前言

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開發(fā)網(wǎng)站登錄功能時(shí)，如何保證密碼在傳輸過程/儲(chǔ)存的安全?

相信不少前后端的朋友，在面試時(shí)都會(huì)被問到類似的問題。

在我對(duì)密碼學(xué)一無(wú)所知時(shí)，也僅會(huì)回答：“MD5加密啊?！?/p>

諸不知，密碼學(xué)在網(wǎng)絡(luò)七層模型，甚至web開發(fā)中的應(yīng)用比我想象得多得多。

1. 什么是密碼學(xué)?

密碼學(xué)是各種安全應(yīng)用程序所必需的，現(xiàn)代密碼學(xué)旨在創(chuàng)建通過應(yīng)用數(shù)學(xué)原理和計(jì)算機(jī)科學(xué)來(lái)保護(hù)信息的機(jī)制。但相比之下，密碼分析旨在解密此類機(jī)制，以便獲得對(duì)信息的非法訪問。

密碼學(xué)具有三個(gè)關(guān)鍵屬性：

• 機(jī)密性，為了防止未經(jīng)授權(quán)的各方訪問信息(換句話說，是要確保只有經(jīng)過授權(quán)的人才能訪問受限制的數(shù)據(jù))。
• 完整性，是指保護(hù)信息不被隨意篡改
• 真實(shí)性，與識(shí)別信息的所有者有關(guān)。

例如個(gè)人醫(yī)療數(shù)據(jù)：

• 機(jī)密性，個(gè)人醫(yī)療數(shù)據(jù)需要保密，這意味著只有醫(yī)生或醫(yī)護(hù)人員才能訪問它。
• 完整性，還必須保護(hù)其完整性，因?yàn)榇鄹拇祟悢?shù)據(jù)可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的診斷或治療，并給患者帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)。
• 真實(shí)性，患者數(shù)據(jù)應(yīng)與已識(shí)別的個(gè)人聯(lián)系起來(lái)，且患者需要知道操作者(醫(yī)生)是誰(shuí)。

在本文中，我們將從加密，哈希，編碼和混淆四種密碼學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)來(lái)入門。

2. 什么是加密?

加密定義：以保證機(jī)密性的方式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的過程。

為此，加密需要使用一個(gè)保密工具，就密碼學(xué)而言，我們稱其為“密鑰”。

加密密鑰和任何其他加密密鑰應(yīng)具有一些屬性：

• 為了保護(hù)機(jī)密性，密鑰的值應(yīng)難以猜測(cè)。
• 應(yīng)該在單個(gè)上下文中使用它，避免在不同上下文中重復(fù)使用(類比 JS 作用域)。密鑰重用會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，如果規(guī)避了其機(jī)密性，則影響更大，因?yàn)樗敖怄i”了更敏感的數(shù)據(jù)。

2.1 加密的分類：對(duì)稱和非對(duì)稱

加密分為兩類：對(duì)稱和非對(duì)稱

對(duì)稱加密：

用途：文件系統(tǒng)加密，Wi-Fi 保護(hù)訪問(WPA)，數(shù)據(jù)庫(kù)加密(例如信用卡詳細(xì)信息)

非對(duì)稱加密：

用途：TLS，VPN，SSH。

其主要區(qū)別是：所需的密鑰數(shù)量：

• 在對(duì)稱加密算法中，單個(gè)密用于加密和解密數(shù)據(jù)。只有那些有權(quán)訪問數(shù)據(jù)的人才能擁有單個(gè)共享密鑰。
• 在非對(duì)稱加密算法中，使用了兩個(gè)密鑰：一個(gè)是公用密鑰，一個(gè)是私有密鑰。顧名思義，私鑰必須保密，而每個(gè)人都可以知道公鑰。
  • 應(yīng)用加密時(shí)，將使用公鑰，而解密則需要私鑰。
  • 任何人都應(yīng)該能夠向我們發(fā)送加密數(shù)據(jù)，但是只有我們才能夠解密和讀取它。

