使用嚴格的內容安全政策 (CSP) 減少跨網站指令碼攻擊 (XSS)

Lukas Weichselbaum
Lukas Weichselbaum

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跨網站指令碼攻擊 (XSS) 是一種可將惡意指令碼注入網頁應用程式的攻擊手法,是十多年來最大的網頁安全漏洞之一。

內容安全政策 (CSP) 是額外的安全防護層,有助於降低 XSS 的風險。如要設定 CSP,請將 Content-Security-Policy HTTP 標頭新增至網頁,並設定值來控制使用者代理程式可為該網頁載入的資源。

本頁面說明如何使用以 Nonce 或雜湊為基礎的 CSP 來減輕 XSS 的影響,而非使用常見的以主機許可清單為基礎的 CSP,因為後者可能會在大多數設定中遭到略過,導致網頁暴露於 XSS 的風險。

重要術語:Nonce 是只會使用一次的隨機號碼,可用於將 <script> 標記標示為可信。

關鍵字:雜湊函式是一種數學函式,可將輸入值轉換為稱為雜湊的壓縮數值。您可以使用雜湊 (例如 SHA-256) 將內嵌 <script> 標記標示為可信任。

以 Nonce 或雜湊為基礎的內容安全政策通常稱為嚴格 CSP。如果應用程式使用嚴格的 CSP,發現 HTML 注入漏洞的攻擊者通常無法利用這些漏洞,強制瀏覽器在易受攻擊的文件中執行惡意指令碼。這是因為嚴格 CSP 只允許經過雜湊處理的指令碼,或在伺服器上產生正確的 Nonce 值的指令碼,因此攻擊者必須知道特定回應的正確 Nonce 值,才能執行指令碼。

為什麼要使用嚴格 CSP?

如果您的網站已有類似 script-src www.googleapis.com 的 CSP,可能無法有效防範跨網站攻擊。這種 CSP 稱為許可清單 CSP。這類方法需要大量自訂,且可能會遭到攻擊者略過

以密碼編譯隨機值或雜湊為基礎的嚴格 CSP 可避免這些陷阱。

嚴格 CSP 結構

基本嚴格內容安全政策會使用下列任一 HTTP 回應標頭:

以 Nonce 為基礎的嚴格 CSP

Content-Security-Policy:
  script
-src 'nonce-{RANDOM}' 'strict-dynamic';
 
object-src 'none';
 
base-uri 'none';
以 Nonce 為基礎的嚴格 CSP 的運作方式。

以雜湊為基礎的嚴格 CSP

Content-Security-Policy:
  script
-src 'sha256-{HASHED_INLINE_SCRIPT}' 'strict-dynamic';
 
object-src 'none';
 
base-uri 'none';

下列屬性可讓 CSP 像這樣「嚴格」,因此更安全:

  • 它會使用 Nonce 'nonce-{RANDOM}' 或雜湊 'sha256-{HASHED_INLINE_SCRIPT}',指出網站開發人員信任在使用者瀏覽器中執行哪些 <script> 代碼。
  • 它會設定 'strict-dynamic',自動允許執行受信任指令碼建立的指令碼,藉此減少部署 nonce 或雜湊 CSP 的作業負擔。這也能解除大部分第三方 JavaScript 程式庫和小工具的封鎖。
  • 這項功能並非以網址許可清單為基礎,因此不會受到常見的 CSP 規避方法影響。
  • 它會封鎖不受信任的內嵌指令碼,例如內嵌事件處理常式或 javascript: URI。
  • 限制 object-src 停用 Flash 等危險外掛程式。
  • 這項設定會限制 base-uri,以阻止 <base> 代碼的注入。這可防止攻擊者變更從相對網址載入的指令碼位置。

採用嚴格 CSP

如要採用嚴格 CSP,您必須:

  1. 決定應用程式是否應設定 Nonce 或 Hash 的 CSP。
  2. 從「嚴格 CSP 結構」部分複製 CSP,並將其設為應用程式中的回應標頭。
  3. 重構 HTML 範本和用戶端程式碼,移除與 CSP 不相容的模式。
  4. 部署 CSP。

