)) « 8L | ((unsigned int)(/p++)); pl = p; // produce response heaetbeat message unsigned char /response, /bp; //* Allocate memory for the response, size is 1 bytes /* message type, plus 2 bytes payload length, plus /* payload, plus padding // response = malloc(1 + 2 + payload_length + padding_length); bp = response; // Enter response type, length and copy payload // /bp++ = 1; //* 1: response heartbeat type // /bp++ = (unsigned char)((payload_length » 8L) & 0xff); /*bp++ = (unsigned char)((payload_length ) & 0xff); memcpy(bp, pl, payload_length); bp += payload_length; // snipped return 0; }
上面这段代码，读取了请求的payload_length字段，然后按照payload_length的大小，分配了一段内存。然后，从请求数据的payload指针开始，拷贝了和payload_length一样大小的一段数据。这段数据，就是要回应给请求方的检测数据。 按照协议，这段数据应该和请求信息的检测数据一模一样。
比如说吧，如果心跳请求的数据是： type: 0x01 payload_length: 0x00, 0x05 // 5 payload: {0x68, 0x65, 0x6c, 0x6c, 0x6f}; // ‘hello’ padding: {0xCF, 0xED, …};
按照协议和上面实现的代码，心跳请求的回应数据应该是：
type: 0x01 payload_length: 0x00, 0x05 // 5 payload: {0x68, 0x65, 0x6c, 0x6c, 0x6f}; // ‘hello’ padding: {0x07, 0x91, …};
这看起来很美好，是吧？ 可是，如果请求方心有图谋，在心跳请求数据上动了手脚，问题就来了。比如说吧，还是类似的心跳请求，但是payload_length的大小和真实的payload大小不相符合。下面的这段请求数据，检测数据还是只有5个字节，但是payload_length字段使用了一个大于5的数字。
type: 0x01 payload_length: 0x04, 0x00 // 1024 payload: {0x68, 0x65, 0x6c, 0x6c, 0x6f}; // hello padding: {0xCF, 0xED, …};
按照协议的本意，这不是一个合法的心跳请求。上面处理心跳请求的代码，不能识别出这是一个不合法的请求，依旧完成了心跳请求的回应。
type: 0x01 payload_length: 0x04, 0x00 // 1024 payload: {0x68, 0x65, 0x6c, 0x6c, 0x6f, // ‘hello 0xCF, 0xED, … // request padding 0x70, 0x72, 0x69, 0x76, 0x69, 0x76, 0x61, 0x74, 0x65, 0x20, 0x6b, 0x65, 0x79, 0x20, … }; // private key “…” padding: {0x07, 0x91, …};
心跳请求的真实检测数据只有5个字节，返回检测数据有1024个字节，这中间有1019个字节的差距。这1019个字节从哪儿来呢？由于代码使用了memcpy()函数，这1019个字节就是从payload指针（pl）后面的内存中被读取出来的。这些内存中可能包含很多敏感信息，比如密码的私钥，用户的社会保障号等等。
这就是著名的心脏滴血漏洞（Heartbleed），这个漏洞出现在OpenSSL的代码里。2014年4月7日，OpenSSL发布了这个漏洞的修复版。由于OpenSSL的广泛使用，有大批的产品和服务需要升级到修复版，而升级需要时间。修复版刚刚发布，像猎食者一样的黑客抢在产品和服务的升级完成之前，马上就展开了攻击。赛跑立即展开！仅隔一天，2014年4月8日，加拿大税务局遭受了长达6个小时的攻击，大约有900人的社会保障号被泄漏。2014年4月14日，英国育儿网站Mumsnet有几个用户帐户被劫持，其中包括了其首席执行官的账户。2014年8月，一家世界500强医疗服务机构透露，心脏滴血漏洞公开一周后，他们的系统遭受攻击，导致四百五十万条医疗数据被泄漏。
- 【图片来自http://heartbleed.com/， https://en.wikipedia.org/wiki/Heartbleed/#/media/File:Heartbleed.svg】
案例分析
没有检查和拒绝不合法的请求，是心脏滴血漏洞出现的根本原因。这个漏洞的修复也很简单，增加检查心跳请求的数据结构是否合法的代码就行了。
