加密的藝術(shù)：密文的創(chuàng)建和校驗(yàn)

概述

在我很喜歡的一部（根據(jù)真實(shí)事件改編）的電影《模仿游戲》里面：

著名的科學(xué)家圖靈帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，花費(fèi)兩年的時(shí)間，費(fèi)勁九牛二虎之力，在找到德軍的話術(shù)口令后才得以破解了德軍通訊加密裝置 “英格瑪”，為第二次世界大戰(zhàn)取得勝利打下的堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。那么德軍使用的通訊加密究竟是一種怎樣的技術(shù)，這是我們今天要探討的數(shù)據(jù)加密技術(shù)。數(shù)據(jù)的保密是對(duì)數(shù)據(jù)加密、解密的統(tǒng)稱，用學(xué)院派的說法就是， 使用某種算法改變了信息原本的形態(tài)，使攻擊者即使竊取了信息也因?yàn)闆]有對(duì)應(yīng)的解密的方法也無法獲取當(dāng)信息的真實(shí)內(nèi)容。 這就是信息保密的目的，對(duì)于信息的保密，可以在三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，分別是：

1. 在客戶端進(jìn)行保密
2. 在傳輸時(shí)進(jìn)行保密（最復(fù)雜，也最有效）
3. 在服務(wù)端進(jìn)行保密

加密的強(qiáng)度

在安全領(lǐng)域大家都知道安全是區(qū)分等級(jí)的，不同應(yīng)用的敏感信息重要性不同，所以需要的安全等級(jí)也不同，這個(gè)世界上沒有絕對(duì)的安全，安全等級(jí)不可能無止境的拉滿，任何安全手段都可以破解（只要花費(fèi)足夠的成本），想要更高級(jí)別的安全等級(jí)，就要付出更高的成本（工作量，算力）等。例如常見的加密技術(shù)可以說明這一點(diǎn)。加密的強(qiáng)度從低到高，分別有：

一：哈希算法：最常見的加密手段，對(duì)明文密碼使用 MD5 等哈希摘要算法進(jìn)行不可逆的哈希計(jì)算進(jìn)行加密，示例：

import java.security.MessageDigest;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;

public class MD5Hash {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "yourPassword";
        try {
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
            byte[] hashBytes = md.digest(text.getBytes());
            StringBuilder hexString = new StringBuilder();
            for (byte b : hashBytes) {
                hexString.append(String.format("%02x", b));
            }
            System.out.println("MD5 Digest: " + hexString.toString());
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

輸出結(jié)果：

MD5 Digest: 65a8e27d8879283831b664bd8b7f0ad4

這種方式，安全等級(jí)低，弱密碼容易被彩虹表（預(yù)先進(jìn)行摘要好的哈希表，進(jìn)行反向破譯）破擊。

二：哈希算法加鹽：增強(qiáng)了基礎(chǔ)的哈希算法，加上 salt 鹽值混淆哈希計(jì)算，可以有效防御彩虹表的攻擊，示例：

private static final String SALT = "YourFixedSalt";  // 固定鹽值

private static String getSecurePassword(String passwordToHash) {
    String generatedPassword = null;
    try {
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        // 添加固定鹽值
        md.update(SALT.getBytes());
        byte[] bytes = md.digest(passwordToHash.getBytes());
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
            sb.append(Integer.toString((bytes[i] & 0xff) + 0x100, 16).substring(1));
        }
        generatedPassword = sb.toString();
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    return generatedPassword;
}

這種方案的缺點(diǎn)是，但如果鹽值泄露，那么破譯所以密文也是一件很容易得事情，而且弱密碼即使加了鹽值，在強(qiáng)大算力的彩虹表面前，破譯也不是一件難事。

三：動(dòng)態(tài)鹽加哈希：動(dòng)態(tài)鹽值有一個(gè)特點(diǎn)，就是每個(gè)鹽值只使用一次，這種方式有點(diǎn)像就像我喜歡吃的那家酸菜魚，他們家宣傳的口號(hào)就是：油每次只用一次，本質(zhì)上就是花費(fèi)更高的成本換來更高的安全。示例：

public static void main(String[] args) {
    // 待加密的密碼
    String passwordToHash = "yourPassword";
    // 生成動(dòng)態(tài)鹽值
    byte[] salt = getSalt();
    // 獲取帶鹽的安全密碼
    String securePassword = getSecurePassword(passwordToHash, salt);
    System.out.println("Secure Password: " + securePassword);
    System.out.println("Salt: " + bytesToHex(salt));
}

