Django 框架CSRF 防御實(shí)現(xiàn)機(jī)制淺析

（國防大學(xué)教研保障中心 北京 100091）

CSRF 攻擊是一種常見的Web 攻擊方式，隨著Web 安全技術(shù)的發(fā)展，各類Web 后端框架，如Laravel、Express、Spring Boot、Django等，都內(nèi)置了CSRF 的防御功能。本文以Django 框架為例，分析其CSRF 防御實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

1 CSRF 攻擊

CSRF（Cross-site request forgery，跨站請求偽造）是指攻擊者偽裝受信用戶的請求，在受信網(wǎng)站上執(zhí)行被攻擊者非本意操作的攻擊方法。攻擊者使用CSRF 可以利用你的名義發(fā)送郵件消息、盜取賬號(hào)、購買商品、虛擬貨幣轉(zhuǎn)賬等惡意操作，造成個(gè)人隱私泄露以及財(cái)產(chǎn)損失。

1.1 CSRF 攻擊原理

http 協(xié)議是無狀態(tài)的，如一個(gè)Web 客戶連續(xù)獲取一個(gè)需要認(rèn)證訪問的Web 服務(wù)器上的信息，可能需要反復(fù)進(jìn)行認(rèn)證。為了解決這個(gè)問題，人們設(shè)計(jì)了一種得到廣泛應(yīng)用的Cookie 機(jī)制。Cookie 一般由服務(wù)器生成，發(fā)送給瀏覽器，瀏覽器會(huì)將Cookie 的值保存到文本文件中，下次請求同一網(wǎng)站時(shí)就發(fā)送該Cookie 給服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)保存客戶與服務(wù)器之間的狀態(tài)信息。

Cookie 最典型的應(yīng)用就是判定注冊用戶是否已經(jīng)登錄，CSRF 就是通過利用已登錄用戶的Cookie 狀態(tài)信息，偽裝成受信任用戶的請求而實(shí)現(xiàn)攻擊的。例如用戶A 登錄了受信任站點(diǎn)B，用戶A 登錄信息驗(yàn)證通過以后，站點(diǎn)B 會(huì)在返回給用戶A 瀏覽器的信息中帶上已登錄的Cookie 信息；用戶A 在未清除登錄站點(diǎn)B 的Cookie 或Cookie未到期情形下，訪問惡意站點(diǎn)C；惡意站點(diǎn)C 的某個(gè)頁面在返回給用戶A 的數(shù)據(jù)中帶有向站點(diǎn)B 發(fā)起的惡意請求，此時(shí)用戶A 會(huì)自動(dòng)向B 站點(diǎn)發(fā)出請求；站點(diǎn)B 根據(jù)用戶A 請求所帶的Cookie，判斷此請求為受信用戶A 所發(fā)送的。至此，惡意站點(diǎn)C 就達(dá)到了偽造用戶A 請求的目的。

1.2 CSRF 的防御手段

（1）驗(yàn)證HTTP Referer

根據(jù)HTTP 協(xié)議，在 HTTP 頭中有一個(gè)字段叫 Referer，它記錄了該 HTTP 請求的來源地址。因此，要防御 CSRF 攻擊，網(wǎng)站可以驗(yàn)證每一個(gè)訪問安全受限頁面請求的 Referer 值，如果是Referer 值的域名與本網(wǎng)站域名相同或在允許的域名之內(nèi)，則說明該請求是來自本網(wǎng)站的請求，是合法的，反之，則有可能是CSRF 攻擊，拒絕該請求。

（2）增加隨機(jī)Token

要抵御 CSRF 攻擊，關(guān)鍵在于在請求中放入第三方所不能偽造的信息，且該信息不存在于 Cookie 中，那么可以在 HTTP 請求加入一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的 Token，并在服務(wù)器端建立一個(gè)攔截器來驗(yàn)證這個(gè)Token，以此判定這個(gè)請求是否偽造。Token 的值必須是隨機(jī)的，可以放入HTTP 請求參數(shù)中或HTTP 請求頭中。

（3）加入驗(yàn)證碼

在轉(zhuǎn)賬、刪除、授權(quán)等一些敏感操作的請求中，加入支付密碼或者校驗(yàn)碼等各類人工驗(yàn)證方法，能很好地遏制CSRF 攻擊。

2 Django 框架CSRF 防御機(jī)制分析

Django 框架是一個(gè)基于Python 的開源Web 開發(fā)框架，它對常用Web 開發(fā)模式進(jìn)行了高度封裝。Django 框架在安全方面，為了解決Cookie 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不安全的問題的，Django 框架引入session，用戶瀏覽器只需在Cookie 存儲(chǔ)一個(gè)sessionid，具體的數(shù)據(jù)則通過加密默認(rèn)保存在服務(wù)端session 中，同時(shí)也集成了對XXS、SQL 注入、CSRF等Web 常見攻擊的防范組件。為實(shí)現(xiàn)CSRF 的防御功能，Django 主要是通過django.middleware.csrf.CsrfViewMiddleware 中間件來實(shí)現(xiàn)。

