加密与安全_优雅存储用户密码的最佳实践

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Pre

MD5破解网站：https://www.cmd5.com/

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计划

1. 讨论密码保存的关键原则和最佳实践。
2. 解析不应使用MD5单独保存密码的原因。
3. 探讨加盐的必要性及注意事项。
4. 推荐使用更安全的哈希算法，例如BCrypt，并解释其优点。
5. 总结防止暴力破解和进一步保护用户账号的措施。

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概述

在保存用户密码时，最重要的原则是不要以任何形式存储原始密码，而是存储经过哈希处理后的密码哈希值。传统的哈希算法如MD5虽然不可逆，但由于它们的速度快且容易构建彩虹表，这使得仅用它们来保存密码是不安全的。

最佳实践

避免使用MD5、SHA1等快速哈希算法

快速哈希算法，如MD5、SHA1等，因计算速度过快，容易被利用来构建彩虹表，导致密码被破解。因此，不建议使用这些算法来存储用户密码。

 import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;@GetMapping("wrong1")public UserData wrong1(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "artisan") String name, @RequestParam(value = "password", defaultValue = "Abcd1234") String password) {UserData userData = new UserData();userData.setId(1L);userData.setName(name);userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(password));return userRepository.save(userData);}

String password = "Abcd1234";
String s = DigestUtils.md5Hex(password);
System.out.println(s);

多次 MD5 依然不安全

  // 多次 MD5String s1 = DigestUtils.md5Hex(DigestUtils.md5Hex(password));System.out.println(s1);

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加盐哈希 （不推荐）

加盐（Salt）是一种防御措施，通过在密码前后加入一个随机的字符串（盐值）来增加哈希的复杂度。正确的加盐方法如下：

• 每个密码都应有一个唯一的盐值。

• 盐值应足够长和复杂，通常建议长度超过20位。

    // 不能在代码中写死盐，且盐需要有一定的长度 ,如下是个错误的示例String s2 = DigestUtils.md5Hex("salt" + password);System.out.println(s2);
  

  
  对于这样一串 MD5，虽然破解网站上找不到原始密码，但是黑客可以自己注册一个账号，
  使用一个简单的密码，比如 1 ,得到 55f312f84e7785aa1efa552acbf251db
  
  然后，再去破解网站试一下这个 MD5，就可以得到原始密码是 salt，也就知道了盐值是salt

• 盐值不应直接与用户的其他信息（如用户名）相关。

   @GetMapping("wrong3")public UserData wrong3(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "朱晔") String name, @RequestParam(value = "password", defaultValue = "Abcd1234") String password) {UserData userData = new UserData();userData.setId(1L);userData.setName(name);userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(name + password));return userRepository.save(userData);}
  

  如果世界上所有的系统都是按照这个方案来保存密码，那么 root、admin 这样的用户使再复杂的密码也总有一天会被破解，因为黑客们完全可以针对这些常用用户名来做彩虹表。

  所以，盐最好是随机的值，并且是全球唯一的，意味着全球不可能有现成的彩虹表给你用

• 盐值和哈希后的密码应一同存储，盐值无需加密。

  正确的做法是，使用全球唯一的、和用户无关的、足够长的随机值作为盐。比如，可以使用UUID 作为盐，把盐一起保存到数据库中

    @GetMapping("right")public UserData right(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "朱晔") String name, @RequestParam(value = "password", defaultValue = "Abcd1234") String password) {UserData userData = new UserData();userData.setId(1L);userData.setName(name);userData.setSalt(UUID.randomUUID().toString());userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(userData.getSalt() + password));return userRepository.save(userData);}
  

  并且每次用户修改密码的时候都重新计算盐，重新保存新的密码。在我看来， 盐没有必要加密保存。盐的作用是，防止通过彩虹表快速实现密码“解密”，如果用户的盐都是唯一的，那么生成一次彩虹表只可能拿到一个用户的密码，这样黑客的动力会小很多。

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使用BCrypt、Argon2等慢哈希算法 (推荐)

Spring Security 已经废弃了 MessageDigestPasswordEncoder，推荐使用BCryptPasswordEncoder

BCrypt和Argon2是为密码保存设计的慢哈希算法。这些算法通过引入计算成本（例如BCrypt的代价因子）使得暴力破解变得非常困难。

BCrypt 是为保存密码设计的算法，相比 MD5 要慢很多.

