Web安全：软件开发的安全问题与解决方案

「作者简介」：2022年北京冬奥会网络安全中国代表队，CSDN Top100，就职奇安信多年，以实战工作为基础对安全知识体系进行总结与归纳，著作适用于快速入门的《网络安全自学教程》，内容涵盖系统安全、信息收集等12个知识域的一百多个知识点，持续更新。

这一章节我们需要知道安全的软件开发模型有哪些，以及实现安全开发的具体支撑技术。

软件产品如果「运行不稳定」，会影响「可用性」；如果存在「漏洞」，被攻击利用，则会导致数据泄露或破坏，影响「完整性」和「机密性」。网络安全的三大支柱CIA，都能被软件安全影响，所以软件的安全问题是很严重的，必须要解决。

以往人们的解决方式，是等软件开发完成后，在「上线前做测试」，检测是否有安全问题，但这个时候做整改，「成本」会很高，想要降低成本，就需要把安全问题消灭在「软件开发过程」中，也就是业内常说的「安全左移」，或者叫「安全前置」。

1、软件开发生命周期

想要实现「安全左移」，我们需要先了解软件开发的过程，开发过程也叫「生命周期」，常见的软件开发周期有以下几种：

「瀑布模型」：最早出现的模型，按照需求分析→功能设计→编码调试→安全测试→运行维护的顺序执行，向瀑布一样，执行完一步再执行下一步，如果某一步执行不下去，就回退到上一步。适合需求明确的场景。
「迭代模型」：在瀑布模型的基础上，多次迭代，每一次迭代都包含瀑布模型的所有流程。新的需求放到下一次迭代中实现。所有迭代都完成后，再交付。
「增量模型」：本质上是迭代，但每次迭代都会交付一个产品。
「快速原型模型」：增量模型的另一种形式，先做一个demo给用户去用，等用户反馈需求再开发。适合需求不明确的场景。
「螺旋模型」：在快速原型的基础上，在每次迭代过程中都增加风险分析的步骤，来降低开发的风险。
「净世模型」：严格把控过程，做到开发零缺陷。成本很高，适合不计成本的高精尖产业。

2、安全的软件开发生命周期

「安全问题越早解决成本越低」，根据NIST的统计：同一个安全问题，软件发布后修复和编码阶段修复比，成本要高30倍。这也是安全左移的原因。

安全问题「无法完全杜绝」，只能减少，为了减少安全问题，需要在软件开发生命周期的「各个阶段」采取相应的安全措施，也就是安全的软件开发生命周期，常见的有：SDL、CLASP、CMMI、SAMM、BSIMM。

2.1、SDL

SDL（Security Development Lifecycle）是微软提出的软件安全开发周期，分成七个阶段和十七个安全活动，每个阶段必须实现对应的安全活动。

培训阶段：

核心安全培训：强制对员工进行安全培训，比如开发人员学安全开发、测试人员学安全测试、需求分析人员学恶意建模等。

要求阶段：

确认安全要求：比如要不要过等保三级。
质量门/Bug栏：建立漏洞标准，哪种漏洞必须解决，哪种漏洞不用解决。
安全与隐私：检查软件会不会收集用户信息，符不符合数据安全法等相关法规。

设计阶段：

确认设计要求：比如架构设计、职责分配、功能设计、最小权限原则等。
分析攻击面：攻击面就是未经授权就能访问的入口，攻击面越小就越安全。
威胁建模：识别漏洞并采取防御措施。

实施阶段：

使用批准的工具：必须使用公司提供的工具开发，不能自己从网上下载，以防止工具中存在后门。
弃用不安全的函数：字面意思。
静态分析：不运行程序，分析源代码，也就是代码审计。

