なぜ秘密の比較に hash_equals を使うのか ー内部実装と実践ガイド / why use hash equals for secret comparison internals and practical guide

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1. 2026年2月24日 第184回PHP勉強会＠東京 なぜ秘密の比較に hash_equals を使うのか ー内部実装と実践ガイド
2. 2 自己紹介 PHPer歴 11年目のエンジニア。PHPは私の育ての親。 1歳とトイプードルの父。 2月は１ヶ月が短くて、祝日もあるので得した気分になります。 塚原 彰仁 2025.11 コドモンに入社 セキュリティチームに所属 2026.02 コドモン入ってから初の外部登壇です！ @AkitoTsukahara
3. 3 きっかけ 業務でセキュリティに関する実装をする機会があり Laravelの内部実装を参考に読んでいたら CSRFトークンの検証で気になるコードを見つけました👀 vendor/laravel/framework/src/Illuminate/Foundation/Http/Middleware/VerifyCsrfToken.php
4. 4 ===じゃダメなんだっけ？ 文字列の一致を確認するだけなら === で十分では？ なぜわざわざ hash_equals を使うのか？
5. 5 理由はタイミング攻撃対策 === は処理時間から秘密が漏れる可能性がある hash_equals はそれを防いでくれる
6. 6 この発表の流れ ⚫ === の内部実装とタイミングリーク ⚫ hash_equals の内部実装と定数時間比較 ⚫ hash_equals が生まれた歴史 ⚫ 実践的な使い分けの基準を整理
7. タイミング攻撃の原理
8. 8 タイミング攻撃とは 処理時間の微小な 差 を観測して 秘密情報を推測する サイドチャネル攻撃
9. 9 PHPの === の内部を追ってみる 文字列の === 比較は内部で zend_string_equals() を呼び出します
10. 10 PHPの === の内部実装を追ってみる さらに zend_string_equal_content() を呼び出します
11. 11 PHPの === の内部実装を追ってみる そして zend_string_equal_val() を呼び出します
12. 12 ポイントは２つ ⚫ 長さが異なる場合 即座に false を返す ⚫ 長さが同じ場合 memcmp() で内容を比較
13. 13 memcmpとは C言語の標準ライブラリ関数で、 2つのメモリ領域をバイト単位で比較する PHPはシステムの libcを使用 glibcの実装は300行以上と複雑なため、シンプルな musl libc の実装で原理を説明します
14. 14 memcmpの実装（musl libc） musl libc: 軽量なC標準ライブラリ実装。 glibcでも不一致検出時に即 returnする点は同様
15. 15 この１行が問題 ⚫ n が残っている間、1バイトずつ比較 ⚫ *l == *r が成立する間だけループ継続 ⚫ 不一致を見つけた瞬間にループ終了
16. 16 Linux man pageの警告 “ Do not use memcmp() to compare confidential data, such as cryptographic secrets, because the CPU time required for the comparison depends on the contents of the addresses compared, this function is subject to timing-based side-channel attacks. （機密データ（暗号シークレットなど）の比較にmemcmp()を使用しないでくだ さい。比較にかかるCPU時間は比較されるアドレスの内容に依存するため、こ の関数はタイミングベースのサイドチャネル攻撃を受けやすいです。）
17. 17 早期リターンの問題 一致している文字数が多いほど処理時間が長くなる 1文字目で不一致 すぐに終了 → リターンが早い 最後の文字で不一致 全部比較 → リターンが遅い
18. 18 攻撃の3ステップ Step 1 文字列長の特定 長さ一致時のみmemcmpが実行され、わずかに処理時間が長くなる ▼ Step 2 1文字目の特定 正しい文字で2文字目比較に進み、処理時間が増加 ▼ Step 3 2文字目以降も同様 全文字を1文字ずつ特定していく
19. 19 どれくらいの試行で特定できる？ 約 49,000回 のサンプルで 15ナノ秒 の差を検出可能 出典: "Remote Timing Attacks are Practical" - Rice大学の論文
