加密与安全_优雅存储用户密码的最佳实践

文章目录

Pre
概述
最佳实践
- 避免使用MD5、SHA1等快速哈希算法
- 加盐哈希（不推荐）
- 使用BCrypt、Argon2等慢哈希算法 (推荐)
- - BCrypt Code
  - - 1. 自动生成和嵌入盐
    - 2. 哈希结果的格式
    - 3. 代价因子
  - BCrypt特点
- 防止暴力破解
- - 1. 登录失败锁定
  - 2. 双因素认证（2FA）
  - 3. 图形验证码或短信验证
  - 4. 异常检测与应对
  - 5. 登录通知
  - 总结

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Pre

MD5破解网站：https://www.cmd5.com/

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计划

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

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);

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多次 MD5 依然不安全

  // 多次 MD5
  String s1 = DigestUtils.md5Hex(DigestUtils.md5Hex(password));
  System.out.println(s1);

在这里插入图片描述

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。

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

 @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());
 }

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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：

密码空间大小：8 位密码的可能组合数。
MD5 哈希的计算速度：每秒可以计算多少次 MD5 哈希。
总计算时间：生成彩虹表所需的总时间。
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)} ]
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} ]
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：
$> [ \frac{218,340,105,584,896}{1,250} = 174,672,084,467 \text{ 秒} ]$

BCrypt Code

    private static BCryptPasswordEncoder passwordEncoder = new BCryptPasswordEncoder();

   @GetMapping("better")
    public UserData better(@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(passwordEncoder.encode(password));
        userRepository.save(userData);
        log.info("match ? {}", passwordEncoder.matches(password, userData.getPassword()));
        return userData;
    }