验证阶段：

动态分析：运行程序，发现存在的漏洞。
模糊测试：也就是Fuzzing，通过非预期的输入观察是否有异常的结果，来挖漏洞。
攻击面分析：再分析一次攻击面。

发布阶段：

事件应急计划：就是出现漏洞后应该怎么办。
最终安全评析：检查安全问题的解决情况，没解决的能不能接受，能接受就记录下来等下次发布的时候修改；不能接受的项目就不允许发布。
发布存档：对生命周期的相关资料记录存档，用于软件发布后的维护。

相应阶段：

执行应急事件计划：成立应急响应中心，接受白帽子、黑客、社区等各种途径的漏洞信息，分析确认并修复。

SDL流程很完善，适合大公司大团队使用。小公司人少，流程太复杂反而会降低开发效率，可以使用CLASP这种轻量级的安全开发周期。

2.2、CLASP

CLASP（Comprehensive Lightweight ApplicationSecurity Process）是OWASP推广的综合的轻量级应用安全过程，基于角色安排活动。

CLASP将角色分为：项目经理、需求分析师、软件架构师、设计者、实施人员、集成和编译人员、测试者、测试分析工程师、安全审计员。

每个角色分配对应的活动，并且描述每个活动需要多少成本，怎么实施，在什么时间执行，不执行会有什么风险。

判断自己的团队适合SDL还是CLASP，可以按照CMMI的等级，推荐团队通过CMMI3级再使用SDL。

3.3、CMMI

CMMI（Capability Maturity Model Integration）是软件能力成熟度模型集成，从低到高分为5个级别：

CMMI1级：完成级，完成项目具有偶然性，不能保证实施同类项目仍然能够完成。
CMMI2级：管理级，项目有一系列管理程序，避免了偶然性，能保证同类项目实施的成功率。
CMMI3级：定义级，将管理程序制度化，不止同类项目，其他项目也能保证成功率。
CMMI4级：量化级，将管理制度数字化，管理精细、流程稳定，项目质量波动小。
CMMI5级：优化级，利用新技术主动改善、优化管理制度，预防次品。

CMMI有单独的评审机构，可以持续改进，提升等级。

3.4、SAMM

SAMM（Software Assurance Maturity Model）是OWASP提出的软件保证成熟度模型，分成5个阶段和15个安全活动，这个有点类似SDL。然后根据每个安全活动的评分高低，评价出0~3级，4个成熟度等级。

SAMM是一个开放的框架，对安全知识要求比较低。

3.5、BSI

BSI（Building Security IN）叫BSI系列模型，强调安全重点，注重实用方法，容易上手。

BSI提出软件安全由三大支柱构成，分别是应用风险管理、接触点、知识。

应用风险管理（Risk Management）：是一种思想，也就是战略方法。
接触点（Touchpoints）：是战术，具体的安全控制措施，也是是模型的核心。
知识（Knowledge）：是知识库，用来安全培训，提高员工安全能力。

BSI根据软件安全所具有的行为，将接触点分为7种控制措施，并将7种控制措施在适当的实际插入软件开发生命周期。

代码审核：也就是源代码测试，扫描代码的漏洞。
风险分析：评估软件风险，并作对应的控制。
渗透测试：公司的红队定期渗透，发现并修复漏洞。
基于风险的安全测试：评估业务的安全，比如这个漏洞会关联到哪些业务，造成什么影响。
滥用案例：分析软件出现过的安全时间，分析并制定解决方案。
安全需求：比如软件要不要过等保三级。
安全操作：也就是安全运维，软件上线以后做安全加固、打补丁、修复漏洞等。

3.6、BSIMM

BSIMM（Building Security IN Maturity Mode）BSI成熟度模型，跟BSI没有直接关系，只是名字像。核心是根据其他公司的安全项目过程，来指导自己的安全项目。