20. 20 ランダムな遅延では防げない 「レスポンスにランダムな遅延を追加すれば防げるのでは？」 ランダムな値は試行回数を増やせば 平均化 されてしまう 本来のタイミング差（信号）は依然として残る → 根本的な解決にはならない
21. ライブデモ
22. 22 本当に差が出るの？ 理論は分かった でも本当に測定ができるほどの差が出るの？ →実際に測ってみましょう！
23. 23 ベンチマーク環境 ⚫ 環境 : Docker（Apple Silicon） ⚫ 文字列長 : 256文字 ⚫ 試行回数 : 1,000万回 × 7ラウンド（中央値を採用） ⚫ 測定対象 : 不一致位置を変えて === と hash_equals を比較
24. 24 比較するPHPバージョン ⚫ PHP 5.6 : hash_equalsが初めて導入されたバージョン ⚫ PHP 7.4 : PHP 7系の最終安定版 ⚫ PHP 8.4 : PHP 8系（JIT無効） ⚫ PHP 8.4 : 最新版（JIT有効）←ライブデモ 時間の都合上、ライブデモは PHP 8.4（JIT有効） のみ実施。 他のバージョンは事前に実行した結果を利用しています。 実行するコードはこちら
25. 25 測定パターン ⚫ 1文字目不一致 : 最初の文字だけ違う → 最速 ⚫ 最後不一致 : 256文字目で不一致 → 最遅 ⚫ 差分 : この2つの差がタイミング攻撃の根拠
26. ターミナルに切り替えます
27. 27 ベンチマーク結果（=== 演算子） PHP Version 1文字目不一致 最後不一致 差分 5.6 14.09 ns 23.20 ns 9.11 ns 7.4 6.47 ns 9.55 ns 3.08 ns 8.4(JIT無効) 6.01 ns 9.26 ns 3.25 ns 8.4(JIT有効) 2.74 ns 5.17 ns 2.43 ns
28. 28 バージョンによる変化 ⚫ PHP 5.6 → 8.4(JIT) で差分は約3分の1に ⚫ しかし ゼロにはならない ⚫ JITを有効にしても差は残る
29. 29 hash_equalsとの比較（PHP 8.4 JIT） ケース === hash_equals 長さ不一致 3.15 ns 14.13 ns 1文字目不一致 2.74 ns 93.69 ns 中間不一致 3.63 ns 94.16 ns 最後不一致 5.17 ns 94.28 ns 完全一致 5.17 ns 94.52 ns
30. 30 注目ポイント === の列 ⚫ 1文字目不一致 : 2.71ns ⚫ 最後不一致 : 5.13ns ⚫ 約2.4ns の差がある ⚫ 「どこまで一致しているか」が 　　処理時間に現れている hash_equals の列 ⚫ 長さ一致ケースは全て 約94ns で安定 ⚫ これが 定数時間比較 の効果 ⚫ オーバーヘッドは約 90ns 　 （処理時間は無視できるレベル）
31. hash_equalsの内部実装
32. 32 hash_equalsはどう解決するのか 不一致があっても 全文字を必ず比較する
33. 33 hash_equalsの内部実装① ⚫ PHP 8.0+ の型チェック強化 はここで実装 ⚫ 実際の比較ロジックは php_safe_bcmp に委譲
34. 34 hash_equalsの内部実装② ===（memcmp）との決定的な違いは 不一致があっても処理を止めない こと
35. 35 実装のキモ — XOR演算（^） 同じ文字 A ^ A = 0 ビットが全て同じ → 0 違う文字 A ^ B ≠ 0 異なるビットがある →非0
36. 36 OR演算（!=）の役割 ⚫ 各文字のXOR結果を r(result) に累積 ⚫ 一度でも差があれば r ≠ 0 ⚫ 全文字を確認するまで結果が確定しない
37. 37 なんでこれで定数時間に？ ⚫ 途中で不一致を見つけても ループを抜けない ⚫ 必ず最後の文字まで比較を続ける ⚫ どこで不一致があっても同じ処理回数
38. 38 volatileキーワードの重要性 ⚫ コンパイラに「このポインタ経由のアクセスを 最適化するな」と指示 ⚫ 最適化により早期リターンが発生するのを防止 ⚫ 定数時間を守るための重要な工夫 定数時間を脅かす要因（コンパイラ最適化・ CPUキャッシュ等）は多いが、 PHPコアで明示的に対処
39. 39 なぜ長さのリークは許容されるのか？ “ In general, it's not possible to prevent length leaks. So it's OK to leak the length. The important part is that it doesn't leak information about the difference of the two strings. CSRFトークンやHMACの出力長は 公開情報（固定長） 攻撃者が知りたいのは 内容 であり、長さだけでは内容を推測できない hash_equals も長さが異なると即座に false を返すが、問題ないか？ — ircmaxell's Blog "It's All About Time"
