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密码存储中MD5的安全问题与替代方案

2017-06-01 13:44 281 查看
经过各种安全事件后，很多系统在存放密码的时候不会直接存放明文密码了，大都改成了存放了 md5 加密（hash）后的密码，可是这样真的安全吗？
[root@f4d5945f1d7c tools]# php speed-of-md5.php
Array
(
[rounds] => 100
[times of a round] => 1000000
[avg] => 0.23415904045105
[max] => 0.28906106948853
[min] => 0.21188998222351
)


有没有发现一个问题：MD5速度太快了，导致很容易进行暴力破解.

简单计算一下：
> Math.pow(10, 6) / 1000000 * 0.234
0.234
> Math.pow(36, 6) / 1000000 * 0.234 / 60
8.489451110400001
> Math.pow(62, 6) / 1000000 * 0.234 / 60 / 60
3.69201531296


使用6位纯数字密码，破解只要0.234秒！

使用6位数字+小写字母密码，破解只要8.49分钟！

使用6位数字+大小写混合字母密码，破解只要3.69个小时！

当然，使用长一点的密码会显著提高破解难度：
> Math.pow(10, 8) / 1000000 * 0.234
23.400000000000002
> Math.pow(36, 8) / 1000000 * 0.234 / 60 / 60 / 24
7.640505999359999
> Math.pow(62, 8) / 1000000 * 0.234 / 60 / 60 / 24 / 365
1.6201035231755982


使用8位纯数字密码，破解要23.4秒！

使用8位数字+小写字母密码，破解要7.64小时！

使用8位数字+大小写混合字母密码，破解要1.62年！

但是，别忘了，这个速度只是用PHP这个解释型语言在笔者的弱鸡个人电脑（i5-4460 CPU 3.20GHz）上跑出来的，还只是利用了一个线程一个CPU核心。若是放到最新的 Xeon E7 v4系列CPU的服务器上跑，充分利用其48个线程，并使用C语言来重写下测试代码，很容易就能提升个几百上千倍速度。那么即使用8位数字+大小写混合字母密码，破解也只要14小时！

更何况，很多人的密码都是采用比较有规律的字母或数字，更能降低暴力破解的难度... 如果没有加盐或加固定的盐，那么彩虹表破解就更easy了...


那么如何提升密码存储的安全性呢？bcrypt!

提升安全性就是提升密码的破解难度，至少让暴力破解难度提升到攻击者无法负担的地步。（当然用户密码的长度当然也很重要，建议至少8位，越长越安全）

这里不得不插播一句：PHP果然是世界上最好的语言 -- 标准库里面已经给出了解决方案。

PHP 5.5 的版本中加入了 
password_xxx
 系列函数,
而对之前的版本，也有兼容库可以用：password_compat.

在这个名叫“密码散列算法”的核心扩展中提供了一系列简洁明了的对密码存储封装的函数。简单介绍下：

password_hash
 是对密码进行加密（hash），目前默认用（也只能用）bcrypt算法，相当于一个加强版的md5函数

password_verify
 是一个验证密码的函数，内部采用的安全的字符串比较算法，可以预防基于时间的攻击,
相当于 
$hashedPassword === md5($inputPassword)


password_needs_rehash
 是判断是否需要升级的一个函数，这个函数厉害了，下面再来详细讲

password_hash
 需要传入一个算法，现在默认和可以使用的都只有bcrypt算法，这个算法是怎么样的一个算法呢？为什么PHP标准库里面会选择bcrypt呢?

bcrypt是基于 Blowfish 算法的一种专门用于密码哈希的算法，由 Niels Provos 和 David Mazieres 设计的。这个算法的特别之处在于，别的算法都是追求快，这个算法中有一个至关重要的参数：cost. 正如其名，这个值越大，耗费的时间越长，而且是指数级增长 -- 其加密流程中有一部分是这样的：
EksBlowfishSetup(cost, salt, key)
state <- InitState()
state <- ExpandKey(state, salt, key)
repeat (2^cost)                         // "^"表示指数关系
state <- ExpandKey(state, 0, key)
state <- ExpandKey(state, 0, salt)
return state


比如下面是笔者的一次测试结果（个人弱机PC, i5-4460 CPU 3.20GHz） ：
cost       time
8   0.021307
9   0.037150
10   0.079283
11   0.175612
12   0.317375
13   0.663080
14   1.330451
15   2.245152
16   4.291169
17   8.318790
18  16.472902
19  35.146999


附：测试代码

点击预览

这个速度与md5相比简直是蜗牛与猎豹的差别 -- 即使按照cost=8, 一个8位的大小写字母+数字的密码也要14万年才能暴力破解掉，更何况一般服务器都会至少设置为10或更大的值（那就需要54万年或更久了）。

显然，cost不是越大越好，越大的话会越占用服务器的CPU，反而容易引起DOS攻击。建议根据服务器的配置和业务的需求设置为10~12即可。最好同时对同一IP同一用户的登录尝试次数做限制，预防DOS攻击。


一个安全地存储密码的方案

总上所述，一个安全地存储密码的方案应该是这样子的

点击预览：（直接放代码吧）
class User extends BaseModel
{
const PASSWORD_COST = 11; // 这里配置bcrypt算法的代价，根据需要来随时升级
const PASSWORD_ALGO = PASSWORD_BCRYPT; // 默认使用（现在也只能用）bcrypt

/**
* 验证密码是否正确
*
* @param string $plainPassword 用户密码的明文
* @param bool  $autoRehash    是否自动重新计算下密码的hash值（如果有必要的话）
* @return bool
*/
public function verifyPassword($plainPassword, $autoRehash = true)
{
if (password_verify($plainPassword, $this->password)) {
if ($autoRehash && password_needs_rehash($this->password, self::PASSWORD_ALGO, ['cost' => self::PASSWORD_COST])) {
$this->updatePassword($plainPassword);
}

return true;
}

return false;
}

/**
* 更新密码
*
* @param string $newPlainPassword
*/
public function updatePassword($newPlainPassword)
{
$this->password = password_hash($newPlainPassword, self::PASSWORD_ALGO, ['cost' => self::PASSWORD_COST]);
$this->save();
}
}


这样子，在用户注册或修改密码的时候就调用 
$user->updatePassword()
 来设置密码，而登录的时候就调用 
$user->verifyPassword()
 来验证下密码是否正确。

当硬件性能提升到一定程度，而cost=11无法满足安全需求的时候，则修改下 
PASSWORD_COST
 的值即可无缝升级，让存放的密码更安全。
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