Django 安全性与防御性编程：如何保护 Django Web 应用

title: Django 安全性与防御性编程：如何保护 Django Web 应用
date: 2024/5/13 20:26:58
updated: 2024/5/13 20:26:58
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后端开发

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跨站请求伪造（CSRF）

跨站请求伪造（CSRF）是一种常见的网络攻击，它利用用户的身份和权限，欺骗服务器执行非预期的操作。Django 提供了一种内置的 CSRF 保护机制，可以帮助保护应用免受 CSRF 攻击。

Django 的 CSRF 保护机制是通过 CSRF 令牌（CSRF Token）实现的，它是一个加密字符串，包含了一些关于用户会话和请求的信息。在每个 POST、PUT、PATCH 和 DELETE 请求中，都需要在表单或 AJAX 请求中包含这个 CSRF 令牌，以便服务器可以验证请求的合法性。
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在 Django 中，可以通过以下几种方式获取 CSRF 令牌：

在 HTML 模板中，使用 {% csrf_token %} 标签，在表单中插入 CSRF 令牌。

<form method="post">
    {% csrf_token %}
    {{ form.as_p }}
    <button type="submit">提交</button>
</form>

在 AJAX 请求中，可以从 csrfmiddlewaretoken 的 cookie 中获取 CSRF 令牌，并在请求头中添加 X-CSRFToken 字段。

function getCookie(name) {
    var cookieValue = null;
    if (document.cookie && document.cookie !== '') {
        var cookies = document.cookie.split(';');
        for (var i = 0; i < cookies.length; i++) {
            var cookie = cookies[i].trim();
            // Does this cookie string begin with the name we want?
            if (cookie.substring(0, name.length + 1) === (name + '=')) {
                cookieValue = decodeURIComponent(cookie.substring(name.length + 1));
                break;
            }
        }
    }
    return cookieValue;
}

function csrfSafeMethod(method) {
    // these HTTP methods do not require CSRF protection
    return (/^(GET|HEAD|OPTIONS|TRACE)$/.test(method));
}

$.ajaxSetup({
    beforeSend: function(xhr, settings) {
        if (!csrfSafeMethod(settings.type) && !this.crossDomain) {
            xhr.setRequestHeader("X-CSRFToken", getCookie('csrftoken'));
        }
    }
});

在 Django 视图函数中，可以使用 request.META 获取 CSRF 令牌，并在请求中验证它的合法性。

from django.middleware.csrf import get_token

def my_view(request):
    token = get_token(request)
    # ...
    if request.method == 'POST':
        # ...
        if not request.is_csrf_token_valid():
            return HttpResponseBadRequest('Invalid CSRF token.')

Django 的 CSRF 保护机制可以帮助开发人员快速实现安全的 Web 应用，但是也需要注意一些问题，例如在使用 AJAX 请求时，需要确保请求头中包含了 CSRF 令牌，否则服务器会拒绝处理该请求。同时，在使用 CSRF 令牌时，也需要注意防止 CSRF 令牌被泄露，例如在表单中使用 HTTP GET 方法时，需要注意 CSRF 令牌的隐藏性。

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总之，Django 的 CSRF 保护机制是一个强大的工具，可以帮助开发人员快速实现安全的 Web 应用，但是也需要注意一些问题，以确保 CSRF 令牌的安全性。

跨站脚本（XSS）

跨站脚本（XSS，Cross-site Scripting）攻击是一种常见的网络安全威胁，攻击者通过注入恶意脚本到用户的浏览器中，来窃取用户的敏感信息或者执行非授权操作。Django 提供了一套内置的安全特性来帮助防止 XSS 攻击，其中包括过滤器（filters）和模板标签（template tags）。

内置过滤器： Django 的模板引擎（如 Django 的 {{ }} 模板标签）提供了 safe 过滤器，用于标记字符串为安全的，不会进行 HTML 实体转义。当需要在模板中显示用户输入的内容，但不想进行转义时，可以使用 safe 过滤器。
```
<p>{{ user_input|safe }}</p>
```
如果 user_input 可能包含恶意脚本，你需要确保它是可信的，或者在输出之前进行适当的清理和验证。
模板标签： Django 提供了 safe 标签，可以将整个块标记为安全，不会进行转义。
```
{% autoescape off %}
<p>{{ user_input|safe }}</p>
{% endautoescape %}
```
这里 autoescape off 指令关闭了模板的自动转义功能，如果在块内部使用 safe 标签，可以确保用户输入不会被转义。
Content Security Policy (CSP) ： Django 的 django.middleware.clickjacking.XSSMiddleware 和 django.middleware.security.SecurityMiddleware 中包含了 Content Security Policy 的支持，可以限制页面可以加载的内容来源，防止恶意脚本的执行。
HTML5 模式： Django 的 X_FRAME_OPTIONS 设置可以控制页面是否可以嵌入到其他页面中，防止点击劫持（Clickjacking）攻击，这是一种变相的 XSS 攻击。
输入验证：在接收用户输入时，始终进行适当的验证和清理，确保数据的格式和内容符合预期，避免恶意脚本的注入。