您可以在整個程序中使用 Lighthouse (v7.3.0 以上版本,並搭配標記 --preset=experimental) 最佳做法進行稽核,檢查網站是否有 CSP,以及 CSP 是否足夠嚴格,能有效防範 XSS。

Lighthouse 回報警告,指出在強制執行模式中找不到 CSP。
如果您的網站沒有 CSP,Lighthouse 會顯示這則警告。

步驟 1:決定是否需要 Nonce 或 Hash 的 CSP

以下說明兩種嚴格 CSP 的運作方式:

以 Nonce 為基礎的 CSP

使用以 Nonce 為基礎的 CSP,您可以在執行階段產生隨機數字,並將其納入 CSP,然後與網頁中的每個指令碼標記建立關聯。攻擊者必須猜測該指令碼的正確隨機編號,因此無法在您的網頁中加入或執行惡意指令碼。這項做法只有在數字無法猜測,且每個回應在執行階段才新產生時才有效。

針對在伺服器上算繪的 HTML 網頁,使用以 Nonce 為基礎的 CSP。針對這些網頁,您可以為每個回應建立新的隨機數字。

雜湊型 CSP

對於以雜湊為基礎的 CSP,每個內嵌指令碼標記的雜湊都會新增至 CSP。每個指令碼都有不同的雜湊值。攻擊者無法在您的網頁中加入或執行惡意指令碼,因為該指令碼的雜湊必須位於 CSP 中才能執行。

請為靜態提供的 HTML 網頁或需要快取的網頁,使用以雜湊為基礎的 CSP。舉例來說,您可以為使用 Angular、React 或其他架構建構的單頁面網頁應用程式,使用以雜湊為基礎的 CSP,這些應用程式會以靜態方式提供,且不經過伺服器端轉譯。

步驟 2:設定嚴格的 CSP 並準備指令碼

設定 CSP 時,您可以選擇以下幾種做法:

  • 僅報表模式 (Content-Security-Policy-Report-Only) 或強制執行模式 (Content-Security-Policy)。在僅報表模式中,CSP 不會封鎖資源,因此網站上不會發生任何中斷情形,但您可以查看錯誤,並取得原本會遭封鎖的任何項目的報表。在本機設定 CSP 時,這並不是太重要,因為兩種模式都會在瀏覽器主控台中顯示錯誤。無論如何,執行模式都能協助您找出草稿 CSP 封鎖的資源,因為封鎖資源可能會導致網頁無法正常運作。在後續程序中,純報表模式最實用 (請參閱步驟 5)。
  • 標頭或 HTML <meta> 標記。在本機開發時,<meta> 標記可讓您更輕鬆地調整 CSP,並快速查看 CSP 對網站的影響。不過,請注意:
    • 日後在正式環境中部署 CSP 時,建議您將其設為 HTTP 標頭。
    • 如果您想以僅報表模式設定 CSP,就必須將其設為標頭,因為 CSP 中繼標記不支援僅報表模式。

在應用程式中設定以下 Content-Security-Policy HTTP 回應標頭:

Content-Security-Policy:
  script
-src 'nonce-{RANDOM}' 'strict-dynamic';
 
object-src 'none';
 
base-uri 'none';

為 CSP 產生 Nonce

隨機數字 (nonce) 是每次載入網頁時只會使用一次的隨機數字。只有在攻擊者無法猜測 Nonce 值的情況下,以 Nonce 為基礎的 CSP 才能減輕 XSS 的風險。CSP 隨機字串必須符合下列條件:

  • 加密編譯強大的隨機值 (長度最好為 128 位元以上)
  • 針對每個回應產生
  • Base64 編碼

以下列舉幾個在伺服器端架構中新增 CSP 無用字串的範例:

const app = express();

app
.get('/', function(request, response) {
 
// Generate a new random nonce value for every response.
 
const nonce = crypto.randomBytes(16).toString("base64");

 
// Set the strict nonce-based CSP response header
 
const csp = `script-src 'nonce-${nonce}' 'strict-dynamic'; object-src 'none'; base-uri 'none';`;
  response
.set("Content-Security-Policy", csp);

 
// Every <script> tag in your application should set the `nonce` attribute to this value.
  response
.render(template, { nonce: nonce });
});