下面的代码就是修复后的版本。修复后的代码，加入了对心跳请求payload_length的检查。 int process_heartbeat( unsigned char/* request, unsigned int request_length) { unsigned char /p = request, /pl; unsigned short hbtype; unsigned int payload_length; unsigned int padding_length = 16; //* Use minimum padding // // Read type and payload length first // if (1 + 2 + 16 > request_length) { // silently discard // return 0; } hbtype = /p++; payload_length = ((unsigned int)(/p++)) « 8L | ((unsigned int)(/p++)); if (1 + 2 + payload_length + 16 > request_length) { //* silently discard // return 0; } pl = p; // produce response heaetbeat message unsigned char /response, /bp; // Allocate memory for the response, size is 1 bytes /* message type, plus 2 bytes payload length, plus /* payload, plus padding // response = malloc(1 + 2 + payload_length + padding_length); bp = response; // Enter response type, length and copy payload // /bp++ = 1; //* 1: response heartbeat type // /bp++ = (unsigned char)((payload_length » 8L) & 0xff); /*bp++ = (unsigned char)((payload_length ) & 0xff); memcpy(bp, pl, payload_length); bp += payload_length; // snipped return 0; }
如果比较下process_heartbeat()函数修复前后的实现代码，我们就会发现修复前的危险性主要来自于两点：
- 没有检查外部数据的合法性（payload_length和payload）；
- 内存的分配和拷贝依赖于外部的未校验数据（malloc和memcpy）。
这两点都违反了一条基本的安全编码原则，我们在前面提到过这条原则，那就是：跨界的数据不可信任。
信任的边界
不知道你有没有这样的疑问：类似于memcpy()函数，如果process_heartbeat()函数的传入参数request_length的数值，大于传入参数request实际拥有的数据量，这个函数不是还有内存泄漏问题吗？
如果独立地看上面的代码，这样的问题是有可能存在的。但是，process_heartbeat()是OpenSSL的一个内部函数，它的调用代码，已经检查过request容量和request_length的匹配问题。所以，在process_heartbeat()的实现代码里，我们就不再操心这个匹配的问题了。
对一个函数来说，到底哪些传入参数应该检查，哪些传入参数不需要检查？这的确是一个让人头疼的问题。
一般来说，对于代码内部产生的数据，我们可以信任它们的合法性；而对于外部传入的数据，就不能信任它们的合法性了。外部数据，需要先检验，再使用。
区分内部数据、外部数据的依据，就是数据的最原始来源，而不是数据在代码中的位置。
比如下面的示意图，标明的就是一些典型的数据检查点。 其中小写字母代表数据，大写字母标示的方框代表函数或者方法，数字代表检查点，箭头代表数据流向。
- 数据a是一个外部输入数据，函数A使用数据a之前，需要校验它的合法性（检查点1）。
- 数据b是一个外部输入数据，函数A使用数据b之前，完全校验了它的合法性（检查点2）。函数A内部调用的函数B在使用数据b时，就不再需要检查它的合法性了。
- 数据c是一个外部输入数据，函数A使用数据c之前，部分校验了它的合法性（检查点3）。函数A只能使用校验了合法性的部分数据。函数A内部调用的函数B在使用数据c时，如果需要使用未被检验部分的数据，还要检查它的未被校验部分的合法性（检查点4）。
- 数据d是一个外部输入数据，函数A使用数据d之前，部分校验了它的合法性（检查点5）。函数A内部调用的函数B，没有使用该数据，但是把该数据传送给了函数C。函数C在使用数据d时，如果需要使用未被检验部分的数据，还要检查它的未被校验部分的合法性（检查点6）。
- 数据e和f是一个内部数据，函数C使用内部数据时，不需要校验它的合法性。
- 数据g是一个内部数据，由函数A产生，并且输出到外部。这时候，不需要检验数据g的合法性，但是需要防护输出数据的变化对内部函数A状态的影响（防护点7）。
原则上，对于外部输入数据的合法性，我们要尽早校验，尽量全面校验。但是有时候，只有把数据分解到一定程度之后，我们才有可能完成对数据的全面校验，这时候就比较容易造成数据校验遗漏。