1. 通常使用非對(duì)稱加密來(lái)在不安全的通道上進(jìn)行通信時(shí)，兩方之間會(huì)安全地建立公共密鑰。
2. 通過此共享密鑰，雙方切換到對(duì)稱加密。
3. 這種加密速度更快，更適合處理大量數(shù)據(jù)。

能被密碼界承認(rèn)的加密算法都是公開的：

• 某些公司使用專有或“軍事級(jí)”加密技術(shù)進(jìn)行加密，這些技術(shù)是“私有的”。且基于“復(fù)雜“算法，但這不是加密的工作方式。
• 密碼界廣泛使用和認(rèn)可的所有加密算法都是公開的，因?yàn)樗鼈兓跀?shù)學(xué)算法，只有擁有密鑰或計(jì)算能力才能解決。
• 公開算法是得到廣泛采用，證明了其價(jià)值的。

3. 什么是哈希?

哈希算法定義：·一種只能加密，不能解密的密碼學(xué)算法，可以將任意長(zhǎng)度的信息轉(zhuǎn)換成一段固定長(zhǎng)度的字符串。

加密算法是可逆的(使用密鑰)，并且可以提供機(jī)密性(某些較新的加密算法也可以提供真實(shí)性)，而哈希算法是不可逆的，并且可以提供完整性，以證明未修改特定數(shù)據(jù)。

哈希算法的前提很簡(jiǎn)單：給定任意長(zhǎng)度的輸入，輸出特定長(zhǎng)度的字節(jié)。在大多數(shù)情況下，此字節(jié)序列對(duì)于該輸入將是唯一的，并且不會(huì)給出輸入是什么的指示。換一種說法：

1. 僅憑哈希算法的輸出，是無(wú)法確定原始數(shù)據(jù)的。
2. 取一些任意數(shù)據(jù)以及使用哈希算法輸出，就可以驗(yàn)證此數(shù)據(jù)是否與原始輸入數(shù)據(jù)匹配，從而無(wú)需查看原始數(shù)據(jù)。

為了說明這一點(diǎn)，請(qǐng)想象一個(gè)強(qiáng)大的哈希算法通過將每個(gè)唯一輸入放在其自己的存儲(chǔ)桶中而起作用。當(dāng)我們要檢查兩個(gè)輸入是否相同時(shí)，我們可以簡(jiǎn)單地檢查它們是否在同一存儲(chǔ)桶中。

散列文件的存儲(chǔ)單位稱為桶(Bucket)

3.1 例子一：資源下載

提供文件下載的網(wǎng)站通常會(huì)返回每個(gè)文件的哈希值，以便用戶可以驗(yàn)證其下載副本的完整性。

例如，在Debian的圖像下載服務(wù)中，您會(huì)找到其他文件，例如SHA256SUMS，其中包含可供下載的每個(gè)文件的哈希輸出(在本例中為SHA-256算法)。

• 下載文件后，可以將其傳遞給選定的哈希算法，輸出一段哈希值
• 用該哈希值來(lái)與校驗(yàn)和文件中列出的哈希值作匹配，以校驗(yàn)是否一致。

在終端中，可以用openssl來(lái)對(duì)文件進(jìn)行哈希處理：

 
 
 
 

  
  
  
  
$ openssl sha256 /Users/hiro/Downloads/非對(duì)稱.png
  
  
  
  
SHA256(/Users/hiro/Downloads/非對(duì)稱.png)= 7c264efc9ea7d0431e7281286949ec4c558205f690c0df601ff98d59fc3f4f64
 
 
 
 

同一個(gè)文件采用相同的hash算法時(shí)，就可以用來(lái)校驗(yàn)是否同源。

在強(qiáng)大的哈希算法中，如果有兩個(gè)不同的輸入，則幾乎不可能獲得相同的輸出。

而相反的，如果計(jì)算后的結(jié)果范圍有限，就會(huì)存在不同的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后得到的值相同，這就是哈希沖突。(兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)計(jì)算后的結(jié)果一樣)