// 使用MD5加密密碼，并結(jié)合鹽值
private static String getSecurePassword(String passwordToHash, byte[] salt) {
    try {
        // 創(chuàng)建MD5摘要算法的 MessageDigest 對(duì)象
        MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        // 將鹽值添加到摘要中
        md.update(salt);
        // 完成密碼的哈希計(jì)算
        byte[] hashedBytes = md.digest(passwordToHash.getBytes());
        // 將哈希值轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
        return bytesToHex(hashedBytes);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        e.printStackTrace();
        return null;
    }
}

// 生成一個(gè)隨機(jī)的鹽值
private static byte[] getSalt() {
    SecureRandom sr = new SecureRandom();
    byte[] salt = new byte[16];
    sr.nextBytes(salt);
    return salt;
}

// 將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制字符串
private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (byte b : bytes) {
        sb.append(String.format("%02x", b));
    }
    return sb.toString();
}

動(dòng)態(tài)鹽值可以解決固定鹽值帶來的風(fēng)險(xiǎn)，如果由客戶端動(dòng)態(tài)生成鹽值給服務(wù)端進(jìn)行計(jì)算，那么 客戶端如果安全的把動(dòng)態(tài)鹽值傳輸給服務(wù)端 就是另外一個(gè)問題，既然通信的信道是安全可靠的，那么傳輸動(dòng)態(tài)鹽值就沒有意義，既然通信信道是不安全的，那么傳輸動(dòng)態(tài)鹽值也有被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，也沒有意義。這簡(jiǎn)直就是一個(gè) “先有雞，還是先有蛋” 的問題。

四：?jiǎn)��?dòng) HTTPS 信道：HTTPS 加密傳輸是目前的主流方案，但是啟動(dòng) HTTPS 后安全信道后也并不能高枕無憂，也會(huì)帶來一系列的問題，例如因?yàn)闀?huì)遇到服務(wù)端使用自簽名證書導(dǎo)致信息泄露風(fēng)險(xiǎn)，服務(wù)端證書更新不及時(shí)，證書過期的問題，還有 TLS 版本過低或密碼學(xué)套件選用不當(dāng)產(chǎn)生加密強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)。

五：外置的 MFA：例如銀行等機(jī)構(gòu)在涉及金額交易的時(shí)候，會(huì)要求客戶使用外置的 U 盾，虛擬 MFA，手機(jī)驗(yàn)證碼，人臉識(shí)別等外置設(shè)備來加強(qiáng)安全等級(jí)。一些關(guān)鍵企業(yè)或者軍事機(jī)構(gòu)甚至?xí)�開辟一條與公網(wǎng)隔絕的獨(dú)立的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息通信來保證信息的安全。

通過以上示例是想要證明，對(duì)于安全和保密而言： 這個(gè)世界上是沒有絕對(duì)的安全，想要更高級(jí)別的安全等級(jí)，就要付出更高的成本 ，當(dāng)然有人會(huì)挑刺的說，那我拔掉網(wǎng)線不聯(lián)網(wǎng)最安全，雖然有一定的合理性，但這樣封閉式的安全沒有意義，所以不在我們討論的范圍之內(nèi)。

客戶端加密

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，要保證信息通信的安全，客戶端只有啟用 HTTPS 這一個(gè)方案可以選擇。而且對(duì)于密碼這樣的敏感信息而言，個(gè)人認(rèn)為最好是在客戶端就可以盡快處理掉，以絕后患，原因如下：

1. 服務(wù)端存儲(chǔ)明文密碼，數(shù)據(jù)庫被攻破導(dǎo)致用戶密碼泄露的新聞已經(jīng)屢見不鮮的，而且被拖庫最嚴(yán)重的還是國(guó)內(nèi)某最大的技術(shù)社區(qū)。。。
2. 服務(wù)端把密碼輸入到日志，日志文件泄露或者被采集，導(dǎo)致用戶密碼泄露等等
3. 避免中間人攻擊，就算網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被劫持，信息被竊取，至少明文密碼不會(huì)泄露