我们上面讨论过的心脏滴血漏洞，就有点像数据d的用例，调用关系多了几层，数据校验的遗漏就难以察觉了。
哪些是外部数据？
你是不是还有一个疑问：为什数据e和f对函数C来说，就不算是外部数据了？它们明明是函数C的外部输入数据呀！
当我们说跨界的数据时，这些数据指的是一个系统边界外部产生的数据。如果我们把函数A、函数B和函数C看成一个系统，那么数据e和数据f就是这个系统边界内部产生的数据。内部产生的数据，一般是合法的，要不然就存在代码的逻辑错误；内部产生的数据，一般也是安全的，不会故意嵌入攻击性逻辑。所以，为了编码和运行的效率，我们一般会选择信任内部产生的数据。
一般的编码环境下，我们需要考量四类外部数据：
- 用户输入数据（配置信息、命令行输入，用户界面输入等）；
- I/O输入数据（TCP/UDP连接，文件I/O）；
- 公开接口输入数据；
- 公开接口输出数据。
我想，前三类外部数据都容易理解。第四类公开接口输出数据，不是内部数据吗？怎么变成需要考量的外部数据了？我们在前面的章节讨论过这个问题。
公开接口的输出数据，其实是把内部数据外部化了。如果输出数据是共享的可变量（比如没有深拷贝的集合和数组），那么外部的代码就可以通过修改输出数据，进而影响原接口的行为。这也算是一种意料之外的“输入”。
需要注意的是，公开接口的规范，要标明可变量的处理方式。要不然，调用者就不清楚可不可以修改可变量。
让调用者猜测公开接口的行为，会埋下兼容性的祸根。
比如下面的例子，就是两个Java核心类库的公开方法。这两个方法，对于传入、传出的可变量（数组）都做了拷贝，并且在接口规范里声明了变量拷贝。
package javax.net.ssl; // snipped public class SSLParameters { private String[] applicationProtocols = new String[0]; // snipped /// /* Returns a prioritized array of application-layer protocol names /* that can be negotiated over the SSL/TLS/DTLS protocols. /*
从上面的例子中，我们也可以体会到，公开接口的编码要比内部接口的编码复杂得多。因为我们无法预料接口的使用者会怎么创造性地使用这些接口。公开接口的实现一般要慎重地考虑安全防护措施，这让公开接口的设计、规范和实现都变得很复杂。从这个意义上来说，我们也需要遵守在第二部分“经济的代码”里谈到的原则：接口要简单直观。
小结
通过对这个案例的讨论，我想和你分享下面两点个人看法。
- 外部输入数据，需要检查数据的合法性；
- 公开接口的输入和输出数据，还要考虑可变量的传递带来的危害。
一起来动手
外部数据的合法性问题，是信息安全里的一大类问题，也是安全攻击者经常利用的一类安全漏洞。
区分内部数据、外部数据的依据，是数据的最原始来源，而不是数据在代码中的位置。这一点让外部数据的识别变得有点艰难，特别是代码层数比较多的时候，我们可能没有办法识别一个传入参数，到底是内部数据还是外部数据。在这种情况下，我们需要采取比较保守的姿态，无法识别来源的数据，不应该是可信任的数据。
这一次的练习题，我们按照保守的姿态，来分析下面这段代码中的数据可信任性问题。 import java.util.HashMap; import java.util.Map; public class Solution { /// /* Given an array of integers, return indices of the two numbers /* such that they add up to a specific target. /*/ public int[] twoSum(int[] nums, int target) { Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>(); for (int i = 0; i < nums.length; i++) { int complement = target - nums[i]; if (map.containsKey(complement)) { return new int[] { map.get(complement), i }; } map.put(nums[i], i); } throw new IllegalArgumentException(“No two sum solution”); } }
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参考资料
https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e4%bb%a3%e7%a0%81%e7%b2%be%e8%bf%9b%e4%b9%8b%e8%b7%af/37%20%e8%be%b9%e7%95%8c%ef%bc%8c%e4%bf%a1%e4%bb%bb%e7%9a%84%e5%88%86%e6%b0%b4%e5%b2%ad.md
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