密码哈希

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介绍

密码哈希：如何安全地存储密码？

密码：用户输入的用于证明其身份的秘密字符串

• 当创建服务帐户时：创建密码
• 当稍后想要登录该服务时：再次输入相同的密码

该服务如何检查密码是否正确？

• Bad Idea1：存储列出每个用户密码的文件
  • Q: 如果攻击者侵入服务怎么办？ 现在攻击者知道每个人的密码！
• Bad Idea2：在存储每个用户的密码之前对其进行加密
  • Q：攻击者可以窃取密码文件和密钥并解密每个人的密码！

需要一种方法来验证密码，而不存储任何允许某人恢复原始密码的信息

• 对于每个用户，存储其密码的哈希值
• 验证流程:
  • 对用户提交的密码进行哈希处理
  • 检查它是否与文件中的密码哈希匹配
• 用到了哈希中的哪些属性？
  • 确定性：要验证密码，每次都必须哈希为相同的值
  • 单向：我们不希望攻击者将哈希值反转为原始密码

攻击

Question

如果两个不同的用户决定使用password123作为密码怎么办？

哈希值是确定性的：它们具有相同的密码哈希值;故攻击者可以看到哪些用户使用相同的密码

暴力攻击:

• 大多数人使用不安全的通用密码
• 攻击者可以预先计算常见密码的哈希值：如H("password123"),H("password1234"),H("1234567890")等等...
• 字典攻击：对整个常用密码字典进行哈希处理

彩虹表(Rainbow tables)：一种计算哈希值的算法，使暴力攻击变得更容易

解决方案1：为每个用户添加唯一的随机salt → Salted Hashes

• Salt：一个随机的公共值，旨在使暴力攻击变得更加困难
  • 对于每个用户, 存储: username, salt, H(password || salt)
  • 要验证用户：在密码文件中查找其salt，计算H(password || salt),并检查它是否与文件中的哈希值匹配
  • salt应该比较长且随机
  • salt不是秘密（可以将它想象成随机数或 IVs）
• 暴力攻击现在更加困难
  • 假设数据库中有 M 个可能的密码和 N 个用户
  • Unsalted数据库：对所有可能的密码进行哈希处理，然后查找所有用户的哈希值 → \(O(M + N)\)
  • salted数据库：对每个用户的盐的所有密码进行哈希 → \(O(MN)\)

解决方案2: 使用较慢的哈希值

• 加密哈希通常设计得很快
  • SHA 旨在尽快生成 1GB 文档的校验和
• 密码哈希通常设计得很慢
  • 合法用户只需提交几次密码尝试。用户不会注意到服务器检查密码需要0.0001s还是0.1s
  • 攻击者需要计算数百万个哈希值,用慢速哈希可以使攻击者的速度降低1000倍或更多！

Note：并不会改变攻击的渐近难度,添加了一个大的常数因子,就可以对攻击者产生巨大的实际影响

Example

Password-based key derivation function 2 (PBKDF2): 慢速哈希函数

• 设置：输出随机位的底层函数（e.g HMAC-SHA256）
• 设置：所需的输出长度(n)
• 设置：迭代计数（较高 = 散列较慢，较低 = 散列较快）
• 输入：密码 和 salt
• 输出：从密码和salt生成比较长的,随机的n位字符串
• 实现：基本上计算HMAC 10,000次

好处(假设用户密码强度高)

• 从用户密码中产生出任意长的字符串
• 输出可以直接作为对称密钥, 还可用于播种 PRNG 或生成公钥/私钥对
• 算法很慢，但不使用大量内存（Scrypt 和 Argon2 等替代方案使用更多内存）

离线攻击(Offline attack)：攻击者自己执行所有计算

• e.g：Mallory 窃取密码文件，然后自己计算哈希值以检查匹配项。
• 攻击者可以尝试大量密码（例如并行使用许多 GPU）
• 防御措施：salt密码、使用慢速哈希
• 如果攻击者可以进行离线攻击，则需要一个非常强的密码（如7个或更多随机单词）

在线攻击(Online attack)：攻击者与服务交互

• e.g. Mallory尝试通过尝试不同的密码来登录网站, Mallory正在强制服务器计算哈希值
• 攻击者通常每秒只能尝试几次，没有并行性
• 防御：添加超时或速率限制尝试次数，以防止攻击者尝试过多次数

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