尽管 Django 提供了这些内置的保护机制，但开发人员仍然需要保持警惕，因为攻击者可能会使用各种手段绕过这些防御。在处理用户输入时，始终遵循“最小权限原则”，只允许必要的数据和功能，并且在必要时使用第三方库（如 django-csp 或 django-xss-filter）进行额外的安全增强。

SQL注入

Django 使用 Object-Relational Mapping (ORM) 技术，可以有效帮助开发人员避免 SQL 注入攻击。ORM 是一种在应用程序中使用高级编程语言（如 Python）来操作数据库的方法，它可以将 SQL 语句的构造转移到框架内部，从而减少直接编写 SQL 语句的需求。

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Django 的 ORM 将参数化查询作为默认行为，这意味着在构造 SQL 语句时，用户提供的数据会被自动转义，避免了直接将用户输入拼接到 SQL 语句中，这是 SQL 注入攻击的主要入口。

以下是使用 Django ORM 时应该遵循的安全最佳实践：

使用 ORM 而不是原生 SQL：尽可能地使用 Django ORM 来操作数据库，而不是直接编写原生 SQL 语句。ORM 会帮助你自动转义用户输入，避免 SQL 注入攻击。
使用参数化查询：当需要使用原生 SQL 时，始终使用参数化查询，避免将用户输入直接拼接到 SQL 语句中。例如，使用 Django 的 execute 方法：
```
from django.db import connection

with connection.cursor() as cursor:
    cursor.execute("SELECT * FROM myapp_model WHERE id = %s", [user_id])
    result = cursor.fetchone()
```
这里，%s 是一个占位符，[user_id] 是一个列表，其中包含用户输入的数据，ORM 会自动将其转义，避免 SQL 注入攻击。
使用预定义的查询：使用 Django ORM 提供的查询方法，如 get、filter、exclude 等，而不是直接使用原生的 SQL 查询。这些查询方法也会自动转义用户输入，避免 SQL 注入攻击。
输入验证：在接收用户输入时，始终进行适当的验证和清理，确保数据的格式和内容符合预期，避免恶意输入。

虽然 Django ORM 可以有效帮助开发人员避免 SQL 注入攻击，但不能完全消除这种风险。因此，在处理用户输入时，始终应该遵循“最小权限原则”，只允许必要的数据和功能，并在必要时使用第三方库（如 django-sql-security）进行额外的安全增强。

文件上传攻击

Django 提供了一些内置的安全特性来帮助处理文件上传，以减少文件上传攻击的风险。以下是一些关键的安全措施和最佳实践：

文件存储和路径安全：
- 避免使用用户提供的文件名：不要直接使用用户上传的文件名来保存文件，因为这可能导致路径遍历攻击。应该生成一个随机的文件名，并确保文件存储在安全的目录中。
- 限制文件存储位置：确保文件存储在应用程序的受控目录中，避免将文件存储在可由Web服务器直接访问的位置，这样可以防止直接访问上传的文件。
文件类型和大小限制：
- 检查文件类型：使用 mimetype、content_type 或文件的扩展名来验证文件类型，确保只接受预期的文件类型。
- 限制文件大小：在 settings.py 中设置 FILE_UPLOAD_MAX_MEMORY_SIZE 和 FILE_UPLOAD_MAX_NUMBER_PER_FIELD 来限制单个文件上传的大小和每个表单字段可以上传的文件数量。
文件内容验证：
- 检查文件内容：对于某些文件类型（如图像），可以使用库（如 PIL）来检查文件内容是否符合预期格式，以防止嵌入恶意代码。
使用 Django 的 FileField 和 ImageField：
- 这些字段类型提供了内置的验证，可以检查文件的 mimetype 和大小。
安全处理上传的文件：
- 不要执行不可信的文件：永远不要在服务器上执行用户上传的文件，这可能导致代码执行攻击。
- 隔离上传文件：如果可能，将上传的文件存储在隔离的环境中，以减少潜在的安全风险。
使用 Django 的中间件和视图：
- Django 的中间件可以用来在文件上传到视图之前进行额外的安全检查。
- 使用 Django 的视图装饰器，如 @login_required，来确保只有认证用户才能上传文件。
定期更新和安全审计：
- 定期更新 Django 和所有依赖库，以确保使用最新的安全修复。
- 进行安全审计，检查文件上传功能是否存在潜在的安全漏洞。

通过遵循这些最佳实践，可以大大降低文件上传攻击的风险。然而，安全是一个持续的过程，需要不断地评估和改进。

HTTPOnly cookie

Django 框架支持 HTTPOnly cookie，这是一种有助于提高网站安全性的措施。HTTPOnly cookie 是一种特殊的 cookie，它通过在设置 cookie 时添加 HttpOnly 标志来实现。这个标志告诉浏览器，该 cookie 不应该通过客户端脚本（如 JavaScript）访问。