它会将项目的安全性用雷达图来展示出来，我们可以看到哪个地方做的比较好，哪个地方做的不好。起到一个参考作用，不强制实践。

3、生命周期的安全活动

安全的软件开发生命周期想要落地，必须依赖具体的「安全活动」，接下来讲解一些必要的安全活动。这些安全活动在不同的安全模型中叫法可能不一样，但可以共用。

3.1、安全需求分析

安全需求分为「功能需求」和「保障需求」两类：

「安全功能需求」：就是软件为了安全需要实现哪些功能，比如标识鉴别、访问控制、审计、加密等功能。
「安全保障需求」：指实现安全功能的方法和手段，比如威胁建模、安全设计、安全编程、代码测试、漏洞管理等手段。

安全需求分析时，需要从攻击者的角度出发，不仅考虑软件「需要实现什么」，还要考虑软件「不能实现什么」。

安全需求分析的执行过程如下：

系统调查。
分析系统的脆弱点和可能遭受的威胁。
定量分析脆弱点和安全威胁。
确定安全需求。

3.2、软件安全设计

软件安全设计分为概要设计和详细设计两个阶段：

软件安全概要设计：大的框架，比如架构设计、功能之间的关系。
软件安全详细设计：编码功能的细节，比如每个功能模块使用什么数据结构、算法，功能的具体逻辑、处理流程。

安全设计原则：

「最小特权原则」：能给普通用户就不给系统用户，能给只读就不给修改。
「权限分离原则」：比如等保中的三权分立，用系统管理员、安全管理员、审计管理员替代超级管理员。
「最少共享机制原则」：比如克隆一个生产环境给某个员工测试，而不是直接给员工生产环境的访问权限。
「完全中立原则」：比如没有直接利益的、权威的第三方机构。
「心理可接受原则」：安全和用户体验往往是两个相反的方向，我们需要在两者之间寻求平衡。
「默认故障处理保护原则」：报错时用特定的内容，代替程序原本的报错内容，防止报错注入或信息泄露这种威胁。
「经济机制原则」：安全成本要适度。比如一个数据价值一万，你用十万做安全防护，就得不偿失了。
「不信任原则」：假设所有的输入都是恶意的，比如：对用户的输入做严格过滤，防止SQL注入这类攻击；用户输入密码错误5次就冻结30分钟。
「纵深防御原则」：设置多层重叠的安全防护，即使某一防线失效也能被其他防线弥补或纠正。
「保护最薄弱环节原则」：比如Web、邮件这种最容易遭受攻击的地方，需要重点防护。
「公开设计原则」：假设所有技术细节都被公开了，也不会影响系统的安全。
「隐私保护原则」：收集用户信息等操作，必须符合相关法规。
「攻击面最小化原则」：能被访问的入口越少，系统就越安全。

3.3、降低攻击面

所有能访问系统的入口都是攻击面，攻击面越小就越安全。

分析攻击面主要有三个思路：

「功能重要性」：不重要的功能直接关闭；重要的功能加强防护。
「访问方式」：远程访问＞受限访问＞本地访问。能本地就不受限，能受限就不远程。
「访问权限」：匿名访问＞用户访问＞仅管理员访问。

降低攻击面实例：

比如：只允许特定的IP访问服务器。

3.4、威胁建模

威胁建模是了解威胁、确定威胁风险、缓解风险，从而提高系统安全性的一个过程。

扩展：威胁永远存在，威胁不等于漏洞，漏洞是威胁的一种体现形式。

威胁建模有4个流程：

确定对象：小到一个API接口，大到一个OS，都是可能存在威胁的对象。
识别威胁：识别微软定义的STRIDE六种威胁。
评估威胁：评估威胁的影响，确定哪些威胁需要处置，哪些不需要处置。
消减威胁：采取对应的措施缓解风险。

微软制定了STRIDE威胁模型，也就是六种威胁类型首字母缩写，威胁详情和对应的缓解措施见下图：

威胁类型	安全属性	缓解措施
Spoolfing identity（假冒身份）	认证	双因子/多因子认证、数字证书、PKI、Kerberos认证等认证方式。
Tampering with data（篡改数据）	完整性	哈希算法、消息鉴别码MAC
Repudiation（抵赖）	抗抵赖	数字签名、安全审计、时间戳
Information disclosure（信息泄露）	机密性	加密、访问控制、隐私保护
Denial of service（拒绝服务）	可用性	备份、设备冗余、链路冗余
Elevation of privilege（提权）	授权	访问控制列表、最小权限运行