2.1 Django 框架中間件

Django 中間件是一個(gè)輕量的、框架級(jí)別的插件系統(tǒng)，用來處理Django 的請求和響應(yīng)，在全局范圍內(nèi)改變Django 的輸入和輸出[1]。中間件本質(zhì)上就是一個(gè)自定義類，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一些特定的功能，類中定義了固定的五個(gè)方法：process_request、process_view、process_exception、process_template_responseproces、process_response，Django 會(huì)在瀏覽器請求的特定過程中執(zhí)行這些方法。具體執(zhí)行過程如圖1[2]。

2.2 Django 框架CSRF 功能設(shè)置

Django 框架中設(shè)置CSRF 功能可分為全局和局部。全局設(shè)置通過在項(xiàng)目配置文件settings.py 的MIDDLEWARE 參數(shù)中添加刪除中間件django.middleware.csrf.CsrfViewMiddleware 來開啟或者關(guān)閉CSRF 保護(hù)。局部設(shè)置通過@csrf_protect、@csrf_exempt 內(nèi)置裝飾器為視圖函數(shù)強(qiáng)制設(shè)置或關(guān)閉CSRF 功能，即便settings.py 中沒有設(shè)置全局中間件。同時(shí)還需要在前端模板的 Form 表單中加入{%csrf_token %}標(biāo)簽，如果通過AJAX 進(jìn)行提交數(shù)據(jù)，則把csrftoken 放入請求頭中提交。

2.3 Django 框架CSRF 中間件分析

從源碼分析，CsrfViewMiddleware 中間件下共定義了7 個(gè)方法，其中定義了中間件的process_request、process_view、process_response三個(gè)固有方法以及_accept、_reject、_get_token、_set_token 四個(gè)私有方法。下面簡要分析下三個(gè)固有方法的主要作用。

圖1 具體執(zhí)行過程

（1）process_request 方法

process_request 方法在Django 接收到http 請求之后，URL 匹配之前調(diào)用。通過_get_token 方法，從request 對象的Cookie 或session中獲取csrf_token；如果獲取的csrf_token 不為空時(shí)，將其賦值給request.META["CSRF_COOKIE"]。

（2）process_view 方法

process_view 方法在Django 執(zhí)行URL 匹配之后，執(zhí)行視圖函數(shù)之前調(diào)用。首先判讀視圖函數(shù)是否被裝飾器csrf_exempt 裝飾，如果是則直接執(zhí)行視圖渲染模板。接著判斷request 請求方法是否是GET、HEAD、OPTIONS、TRAC，如果不是以上方法，把request.META["CSRF_COOKIE"]賦值給csrf_token，如果csrf_token為None，則執(zhí)行_reject 方法返回403 錯(cuò)誤頁面；如果csrf_token 不None，且為POST 方法時(shí)，則從Form 表單中的csrfmiddlewaretoken字段或 request.META 中的 X-CSRFToken 字段取值并賦值給request_csrf_token。最后通過特定算法對 csrf_token 和request_csrf_token 這兩個(gè)值對比，相等就執(zhí)行視圖渲染模板，反之直接返回403 錯(cuò)誤頁面。

（3）process_response 方法

process_response 方法在所有響應(yīng)返回給瀏覽器之前調(diào)用。通過_set_token 方法設(shè)置 Cookie 或 session 的 csrf_token 值為request.META[“CSRF_COOKIE”]，返回response，客戶端瀏覽器完成渲染。

2.4 模板渲染階段csrf_token 的生成

從上面CsrfViewMiddleware 中間件功能分析來看，沒有發(fā)現(xiàn)csrf_token 如何初始生成的，其實(shí)初始token 是在視圖渲染階段，通過django.middleware.csrf 模塊的get_token（與私有_get_token 方法不同）函數(shù)生成的。

在process_request、process_view 方法正常執(zhí)行完之后，就會(huì)執(zhí)行視圖函數(shù)或者視圖類渲染模板。如果在模板中添加了{(lán)%csrf_token%}標(biāo)簽，那么模板在render 函數(shù)渲染過程中，會(huì)在context 字典參數(shù)中加入context['csrf_input']和context['csrf_token']，返回瀏覽器時(shí)會(huì)把{%csrf_token%}替換成Form 表單元素：，其中csrfmiddlewaretoken 值通過get_token 函數(shù)生成。如果表單中沒有{%csrf_token%}，渲染的時(shí)候context['csrf_token']不會(huì)被填充，從而不觸發(fā)get_token 方法，也就不會(huì)產(chǎn)生Cookie 信息。