這種稱為：哈希碰撞(哈希沖突)。

如果兩個(gè)不同的輸入最終出現(xiàn)在同一個(gè)存儲(chǔ)桶中，則會(huì)發(fā)生沖突。如MD5和SHA-1，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。這是有問題的，因?yàn)槲覀儫o(wú)法區(qū)分哪個(gè)碰撞的值匹配輸入。

強(qiáng)大的哈希算法幾乎會(huì)為每個(gè)唯一輸入創(chuàng)建一個(gè)新存儲(chǔ)桶。

3.2 例子二：網(wǎng)站登陸

在web開發(fā)中，哈希算法使用最頻繁的是在網(wǎng)站登陸應(yīng)用上：

絕大多數(shù)的網(wǎng)站，在將登陸數(shù)據(jù)存入時(shí)，都會(huì)將密碼哈希后存儲(chǔ)。

• 這是為了避免他人盜取數(shù)據(jù)庫(kù)信息后，還原出你的初始輸入。
• 且下次登錄時(shí)，Web 應(yīng)用程序?qū)⒃俅螌?duì)你的密碼進(jìn)行哈希處理，并將此哈希與之前存儲(chǔ)的哈希進(jìn)行比較。
• 如果哈希匹配，即使 Web 應(yīng)用程序中沒有實(shí)際的密碼存儲(chǔ)，Web 應(yīng)用程序也確信你知道密碼。

注冊(cè)：

登陸：

哈希算法的一個(gè)有趣的方面是：無(wú)論輸入數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度如何，散列的輸出始終是相同的長(zhǎng)度。

從理論上講，碰撞沖突將始終在可能性的范圍之內(nèi)，盡管可能性很小。

與之相反的是編碼。

4. 什么是編碼?

編碼定義：將數(shù)據(jù)從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過程，與加密無(wú)關(guān)。

它不保證機(jī)密性，完整性和真實(shí)性這三種加密屬性，因?yàn)椋?/p>

• 不涉及任何秘密且是完全可逆的。
• 通常會(huì)輸出與輸入值成比例的數(shù)據(jù)量，并且始終是該輸入的唯一值。
• 編碼方法被認(rèn)為是公共的，普遍用于數(shù)據(jù)處理。
• 編碼永遠(yuǎn)不適用于操作安全性相關(guān)。

4.1 URL編碼

又叫百分號(hào)編碼，是統(tǒng)一資源定位(URL)編碼方式。URL地址(常說網(wǎng)址)規(guī)定了：

• 常用的數(shù)字，字母可以直接使用，另外一批作為特殊用戶字符也可以直接用(/,:@等)
• 剩下的其它所有字符必須通過%xx編碼處理。

現(xiàn)在已經(jīng)成為一種規(guī)范了，基本所有程序語(yǔ)言都有這種編碼，如：

• js：encodeURI、encodeURIComponent
• PHP：urlencode、urldecode 等。

編碼方法很簡(jiǎn)單，在該字節(jié)ascii碼的 16 進(jìn)制字符前面加%. 如 空格字符，ascii碼是 32，對(duì)應(yīng) 16 進(jìn)制是'20'，那么urlencode編碼結(jié)果是:%20。

 
 
 
 

  
  
  
  
# 源文本：
  
  
  
  
The quick brown fox jumps over the lazy dog
  
  
  
  

  
  
  
  
# 編碼后：
  
  
  
  
#!shell
  
  
  
  
%54%68%65%20%71%75%69%63%6b%20%62%72%6f%77%6e%20%66%6f%78%20%6a%75%6d%70%73%20%6f%76%65%72%20%74%68%65%20%6c%61%7a%79%20%64%6f%67
 
 
 
 

4.2 HTML實(shí)體編碼

在HTML中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行HTML編碼以遵守所需的HTML字符格式。轉(zhuǎn)義避免 XSS 攻擊也是如此。