3.5、安全编码

验证输入：对所有的输入，先检查、验证、过滤，再参与业务逻辑。防止SQL注入这种攻击。
验证内部接口：外部的输入不可信，内部的输入同样不可信，程序内部接口的数据，也要检查可靠性、完整性。
避免缓冲区溢出：动态分配内存、控制输入的大小、使用没有缓冲区溢出问题的函数或库。
处理异常：用特定的内容替代程序的报错内容。
最小化反馈：比如登录功能只反馈成功或失败，而不是反馈用户名错误、用户未注册。
避免条件竞争：使用原子操作或加锁。
临时文件及时清空。
开源框架要检查是否有漏洞，检查是否使用了不安全的函数。
系统命令调用函数，比如system等函数调用外部命令时，要过滤参数。
返回值检查是否成功，如果成功就检查返回值内容、类型是否符合预期；不成功要检查、处理后在返回。
程序组件之间的数据传输，尽可能加密，加密要用安全的算法和协议。
检查是否使用危险函数。

3.6、安全编译

编译环境使用可靠的编译工具，用公司提供的工具而不是自己从网上下载，工具要用最新版，使用前检查开启编译器内部的防御特性。

运行环境要用较新版本的系统，越老的系统往往漏洞越多。

3.7、代码审计

使用静态分析的方式，分析程序源代码中的语法、结构、逻辑、接口等，检查程序中存在的错误或缺陷。

先用工具审核，然后人工审核是否有误报。

3.8、安全测试

通过动态分析的方式，检查程序运行过程中，功能、性能、安全性是否符合要求。

传统的软件测试主要有以下方式：

单元测试：测试范围是模块，给软件的某个模块做测试。
集成测试：测试范围是软件，给软件整体做测试。
系统测试：测试范围是系统，软件、网络、数据库等联合起来，系统的做测试。
黑盒测试：软件内部完全不清楚的情况下做测试，也就是黑客的角度。
白盒测试：软件内部完全清晰的情况下做测试，能拿到软件的源码等所有信息。
灰盒测试：软件内部部分清晰的情况下做测试，能拿到架构图、功能逻辑图等部分信息。
静态测试：不运行软件，做测试。
动态测试：运行软件，做测试。
代码走查：研发组内部自发性检查测试。
代码审查：研发组正式检测，输出计划、流程、结果报告。
代码评审：研发组、测试组等多个部门联合测试。
回归测试：某次测试完成后，测试问题的修复效果。只测问题本身，不做全面测试。
验收测试：项目结项前的测试。

传统测试只考虑软件出错时如何处理，不考虑软件不出错时的故意攻击。

安全测试则重点检查软件的安全特性。比如等保中提出的安全特性就包括：身份鉴别、访问控制、安全审计、入侵防范、恶意代码防范、可信验证、数据完整性、数据保密性、数据备份恢复、剩余信息保护、个人信息保护。

安全测试分功能性、对抗性两种：

功能性安全测试：检查软件的安全功能是否实现，比如等保测评。
对抗性安全测试：使用黑客的角度测试，比如渗透测试。

安全测试方式主要有模糊测试、渗透测试、代码审计三种：

模糊测试：也叫Fuzzing测试，通过非预期的输入，检查软件执行结果，是目前主流的挖洞方法。
渗透测试：从黑客的角度来攻击，发现漏洞。需要授权且不具备破坏性。
代码审计

3.9、安全交付

供应链安全：通过官方等正规渠道，获取可靠的框架、三方库、编译软件等。
软件验收：软件的安全性要纳入验收的标准中。
安全部署：提供部署文档和工具，部署后对软件进行安全配置和加固。