测试一下 MD5，以及使用不同代价因子的 BCrypt，看看哈希一次密码的耗时

import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCrypt;@GetMapping("performance")public void performance() {StopWatch stopWatch = new StopWatch();String password = "Abcd1234";stopWatch.start("MD5");DigestUtils.md5Hex(password);stopWatch.stop();stopWatch.start("BCrypt(10)");String hash1 = BCrypt.gensalt(10);BCrypt.hashpw(password, hash1);System.out.println(hash1);stopWatch.stop();stopWatch.start("BCrypt(12)");String hash2 = BCrypt.gensalt(12);BCrypt.hashpw(password, hash2);System.out.println(hash2);stopWatch.stop();stopWatch.start("BCrypt(14)");String hash3 = BCrypt.gensalt(14);BCrypt.hashpw(password, hash3);System.out.println(hash3);stopWatch.stop();log.info("{}", stopWatch.prettyPrint());}

MD5 的计算速度非常快（约 0.8 毫秒），这使得它容易被用于构建彩虹表或暴力破解密码。正因为它的速度快，攻击者可以在短时间内生成并查找大量的 MD5 哈希值，从而快速破解密码。

BCrypt 设计用于密码存储，考虑了安全性。它的计算速度相对较慢，特别是在设置较高代价因子（cost factor）的情况下。代价因子越高，BCrypt 的计算时间越长，这意味着攻击者需要花费更长时间才能生成彩虹表或进行暴力破解。例如：

• 代价因子为 10 时，BCrypt 哈希耗时 82 毫秒。
• 代价因子为 12 时，耗时增加到 312 毫秒。
• 代价因子为 14 时，耗时更是达到了 1.2 秒。

这意味着，即使攻击者想要创建一个针对 BCrypt 的彩虹表，所需的时间和计算资源也大大增加。例如，若生成一个针对 8 位密码的 MD5 彩虹表需要 5 个月的时间，那么对 BCrypt 而言，这个时间可能会延长到几十年甚至更久。由于需要大量的计算资源和时间，大部分攻击者可能会选择放弃，转而寻找更容易的目标。

要估算生成一个针对 8 位密码的 MD5 彩虹表所需的时间，我们需要考虑以下因素：

1. 密码空间大小：8 位密码的可能组合数。
2. MD5 哈希的计算速度：每秒可以计算多少次 MD5 哈希。
3. 总计算时间：生成彩虹表所需的总时间。
4. 计算密码空间大小
   假设密码由 62 个字符组成（大写字母、小写字母和数字，共 26 + 26 + 10 = 62 个字符），那么8位密码的可能组合数为：[ 62^8 ]
   计算这个值：
   [ 62^8 = 218,340,105,584,896 \text{ (约为 218 万亿次计算)} ]
5. 计算MD5哈希的速度
   根据数据，MD5 哈希的计算速度是 0.8 毫秒每次。那么，每秒的哈希计算次数为：
   [ \frac{1}{0.8 \text{ 毫秒}} = \frac{1}{0.0008 \text{ 秒}} = 1,250 \text{ 次/秒} ]
6. 计算生成彩虹表的总时间
   生成彩虹表的总时间 = 密码空间大小 ÷ 每秒哈希计算次数：
   
   

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BCrypt Code

   import org.springframework.security.crypto.bcrypt.BCryptPasswordEncoder;private static BCryptPasswordEncoder passwordEncoder = new BCryptPasswordEncoder();@GetMapping("better")public UserData better(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "artisan") String name, @RequestParam(value = "password", defaultValue = "Abcd1234") String password) {UserData userData = new UserData();userData.setId(1L);userData.setName(name);userData.setPassword(passwordEncoder.encode(password));userRepository.save(userData);log.info("match ? {}", passwordEncoder.matches(password, userData.getPassword()));return userData;}

1. 自动生成和嵌入盐

BCrypt 的 encode 方法会自动生成一个随机盐，然后将这个盐与密码一起进行哈希计算。这个盐会作为哈希结果的一部分存储，因此在对密码进行校验时，BCrypt 可以直接从哈希结果中提取盐，重新计算哈希值并进行比对。这样做的好处是，你不需要手动生成和存储盐，也不需要在密码校验时额外传入盐。

2. 哈希结果的格式

BCrypt 的哈希结果格式是非常标准化的，结构如下：

$<ver>$<cost>$<salt><digest>

• $：字段分隔符。
• <ver>：算法版本，例如 2a 代表算法的版本。
• <cost>：代价因子，控制哈希计算的复杂度。值越大，计算时间越长。
• <salt>：生成的盐，通常为 22 个字符。
• <digest>：最终的哈希值，也就是加盐后的密码哈希结果。

