使用Rust进行字符串比对：时序攻击风险与防御实践

本文的编写，源自哔哩哔哩上一个Rust编程小技巧：判断字符串是否全为数字。里面提到了两种方法：

基础遍历法

  fn is_all_digits_ascii(s: &str) -> bool {
    for char in s.chars() {
  	if !char.is_ascii_digit() {
        return false;
      }
    }
    true
  }

优雅迭代法

  fn is_all_digits_ascii(s: &str) -> bool {
    s.chars().all(|c| c.is_ascii_digit())
  }

评论里有人指出：这样写有时序攻击隐患。

我就去了解了下时序攻击，看看如何在安全场景下如何避免风险。

什么是时序攻击

时序攻击（Timing Attack） 是一种通过分析程序执行时间的差异来推断敏感信息的攻击手段。它属于旁路攻击（Side-Channel Attack）的一种，攻击者不直接破解算法，而是利用程序在不同输入下的运行时间差异来推测秘密数据（如密码、加密密钥等）。

时序攻击的原理

程序在处理不同输入时，可能因逻辑分支、缓存命中率、硬件优化等因素导致执行时间存在微小差异。例如：

• 密码验证：逐字符比较密码时，若发现某一位不匹配立即返回失败，则错误密码在第一位出错和最后一位出错的执行时间不同。
• 加密算法：RSA等加密操作中，某些数学运算（如模幂运算）的时间可能泄露密钥的二进制位。

攻击者通过多次测量时间差，结合统计学分析，逐步缩小可能性，最终破解秘密信息。

经典案例

密码比较漏洞

早期系统使用类似以下代码逐字符比较密码：

  def compare(password, input):
    for i in range(len(password)):
        if password[i] != input[i]:
            return False  # 立即返回，导致时间差异
    return True

攻击者通过测量不同输入的时间差，逐步猜解正确密码。

网络服务中的用户枚举

某些系统验证用户名和密码时，若先检查用户名是否存在再验证密码，攻击者可通过响应时间差异判断用户名是否有效。

如何避免时序攻击风险

首先，要看看上下文环境：

• 非安全场景：优先使用基础方法
• 安全场景：例如认证/授权系统，必须使用恒定时间检查

时序攻击防御的核心是消除时间与敏感数据的关联性，并通过工程手段增加攻击难度。

我们就以最常见的安全场景 - 密码比对为例来阐述如何避免时序攻击风险。

在Rust语言中，常规的字符串比对操作（如 == 运算符）确实存在时序攻击风险：

  fn compare_string(a: &str, b: &str) -> bool {
    a == b // use Eq trait
  }

在比对过程中，有两个逻辑存在风险：

• 字符串长度不相等，直接返回false
• 字符串逐个字符比对时，遇到第一个不相同的就直接返回false

针对上面的缺陷，自己编写了一个防止时序攻击的字符串比对函数：

  pub fn constant_time_string_compare(a: &str, b: &str) -> bool {
      let a_bytes = a.as_bytes();
      let b_bytes = b.as_bytes();
      
      // 获取最长字符串的长度
      let max_len = std::cmp::max(a_bytes.len(), b_bytes.len());
      
      // 初始结果：0表示字符串相等，非0表示不等
      let mut result: u8 = 0;
      
      // 遍历所有字节位置
      for i in 0..max_len {
          // 如果超出字符串长度，使用0作为填充
          let a_byte = if i < a_bytes.len() { a_bytes[i] } else { 0 };
          let b_byte = if i < b_bytes.len() { b_bytes[i] } else { 0 };
          
          // 使用按位或(|)操作累积差异
          // 如果所有字节都相同，result保持为0；否则result会变为非0值
          result |= a_byte ^ b_byte;
      }
      
      // 最终检查是否有差异（使用==0避免条件分支）
      result == 0
  }

通过本文的优化，开发者可以更系统地理解时序攻击防御策略，在Rust开发中做出合理的安全决策。

记住：安全永远是功能需求的一部分，而不是事后补充的附加功能。