4.3 Base64/32/16編碼

base64、base32、base16可以分別編碼轉(zhuǎn)化 8 位字節(jié)為 6 位、5 位、4 位。

16,32,64 分別表示用多少個(gè)字符來(lái)編碼，

Base64常用于在通常處理文本數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，表示、傳輸、存儲(chǔ)一些二進(jìn)制數(shù)據(jù)。包括MIME的email，email via MIME,在XML中存儲(chǔ)復(fù)雜數(shù)據(jù)。

編碼原理：

Base64編碼要求把 3 個(gè) 8 位字節(jié)轉(zhuǎn)化為 4 個(gè) 6 位的字節(jié)

之后在 6 位的前面補(bǔ)兩個(gè) 0，形成 8 位一個(gè)字節(jié)的形式

6 位 2 進(jìn)制能表示的最大數(shù)是 2 的 6 次方是 64，這也是為什么是 64 個(gè)字符的原因

A-Z,a-z，0-9，+，/這 64 個(gè)編碼字符，=號(hào)不屬于編碼字符，而是填充字符

Base64映射表，如下：

舉個(gè)栗子：

• 第一步：“M”、“a”、"n"對(duì)應(yīng)的ASCII碼值分別為 77，97，110，對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值是01001101、01100001、01101110。如圖第二三行所示，由此組成一個(gè) 24 位的二進(jìn)制字符串。
• 第二步：如圖紅色框，將 24 位每 6 位二進(jìn)制位一組分成四組。
• 第三步：在上面每一組前面補(bǔ)兩個(gè) 0，擴(kuò)展成 32 個(gè)二進(jìn)制位，此時(shí)變?yōu)樗膫€(gè)字節(jié)：00010011、00010110、00000101、00101110。分別對(duì)應(yīng)的值(Base64編碼索引)為：19、22、5、46。
• 第四步：用上面的值在 Base64 編碼表中進(jìn)行查找，分別對(duì)應(yīng)：T、W、F、u。因此“Man”Base64編碼之后就變?yōu)椋篢WFu。

上面的示例旨在指出，編碼的用例僅是數(shù)據(jù)處理，而不為編碼的數(shù)據(jù)提供保護(hù)。

4. 什么是混淆?

混淆定義：將人類可讀的字符串轉(zhuǎn)換為難以理解的字符串。

• 與加密相反，混淆處理不包含加密密鑰。
• 與編碼類似，混淆不能保證任何安全性，盡管有時(shí)會(huì)誤將其用作加密方法

盡管不能保證機(jī)密性，但混淆仍有其它應(yīng)用：

• 用于防止篡改和保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
• APP 源代碼通常在打包之前就被混淆了
  • 因?yàn)樵创a位于用戶的設(shè)備中，可以從中提取代碼。由于混淆后代碼不友好，因此會(huì)阻止逆向工程，從而有助于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
  • 反過來(lái)，這可以防止篡改代碼并將其重新分發(fā)以供惡意使用。

但是，如此存在許多有助于消除應(yīng)用程序代碼混淆的工具。那就是其它話題了。。。

4.1 例子一：JavaScript混淆

JavaScript源代碼：

 
 
 
 

  
  
  
  
function hello(name) {
  
  
  
  
  console.log('Hello, ' + name);
  
  
  
  
}
  
  
  
  

  
  
  
  
hello('New user');
 
 
 
 

混淆后：

 
 
 
 

  
  
  
  
var _0xa1cc=["\x48\x65\x6C\x6C\x6F\x2C\x20","\x6C\x6F\x67","\x4E\x65\x77\x20\x75\x73\x65\x72"];
  
  
  
  
function hello(_0x2cc8x2){console[_0xa1cc[1]](_0xa1cc[0]+ _0x2cc8x2 "_0xa1cc[1]")}hello(_0xa1cc[2])
 
 
 
 

總結(jié)