40. hash_equalsの歴史
41. 41 RFC: timing_attack ⚫ 2013年12月: Rouven Weßling氏がRFCを提出 ⚫ RFCの名前が「timing_attack」 ⚫ 投票結果: 賛成22、反対1 で可決 — Request for Comments: Timing attack safe string comparison function
42. 42 PHP 5.6（2014年8月） ⚫ タイミング攻撃対策として 初登場 ⚫ ext/hash に実装 導入の背景 PHP 5.5の password_verify は定数時間比較を備えていたがパスワード検証専用。 CSRFトークンやHMAC署名など 文字列同士の汎用的な定数時間比較 が必要だった
43. 43 PHP 8.0（2020年） ⚫ 型チェック強化 ⚫ 文字列以外を渡すと TypeError ⚫ 誤用を防ぐための改善
44. 実践的な使い分け
45. 45 使い分けの判断基準 「比較する値に 秘密情報 が含まれ、 それを ユーザー入力 と照合しているか」
46. 46 判断フロー 比較する値にユーザーが知らない 秘密 が含まれている？ その秘密をユーザーの 入力と 照合 している？ === で問題なし hash_equals === で問題なし ↓ Yes ↓ No ↓ Yes ↓ No
47. 47 迷ったときの判断基準 ⚫ 何か悪用できる → hash_equals ⚫ 特に問題ない → === hash_equalsのオーバーヘッドは数十ナノ秒程度。 迷ったら hash_equals を選んでおけば安全 「この値が攻撃者に 1文字ずつ 漏れたら何が起きるか？」
48. 48 hash_equalsを使うべき場面
49. 49 === で問題ない場面 → 秘密ではない値の比較（公開情報）
50. 50 password_verify()を使うべき場面 パスワード検証には専用関数を使う 内部で定数時間比較も行うため、タイミング攻撃にも安全
51. 51 注意①: 引数の順序が重要 攻撃者がユーザー入力の長さを操作して「長さ不一致」による高速リターンを意図的に引き起こし、計測の ベースラインを操作するのを防ぐ
52. 52 注意②: 型チェック is_string() で事前チェックしてTypeErrorを防止。 こうした細かい防御の積み重ねがフレームワークの堅牢性を支えている hash_equals は 文字列のみ 対応。nullやintでTypeError
53. まとめ
54. 54 今日のポイント ⚫ === は 早期リターン により処理時間が入力に依存する ⚫ hash_equals は 全文字を必ず比較 して定数時間を実現 ⚫ 長さのリーク は許容される（内容の推測には使えない） ⚫ 使い分けの基準は「秘密情報をユーザー入力と照合しているか」 ⚫ 引数の順序は 既知の秘密が第1引数、ユーザー入力が第2引数 ⚫ パスワード検証は password_verify() を使う
55. 55 多層防御の重要性 “ From a practical standpoint, I wouldn't worry about timing attacks until I was confident that the other potential vectors are secured. ⚫ Rate Limiting: 攻撃に必要な数万〜数十万の試行を制限 ⚫ トークンのローテーション: 有効期限を短くして試行回数を制限 ⚫ 他の対策も重要: SQLi、XSS対策が優先 — ircmaxell's Blog "It's All About Time" 「実用的には、他の脆弱性対策ができてからタイミング攻撃を心配すべき」
56. 56 やってみよう 秘密の値を === で比較している箇所があれば hash_equals への置き換えを検討。 「攻撃が難しいから大丈夫」ではなく、「 簡単に防げるなら防いでおく 」 皆さんのプロジェクトをgrepしてみてください
57. 57 参考資料 ⚫ PHP RFC: timing_attack ⚫ PHP Manual: hash_equals ⚫ Linux man page: memcmp ⚫ ircmaxell's Blog ⚫ Remote Timing Attacks are Practical (PDF) - Rice大学の論文 ⚫ 本発表の元記事
58. コドモン採用ページ コドモンでは、ともに課題を紐解き、一歩一歩前に進んでいく 仲間を募集しています！ 開発チームX