總之，明文密碼最好在客戶端就被消滅掉，越早處理越好，不要把明文傳到服務(wù)端，傳輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)大，在防御上客戶端除了啟用 HTTPS 外，還要對(duì)明文密碼進(jìn)行摘要處理，從而保證敏感的安全。至于客戶端應(yīng)該如何進(jìn)行加密，我們接下來開始討論。

密文的創(chuàng)建和校驗(yàn)

之前說了在信息安全領(lǐng)域沒有絕對(duì)的安全，需要多高的安全等級(jí)就要消耗多大的安全成本。對(duì)于大多數(shù)普遍的應(yīng)用而言，啟動(dòng) HTTPS 加密通信是在安全等級(jí)和安全成本之間的一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。所以結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的方案就好。

BCrypt 算法

上面介紹無論如何對(duì)明文進(jìn)行哈希計(jì)算，就算加鹽都有被彩虹表暴力破解的可能。為了解決這個(gè)問題，引入慢哈希函數(shù)來解決可能是一個(gè)更理想的方案。慢哈希，就是在哈希計(jì)算和 salt 鹽值之外增加一個(gè)計(jì)算時(shí)間 cost 的參數(shù)，慢哈希通過延長(zhǎng)哈希計(jì)算時(shí)間和消耗的資源來有效的避免諸如彩虹表等暴力破解的攻擊，提供系統(tǒng)的安全性， BCrypt 算法就是一個(gè)具有代表性的慢哈希函數(shù)。示例：

public class BCryptExample {

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建 BCryptPasswordEncoder 實(shí)例，可以指定工作因子，默認(rèn)是 10
        BCryptPasswordEncoder encoder = new BCryptPasswordEncoder();

        // 加密密碼
        String originalPassword = "yourPassword";
        String encodedPassword = encoder.encode(originalPassword);
        System.out.println("Encoded Password: " + encodedPassword);

        // 校驗(yàn)密碼
        boolean isMatch = encoder.matches(originalPassword, encodedPassword);
        System.out.println("Password matched: " + isMatch);
    }
}

如果我們把慢哈希計(jì)算的 cost 設(shè)置為 0.1 秒的時(shí)間，那么對(duì)所有由10位大小寫字母和數(shù)字組成的弱密碼（共62種字符）進(jìn)行哈希計(jì)算一次，大約需要 8.39×10168.39×1016 秒。這等于大約 971.4 億天，或者大約 2661 百萬年的時(shí)間。這表明使用 BCrypt 和適當(dāng)?shù)墓ぷ饕蜃涌梢詷O大增加破解密碼的難度，使得暴力破解方法變得不可行。但是需要注意的是：

BCrypt 存在對(duì)計(jì)算資源和時(shí)間有很大的消耗，會(huì)明顯降低服務(wù)端性能，只建議在客戶端進(jìn)行慢哈希處理

密文的創(chuàng)建

對(duì)于敏感信息加密階段，可以參考以下方案進(jìn)行處理：

1. 用戶創(chuàng)建密碼，客戶端接收用戶的明文密碼
2. 客戶端對(duì)密碼使用固定鹽值 + BCrypt 慢哈希進(jìn)行加密后發(fā)給服務(wù)端
3. 服務(wù)端接收密文，然后生成隨機(jī)鹽值，對(duì)密文進(jìn)行二次加密
4. 服務(wù)端將隨機(jī)鹽和二次密文存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫

密文的校驗(yàn)

在對(duì)密文進(jìn)行校驗(yàn)階段，可以參考以下方案進(jìn)行處理：

說明：

1. 用戶輸入密碼，客戶端收到用戶的明文密碼
2. 客戶端對(duì)密碼使用固定鹽值 + BCrypt 慢哈希進(jìn)行加密后發(fā)給服務(wù)端
3. 服務(wù)端接收客戶端密文，然后從數(shù)據(jù)庫取出隨機(jī)鹽和二次密文
4. 服務(wù)端使用隨機(jī)鹽對(duì)客戶端密文進(jìn)行加密，然后和自身的二次密文進(jìn)行對(duì)比
5. 密文內(nèi)容相同，則表示密碼校驗(yàn)通過