以下是 HTTPOnly cookie 的一些关键点：

防止 XSS 攻击： HTTPOnly cookie 可以防止跨站脚本（XSS）攻击，因为攻击者无法通过注入恶意脚本来读取用户的 cookie。这有助于保护用户的会话信息不被窃取。
增强会话安全：当用户登录到一个网站时，服务器通常会创建一个会话 cookie，用于在后续请求中识别用户。如果这个 cookie 是 HTTPOnly 的，那么即使网站存在 XSS 漏洞，攻击者也无法通过 JavaScript 获取这个 cookie。
Django 中的设置： Django 默认会为 session cookie 和 CSRF token cookie 启用 HTTPOnly 标志。你可以在 Django 的设置文件 settings.py 中找到以下配置：
```
SESSION_COOKIE_HTTPONLY = True
CSRF_COOKIE_HTTPONLY = True
```
这些设置确保了 Django 生成的 session cookie 和 CSRF token cookie 都是 HTTPOnly 的。
手动设置 HTTPOnly cookie：如果你需要在 Django 视图中手动设置 cookie，并且希望它是 HTTPOnly 的，你可以这样做：
```
response = HttpResponse()
response.set_cookie('my_cookie', 'value', httponly=True)
```
在这个例子中，my_cookie 将被设置为 HTTPOnly cookie。

虽然 HTTPOnly cookie 提供了额外的安全层，但它并不能完全防止所有类型的攻击。例如，它不能防止中间人攻击或通过其他方式（如网络嗅探）获取 cookie。因此，除了使用 HTTPOnly cookie 之外，还应该采取其他安全措施，如使用 HTTPS、实施内容安全策略（CSP）等，以进一步提高网站的安全性。

密码安全性

Django 提供了内置的安全密码存储功能，这是通过其内置的 django.contrib.auth 库中的 User 模型和密码哈希处理机制实现的。当用户注册并设置密码时，Django并不会直接存储明文密码，而是存储密码的哈希值和一个随机盐值（salt）。

以下是 Django 安全密码存储的关键点：

哈希算法： Django 使用了 bcrypt 和 PBKDF2（取决于你的 Django 版本）这样的安全哈希算法来加密密码。这些算法经过精心设计，即使攻击者知道哈希值，也无法轻易地通过暴力破解或彩虹表来恢复原始密码。
盐值：每个用户的密码哈希值都会与一个唯一的随机盐值结合，这样即使相同的密码，由于盐值不同，生成的哈希值也会不同。这进一步增加了破解的难度。
set_password() 方法：当用户设置密码时，Django 提供了 set_password() 方法，它会自动处理密码的哈希和盐值生成。示例代码如下：
```
user = User.objects.create_user(username='myuser', password='mypassword')
user.set_password('mypassword')
user.save()
```
验证密码：当用户尝试登录时，Django 会计算他们提供的密码与数据库中存储的哈希值和盐值的匹配。这通过 authenticate() 函数完成，而不是直接比较密码。

check_password() 方法：为了验证密码，可以使用 check_password() 方法，如：

if user.check_password('mynewpassword'):
    # 密码正确
else:
    # 密码错误

通过这种方式，Django 有效地保护了用户的密码，即使数据库被泄露，攻击者也无法直接获取到用户的密码，从而提高了安全性。

安全会话

Django 使用加密和签名的方式来保护会话数据，以确保会话的安全性。下面是 Django 中安全会话的实现方式：

加密会话数据： Django 默认会将会话数据加密后存储在用户的浏览器中。这样即使用户可以查看浏览器的 cookie 数据，也无法直接读取和理解其中的内容。Django 使用密钥来加密和解密会话数据，确保数据的机密性。
签名会话数据：除了加密数据外，Django 还会对会话数据进行签名。签名是通过使用密钥和哈希算法来生成一个签名值，用于验证数据的完整性和真实性。如果会话数据在传输过程中被篡改，签名验证将失败，从而防止数据被篡改。
SESSION_ENGINE 设置：在 Django 的设置文件中，可以通过 SESSION_ENGINE 设置来选择会话引擎。默认情况下，Django 使用 django.contrib.sessions.backends.db 作为会话引擎，将加密和签名的会话数据存储在数据库中。也可以选择其他会话引擎，如 django.contrib.sessions.backends.cache 或 django.contrib.sessions.backends.file。
SESSION_COOKIE_SECURE 设置：可以通过设置 SESSION_COOKIE_SECURE = True 来确保会话 cookie 只能通过 HTTPS 连接传输，增加会话数据的安全性。
SESSION_COOKIE_HTTPONLY 设置：同样可以通过设置 SESSION_COOKIE_HTTPONLY = True 来禁止 JavaScript 访问会话 cookie，减少 XSS 攻击的可能性。