從機(jī)密性，完整性，真實(shí)性分析四種密碼技術(shù)：

• 加密，雖然是為了保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，但某些現(xiàn)代加密算法還采用了其他策略來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性(有時(shí)通過嵌入式哈希算法)和真實(shí)性。
• 哈希，只能保證完整性，但可以通過完整性對(duì)比來(lái)做權(quán)限控制，如：基于哈希的消息認(rèn)證碼(HMAC)和某些傳輸層安全性(TLS)方法。
• 編碼，過去曾被用來(lái)表示加密，并在技術(shù)領(lǐng)域之外仍具有這種含義，但在編程世界中，它僅是一種數(shù)據(jù)處理機(jī)制，從未提供任何安全措施。
• 混淆，可以用來(lái)提高抵御攻擊的能力;但是，它永遠(yuǎn)不能保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性。狡猾的對(duì)手最終將繞過混淆策略。與編碼一樣，永遠(yuǎn)不要將混淆視為可靠的安全控制。

附錄：哈希函數(shù)常用的哈希函數(shù)：

• MD5，一種被廣泛使用的密碼雜湊函數(shù)，可以產(chǎn)生出一個(gè) 128 位元(16 位元組)的哈希值，用于確保信息傳輸完整一致。*雖廣泛，但過時(shí)。
• SHA-256/SHA512 , "加鹽"。在比特幣中，區(qū)塊鏈?zhǔn)褂肧HA-256算法作為基礎(chǔ)的加密哈希函數(shù)。
  • 安全散列算法secure hash algorithm，是一個(gè)密碼哈希函數(shù)家族。
  • SHA家族有五個(gè)算法，分別是SHA-1,SHA-224,SHA-256,SHA-384,SHA-512
  • 它們是美國(guó)的政府標(biāo)準(zhǔn)，后面的四個(gè)稱之為SHA-2
• bcrypt：bcrypt算法相對(duì)來(lái)說是運(yùn)算比較慢的算法。

在密碼學(xué)界有句常話：越慢的算法越安全。算法越算，黑客破解成本越高：

通過salt和const這兩個(gè)值來(lái)減緩加密過程，ta 的加密時(shí)間(百 ms 級(jí))遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過md5(大概1ms左右)。

對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說，Bcrypt 的計(jì)算速度很慢，但是對(duì)于用戶來(lái)說，這個(gè)過程不算慢。

bcrypt是單向的，而且經(jīng)過salt和cost的處理，使其受rainbow攻擊破解的概率大大降低，同時(shí)破解的難度也提升不少。

相對(duì)于MD5等加密方式更加安全，而且使用也比較簡(jiǎn)單.

• 設(shè)計(jì)良好的密鑰擴(kuò)展算法，如PBKDF2，bcrypt，scrypt。

后記 & 引用

• How Secure Are Encryption, Hashing, Encoding and Obfuscation?[3]
• CTF 中那些腦洞大開的編碼和加密[4]
• 散列文件的存儲(chǔ)——‘桶’[5]

那么，如何保證密碼在傳輸過程/儲(chǔ)存的安全呢?

參考資料

How Secure Are Encryption, Hashing, Encoding and Obfuscation?: https://auth0.com/blog/how-secure-are-encryption-hashing-encoding-and-obfuscation/#What-is-Encoding-

引自：一篇文章徹底弄懂Base64編碼原理: https://blog.csdn.net/wo541075754/article/details/81734770

How Secure Are Encryption, Hashing, Encoding and Obfuscation?: https://auth0.com/blog/how-secure-are-encryption-hashing-encoding-and-obfuscation/#What-is-Encoding-

CTF中那些腦洞大開的編碼和加密: https://www.cnblogs.com/godoforange/articles/10850493.html

散列文件的存儲(chǔ)——‘桶’: https://blog.csdn.net/Dearye_1/article/details/78492021

分享題目：一文搞懂Web中暗藏的密碼學(xué)
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