<script> 元素中加入 nonce 屬性

使用以 Nonce 為基礎的 CSP 時,每個 <script> 元素都必須具有 nonce 屬性,且該屬性必須與 CSP 標頭中指定的隨機 Nonce 值相符。所有指令碼都可以使用相同的 Nonce。第一步是將這些屬性新增至所有指令碼,讓 CSP 允許使用這些屬性。

在應用程式中設定以下 Content-Security-Policy HTTP 回應標頭:

Content-Security-Policy:
  script
-src 'sha256-{HASHED_INLINE_SCRIPT}' 'strict-dynamic';
 
object-src 'none';
 
base-uri 'none';

如果是多個內嵌指令碼,語法如下: 'sha256-{HASHED_INLINE_SCRIPT_1}' 'sha256-{HASHED_INLINE_SCRIPT_2}'

動態載入來源指令碼

您可以使用內嵌指令碼動態載入第三方指令碼。

如何內嵌指令碼的示例。
可由 CSP 允許
<script>
 
var scripts = [ 'https://example.org/foo.js', 'https://example.org/bar.js'];

  scripts
.forEach(function(scriptUrl) {
   
var s = document.createElement('script');
    s
.src = scriptUrl;
    s
.async = false; // to preserve execution order
    document
.head.appendChild(s);
 
});
</script>
如要讓這個指令碼執行,您必須計算內嵌指令碼的雜湊,並將其新增至 CSP 回應標頭,取代 {HASHED_INLINE_SCRIPT} 預留位置。如要減少雜湊值的數量,您可以將所有內嵌指令碼合併為單一指令碼。如要瞭解實際應用方式,請參閱這個範例及其程式碼
已遭 CSP 封鎖
<script src="https://example.org/foo.js"></script>
<script src="https://example.org/bar.js"></script>
CSP 會封鎖這些指令碼,因為這些指令碼並未以動態方式新增,且沒有與允許來源相符的 integrity 屬性。

指令碼載入考量事項

內嵌指令碼範例會新增 s.async = false,確保 foobar 之前執行,即使 bar 先載入也一樣。在這個程式碼片段中,s.async = false 不會在指令碼載入時封鎖剖析器,因為指令碼是動態新增的。剖析器只會在指令碼執行時停止,就像 async 指令碼一樣。不過,請注意使用此程式碼片段時:

  • 在文件下載完成前,系統可能會執行一個或兩個指令碼。如果您希望文件在指令碼執行時就已準備就緒,請先等待 DOMContentLoaded 事件,再附加指令碼。如果指令碼未在足夠早的時間開始下載,導致效能問題,請在網頁上更早使用預先載入標記
  • defer = true 不會執行任何操作。如果需要這種行為,請在需要時手動執行指令碼。

步驟 3:重構 HTML 範本和用戶端程式碼

內嵌事件處理常式 (例如 onclick="…"onerror="…") 和 JavaScript URI (<a href="javascript:…">) 可用於執行指令碼。這表示發現 XSS 錯誤的攻擊者可以插入這類 HTML 並執行惡意 JavaScript。使用 nonce 或雜湊的 CSP 會禁止使用這類標記。如果您的網站使用上述任一模式,就必須將這些模式重構為更安全的替代方案。

如果您在上一個步驟中已啟用 CSP,每次 CSP 封鎖不相容的模式時,您都會在主控台中看到 CSP 違規情形。

Chrome 開發人員控制台中的 CSP 違規報告。
主控台的封鎖程式碼錯誤。

在大多數情況下,修正方式很簡單:

重構內嵌事件處理常式

由 CSP 允許
<span id="things">A thing.</span>
<script nonce="${nonce}">
  document
.getElementById('things').addEventListener('click', doThings);
</script>
CSP 允許使用 JavaScript 註冊的事件處理常式。
已遭 CSP 封鎖
<span onclick="doThings();">A thing.</span>
CSP 會封鎖內嵌事件處理常式。

重構 javascript: URI

由 CSP 允許
<a id="foo">foo</a>
<script nonce="${nonce}">
  document
.getElementById('foo').addEventListener('click', linkClicked);
</script>
CSP 允許使用 JavaScript 註冊的事件處理常式。
已遭 CSP 封鎖
<a href="javascript:linkClicked()">foo</a>
CSP 封鎖 javascript: URI。

