HSTS安全策略在浏览器中的应用

HSTS(HTTP Strict Transport Security)是国际互联网工程组织IETF发布的一种互联网安全策略机制。采用HSTS策略的网站将保证浏览器始终连接到该网站的HTTPS加密版本，不需要用户手动在URL地址栏中输入加密地址，以减少会话劫持风险。

Strict-Transport-Security: max-age=expireTime [; includeSubDomains] [; preload]

• max-age，单位是秒，用来告诉浏览器在指定时间内，这个网站必须通过HTTPS协议来访问。也就是对于这个网站的HTTP地址，浏览器需要先在本地替换为HTTPS之后再发送请求。
• includeSubDomains，可选参数，如果指定这个参数，表明这个网站所有子域名也必须通过HTTPS协议来访问。
• preload，可选参数，一个浏览器内置的使用HTTPS的域名列表。

虽然HSTS可以很好的解决HTTPS降级攻击，但是对于HSTS生效前的首次HTTP请求，依然无法避免被劫持。浏览器厂商们为了解决这个问题，提出了HSTS Preload List方案：内置一份可以定期更新的列表，对于列表中的域名，即使用户之前没有访问过，也会使用HTTPS协议。

目前这个Preload List由Google Chrome维护，Chrome、Firefox、Safari、IE 11和Microsoft Edge都在使用。如果要想把自己的域名加进这个列表，首先需要满足以下条件：

• 拥有合法的证书(如果使用SHA-1证书，过期时间必须早于2016年)；
• 将所有HTTP流量重定向到HTTPS；
• 确保所有子域名都启用了HTTPS；
• 输出HSTS响应头：
• max-age不能低于18周(10886400秒)；
• 必须指定includeSubdomains参数；
• 必须指定preload参数；

即便满足了上述所有条件，也不一定能进入HSTS Preload List。

通过Chrome的chrome://net-internals/#hsts工具，可以查询某个网站是否在Preload List之中，还可以手动把某个域名加到本机Preload List。

HSTS并不是HTTP会话劫持的完美解决方案。用户首次访问某网站是不受HSTS保护的。这是因为首次访问时，浏览器还未收到HSTS，所以仍有可能通过明文HTTP来访问。

如果用户通过HTTP访问HSTS保护的网站时，以下几种情况存在降级劫持可能：

• 以前从未访问过该网站
• 最近重新安装了其操作系统
• 最近重新安装了其浏览器
• 切换到新的浏览器
• 切换到一个新的设备，如：移动电话
• 删除浏览器的缓存
• 最近没访问过该站并且max-age过期了

解决这个问题目前有两种方案：

方案一：在浏览器预置HSTS域名列表，就是上面提到的HSTS Preload List方案。该域名列表被分发和硬编码到主流的Web浏览器。客户端访问此列表中的域名将主动的使用HTTPS，并拒绝使用HTTP访问该站点。

方案二：将HSTS信息加入到域名系统记录中。但这需要保证DNS的安全性，也就是需要部署域名系统安全扩展。

其它可能存在的问题

由于HSTS会在一定时间后失效(有效期由max-age指定)，所以浏览器是否强制HSTS策略取决于当前系统时间。大部分操作系统经常通过网络时间协议更新系统时间，如Ubuntu每次连接网络时，OS X Lion每隔9分钟会自动连接时间服务器。攻击者可以通过伪造NTP信息，设置错误时间来绕过HSTS。

解决方法是认证NTP信息，或者禁止NTP大幅度增减时间。比如：Windows 8每7天更新一次时间，并且要求每次NTP设置的时间与当前时间不得超过15小时。

目前主流浏览器都已经支持HSTS特性，具体可参考下面列表：

• Google Chrome 4及以上版本
• Firefox 4及以上版本
• Opera 12及以上版本
• Safari从OS X Mavericks起
• Internet Explorer及以上版本

服务器开启HSTS的方法是：当客户端通过HTTPS发出请求时，在服务器返回的超文本传输协议响应头中包含Strict-Transport-Security字段。非加密传输时设置的HSTS字段无效。

最佳的部署方案是部署在离用户最近的位置，例如：架构有前端反向代理和后端Web服务器，在前端代理处配置HSTS是最好的，否则就需要在Web服务器层配置HSTS。如果Web服务器不明确支持HSTS，可以通过增加响应头的机制。如果其他方法都失败了，可以在应用程序层增加HSTS。

HSTS启用比较简单，只需在相应头中加上如下信息：

Strict-Transport-Security: max-age=63072000; includeSubdomains;preload;

Strict-Transport-Security是Header字段名，max-age代表HSTS在客户端的生效时间。includeSubdomains表示对所有子域名生效。preload是使用浏览器内置的域名列表。

HSTS策略只能在HTTPS响应中进行设置，网站必须使用默认的443端口；必须使用域名，不能是IP。因此需要把HTTP重定向到HTTPS，如果明文响应中允许设置HSTS头，中间人攻击者就可以通过在普通站点中注入HSTS信息来执行DoS攻击。

$ vim /etc/apache2/sites-available/hi-linux.conf

# 开启HSTS需要启用headers模块
LoadModule headers_module /usr/lib/apache2/modules/mod_headers.so

<VirtualHost *:80>
  ServerName www.hi-linux.com
  ServerAlias hi-linux.com
...
 #将所有访问者重定向到HTTPS,解决HSTS首次访问问题。
  RedirectPermanent / https://www.hi-linux.com/
</VirtualHost>

<VirtualHost 0.0.0.0:443>
...
# 启用HTTP严格传输安全
  Header always set Strict-Transport-Security "max-age=63072000; includeSubdomains; preload"
...
</VirtualHost>

重启Apache服务

$ service apche2 restart

$ vim /etc/nginx/conf.d/hi-linux.conf

server {
   listen 443 ssl;
   server_name www.hi-linux.com;
   add_header Strict-Transport-Security "max-age=63072000; includeSubdomains; preload";
...
}

server {
   listen 80;
   server_name www.hi-linux.com;
   return 301 https://www.hi-linux.com$request_uri;
...
}

重启Nginx服务

$ service nginx restart

要在IIS上启用HSTS需要用到第三方模块。

设置完成了后，可以用curl命令验证下是否设置成功。如果出来的结果中含有Strict-Transport-Security的字段，那么说明设置成功了。

$ curl -I https://www.hi-linux.com
HTTP/1.1 200 OK
Server: nginx
Date: Sat, 27 May 2017 03:52:19 GMT
Content-Type: text/html; charset=utf-8
...
Strict-Transport-Security: max-age=63072000; includeSubDomains; preload
X-Frame-Options: deny
X-XSS-Protection: 1; mode=block
X-Content-Type-Options: nosniff
...

对于HSTS以及HSTS Preload List，建议是只要不能确保永远提供HTTPS服务，就不要启用。因为一旦HSTS生效，之前的老用户在max-age过期前都会重定向到HTTPS，造成网站不能正确访问。唯一的办法是换新域名。