下面分析 get_token 函數(shù)生成 token 的過程：如果request.META["CSRF_COOKIE"]存在，則取其值，使用_unsalt_cipher_token 函數(shù)解析出32 個(gè)字符的csrf_secret 密鑰；如果request.META["CSRF_COOKIE"]不存在，則使用_get_new_csrf_string函數(shù)重新生成一個(gè) 32 個(gè)字符的 csrf_secret 密鑰，再調(diào)用_salt_cipher_secret 生成一個(gè) 64 個(gè)字符的字符串賦給request.META[“CSRF_COOKIE”]。兩種情況判斷得到的csrf_secret 密鑰，最后通過_salt_cipher_secret 函數(shù)加密返回。需要注意的是_salt_cipher_secret（csrf_secret）每次的返回值都不一樣，但csrf_secret值可以保持不變，也就是說每次刷新頁面時(shí)，表單csrfmiddlewaretoken 值是隨機(jī)的，瀏覽器Cookie 值保持不變，可見csrf_secret==_unsalt_cipher_token（_salt_cipher_secret（csrf_secret））。

2.5 Django 框架CSRF 防御過程分析

為更清晰的分析CRSF 防御過程，不考慮CsrfViewMiddleware 中間件與Django 其他中間件之間的執(zhí)行流程，只分析該中間件的運(yùn)行機(jī)制。下面我們以用戶提交表單為例進(jìn)行過程分析。

（1）Django 用戶正常訪問過程分析

Django 開啟了CRSF 防御，頁面表單嵌入{%csrf_token%}，當(dāng)用戶首次打開表單頁面（沒有該網(wǎng)站的Cookie 數(shù)據(jù)），向服務(wù)器發(fā)出GET 請求，Django 在接收到請求之后，第一步分發(fā)到CsrfViewMiddleware 中間件，執(zhí)行process_request 方法，此時(shí)獲取Cookie 信息為空，則進(jìn)行URL 匹配；第二步URL 匹配后執(zhí)行process_view 方法，因請求方法是GET，則直接執(zhí)行視圖函數(shù)；第三步視圖函數(shù)根據(jù)GET 請求方法，執(zhí)行相應(yīng)的render 函數(shù)渲染模板，系統(tǒng)檢查到表單嵌入{%csrf_token%}，且request.META[“CSRF_COOKIE”]為空，則執(zhí)行g(shù)et_token 函數(shù)，生成一個(gè)新的csrf_secret，csrf_secret 利用_salt_cipher_secret 函數(shù)加密返回，同時(shí)把該值賦值給request.META[“CSRF_COOKIE”]和新生成的csrfmiddlewaretoken input 標(biāo)簽。第四步模板渲染完之后會(huì)觸發(fā)process_response，通過_set_token方法把request.META[“CSRF_COOKIE”]等一些其他Cookie 信息存入用戶Cookie 中，把渲染后的模板頁面返回給用戶瀏覽器。這時(shí)用戶瀏覽器中就顯示出表單頁面，同時(shí)表單中含有csrfmiddlewaretoken input標(biāo)簽，Cookie 中包含csrf_token 數(shù)據(jù)。至此一次完整的用戶GET 請求結(jié)束。

用戶填入表單數(shù)據(jù)，向?yàn)g覽器發(fā)出POST 請求。第一步執(zhí)行pro cess_request 方法，通過_get_token 方法獲取Cookie 信息賦值給requ est.META[“CSRF_COOKIE”]，經(jīng)URL 匹配后，第二步執(zhí)行process_view 方法，因請求為POST，且request.META["CSRF_COOKIE"]不為空，則分別從Cookie（request.META["CSRF_COOKIE"]）和表單中csrfmiddlewaretoken 字段中取值，進(jìn)行算法比較結(jié)果相同，則進(jìn)入第三步執(zhí)行視圖函數(shù)，判斷請求方法為POST，執(zhí)行相應(yīng)的處理。第四步把request.META[“CSRF_COOKIE”]值等一些其他Cookie 信息再次存入用戶Cookie 中（Cookie 的值不變，但expire 信息會(huì)有變化），把渲染后的模板頁面返回給用戶瀏覽器。至此用戶POST 請求過程執(zhí)行完畢。

（2）Django 防御CSRF 攻擊過程分析

攻擊者在惡意網(wǎng)站中設(shè)置相同的表單字段，利用已登錄用戶的Cookie 狀態(tài)信息（此時(shí)Cookie 中有數(shù)據(jù)），向授信網(wǎng)站發(fā)出POST 請求，當(dāng)請求執(zhí)行CSRF 中間件的process_view 方法時(shí)，因攻擊請求的表單字段中不包含csrfmiddlewaretoken 字段，則直接返回403 錯(cuò)誤頁面。

Django 設(shè)計(jì)CSRF 防御方法中，csrfmiddlewaretoken 字段的值是隨機(jī)變化的，且采用了加密算法，攻擊者很難模擬csrfmiddlewaretoken 的值。為了用戶更加安全，防止Cookie 信息泄露，Django 的Cookie 信息加密放入session 中。

3 結(jié)束語

目前主流Web 框架都已加入CSRF 防御功能，且配置過程簡單，但大多數(shù)人對框架CSRF 防御機(jī)制了解不多，通過本文對Django 框架的CSRF 防御原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制的分析，希望給大家對CSRF 攻擊的原理和Django 框架CSRF 防御架構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些參考，同時(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)大家的Web 安全防范意識(shí)。