例如，$2a$10$wPWdQwfQO2lMxqSIb6iCROXv7lKnQq5XdMO96iCYCj7boK9pk6QPC 可以被解析为：

• 版本：2a
• 代价因子：10
• 盐：wPWdQwfQO2lMxqSIb6iCRO
• 哈希：Xv7lKnQq5XdMO96iCYCj7boK9pk6QPC

由于盐是嵌入在哈希结果中的，因此无需单独存储盐，也不需要在校验时提供它。

3. 代价因子

代价因子（cost factor）控制了 BCrypt 哈希函数的计算复杂度。具体而言，代价因子的值越高，哈希计算所需的时间越长。这是 BCrypt 的一个重要特性，能够有效地防止暴力破解攻击。

• 低代价因子：计算速度快，适用于对性能有要求的系统，但安全性相对较低。
• 高代价因子：计算速度慢，提高了攻击者进行暴力破解的成本，适用于需要高安全性的场景。

实践建议：

• 默认值：通常设置为 10 是一个平衡的选择，既能保证足够的安全性，又不会影响用户体验。
• 动态调整：随着硬件性能的提升，定期评估并增加代价因子值，以应对潜在的暴力破解威胁。

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BCrypt特点

• 内置加盐机制： BCrypt 把盐作为了算法的一部分，强制我们遵循安全保存密码的最佳实践。
• 可调节的计算成本： 通过调整代价因子，可以增加哈希计算的时间，进一步增强密码的安全性。

BCrypt 通过引入计算时间和复杂的加盐机制，使得暴力破解和彩虹表攻击变得极其困难。相比之下，MD5 的速度和结构决定了它更容易被破解，因此不推荐用于密码存储。选择合适的代价因子（如 12 或 14）能在安全性和性能之间取得平衡，是保护用户密码的有效方式。

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防止暴力破解

在密码存储和验证之外，配套的安全防御机制对于保护用户账户至关重要。以下是几种常见的安全防御措施及其作用：

1. 登录失败锁定

当用户多次输入错误的密码时，暂时锁定账号可以有效防止暴力破解攻击。通常的实现方式有：

• 逐步延迟：在多次错误尝试后，每次登录尝试之间引入逐步增加的延迟时间。
• 账号锁定：在一定次数的错误尝试后，暂时锁定账号一段时间（例如 5 分钟），或要求用户通过额外验证解锁（例如通过邮件或短信）。

这种机制可以大大增加攻击者暴力破解的难度，同时又不至于对用户造成过多的使用不便。

2. 双因素认证（2FA）

双因素认证要求用户在登录时，除了输入密码外，还需要提供另一个独立的认证信息（通常是一次性验证码），以进一步验证用户身份。常见的 2FA 方法包括：

• 短信验证码：用户在输入密码后，会收到一条带有一次性验证码的短信，用户需在登录界面输入该验证码完成认证。
• 认证应用：例如 Google Authenticator、Authy 等应用，会生成基于时间的动态验证码，用户需输入该验证码才能完成登录。
• 硬件令牌：如 U2F 安全密钥，在登录时需要插入或接触物理设备以完成认证。

2FA 有效地增加了账户安全性，因为即使密码被泄露，攻击者仍需获得第二个认证因素才能登录。

3. 图形验证码或短信验证

图形验证码和短信验证可以防止自动化攻击，例如暴力破解工具或脚本批量尝试登录：

• 图形验证码：在用户登录时，要求用户输入图片上显示的字符。这类验证码通过生成随机图像、扭曲字符等方式，阻止自动化脚本识别并输入正确的字符。
• 短信验证：在检测到异常登录行为（例如来自不同地域的登录尝试）时，要求用户输入短信验证码以完成登录。

这种机制可以有效防止自动化攻击，提高系统的安全性。

4. 异常检测与应对

现代系统还可以通过分析用户行为，检测异常活动并采取措施：

• 地理位置分析：如果用户在短时间内从两个远离的地点尝试登录，系统可以标记为异常行为，并要求额外的验证步骤。
• 设备识别：如果用户从未使用过的设备或浏览器登录，系统可以要求进行额外验证，或者通知用户以防止潜在的账户劫持。

5. 登录通知

向用户发送登录通知（通过邮件或短信），告知他们账号的每次登录。这种做法可以让用户及时发现并报告未经授权的登录行为，从而迅速采取防御措施。

总结

除了使用安全的哈希算法外，配套的安全防御机制（如登录失败锁定、双因素认证、图形验证码、异常行为检测等）是构建健壮的用户认证系统的关键。这些机制共同作用，能显著降低账户被攻击的风险，保护用户数据的安全。