從 JavaScript 中移除 eval()

如果應用程式使用 eval() 將 JSON 字串序列化轉換為 JS 物件,您應將這些例項重構為 JSON.parse(),這也是更快速的做法。

如果您無法移除所有 eval() 用途,仍可設定嚴格的 nonce 式 CSP,但必須使用 'unsafe-eval' CSP 關鍵字,這會讓政策的安全性稍微降低。

您可以在這個嚴格的 CSP 程式碼研究室中找到這些和其他類似重構的範例:

步驟 4 (選用):新增備用方案以支援舊版瀏覽器

瀏覽器支援

  • Chrome:52。
  • Edge:79。
  • Firefox:52。
  • Safari:15.4。

資料來源

如果您需要支援舊版瀏覽器:

  • 使用 strict-dynamic 時,必須為舊版 Safari 新增 https: 做為預設值。執行這項操作時:
    • 所有支援 strict-dynamic 的瀏覽器都會忽略 https: 備用方案,因此這不會降低政策的強度。
    • 在舊版瀏覽器中,只有來自 HTTPS 來源的外部來源指令碼才能載入。這種做法較不安全,但仍可防止一些常見的 XSS 攻擊,例如注入 javascript: URI。
  • 為確保與非常舊的瀏覽器版本 (4 年以上) 相容,您可以新增 unsafe-inline 做為備用方案。如果存在 CSP 隨機值或雜湊碼,所有近期的瀏覽器都會忽略 unsafe-inline
Content-Security-Policy:
  script
-src 'nonce-{random}' 'strict-dynamic' https: 'unsafe-inline';
 
object-src 'none';
 
base-uri 'none';

步驟 5:部署 CSP

確認 CSP 不會封鎖本機開發環境中的任何合法指令碼後,您就可以將 CSP 部署至測試環境,然後再部署至實際工作環境:

  1. (選用) 使用 Content-Security-Policy-Report-Only 標頭,以僅報表模式部署 CSP。在開始強制執行 CSP 限制之前,您可以使用「僅報表」模式,測試可能會造成重大變更的變更,例如正式環境中的新 CSP。在僅提供報表模式下,CSP 不會影響應用程式的行為,但瀏覽器在遇到與 CSP 不相容的模式時,仍會產生主控台錯誤和違規報告,讓您瞭解哪些內容會對使用者造成影響。詳情請參閱「Reporting API」。
  2. 當您確信 CSP 不會對使用者造成網站故障時,請使用 Content-Security-Policy 回應標頭部署 CSP。建議您使用 HTTP 標頭伺服器端設定 CSP,因為這比 <meta> 標記更安全。完成這個步驟後,CSP 就會開始保護應用程式免於遭受 XSS 攻擊。

限制

嚴格的 CSP 通常會提供額外的強大安全防護,有助於減輕 XSS 的影響。在大多數情況下,CSP 會拒絕 javascript: URI 等危險模式,大幅降低攻擊面。不過,根據您使用的 CSP 類型 (Nonce、Hash、是否含有 'strict-dynamic'),CSP 可能無法保護您的應用程式:

  • 如果您使用 nonce 指令碼,但有直接插入該 <script> 元素的內文或 src 參數。
  • 如果動態建立的腳本 (document.createElement('script')) 位置有遭到注入的情況,包括任何依據引數值建立 script DOM 節點的程式庫函式。這包括一些常見的 API,例如 jQuery 的 .html(),以及 jQuery 3.0 以下版本的 .get().post()
  • 如果舊版 AngularJS 應用程式中含有範本注入程式,攻擊者可將內容植入 AngularJS 範本,進而執行任意 JavaScript
  • 如果政策包含 'unsafe-eval',則會將資料插入 eval()setTimeout() 和其他幾個鮮少使用的 API。

開發人員和安全防護工程師應在程式碼審查和安全性稽核期間,特別留意這類模式。如要進一步瞭解這些情況,請參閱「內容安全政策:強化與緩解之間的成功混亂」。

延伸閱讀