聊聊主流加密算法及该如何设计我们的用户密码
- 2019 年 10 月 3 日
- 笔记
主流加密算法
对称加密
对称加密指加密和解密使用相同密钥的加密算法，有时又叫传统密码算法而在大多数的对称算法中，加密密钥和解密密钥是相同的，所以也称这种加密算法为秘密密钥算法或单密钥算法。它要求发送方和接收方在安全通信之前，商定一个密钥。对称算法的安全性依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都可以对他们发送或接收的消息解密，所以密钥的保密性对通信性至关重要。对称加密算法的优点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。常见的对称加密算法有：
1.DES
DES全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1976年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），随后在国际上广泛流传开来。DES算法的入口参数有三个:Key、Data、Mode。其中Key为7个字节共56位,是DES算法的工作密钥;Data为8个字节64位,是要被加密或被解密的数据;Mode为DES的工作方式,有两种:加密或解密。
2.3DES
3DES（或称为Triple DES）是三重数据加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）块密码的通称。它相当于是对每个数据块应用三次DES加密算法。由于计算机运算能力的增强，原版DES密码的密钥长度变得容易被暴力破解；3DES即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。
3.Blowfish
Blowfish算法是一个64位分组及可变密钥长度的对称密钥分组密码算法，可用来加密64比特长度的字符串。32位处理器诞生后，Blowfish算法因其在加密速度上超越了DES而引起人们的关注。Blowfish算法具有加密速度快、紧凑、密钥长度可变、可免费使用等特点，已被广泛使用于众多加密软件。
4.国际数据加密算法（IDEA）
IDEA是International Data Encryption Algorithm的缩写，即国际数据加密算法，它的原型是1990年由瑞士联邦技术学院X.J.Lai和Massey提出的PES。1992年，Lai和Massey对PES进行了改进和强化，产生了IDEA。这是一个非常成功的分组密码，并且广泛的应用在安全电子邮件PGP中
5.RC5
RC5是一种因简洁著称的对称分组加密算法。由罗纳德·李维斯特于1994年设计，“RC”代表“Rivest Cipher”，或者“Ron’s Code”（相较于RC2和RC4）。高级加密标准（AES）的候选算法之一RC6是基于RC5的。
6.AES
高级加密标准（英语：Advanced Encryption Standard，缩写：AES），在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
非对称加密
公开密钥密码学（英语：Public-key cryptography，也称非对称式密码学）是密码学的一种算法，它需要两个密钥，一个是公开密钥，另一个是私有密钥；一个用作加密，另一个则用作解密。使用其中一个密钥把明文加密后所得的密文，只能用相对应的另一个密钥才能解密得到原本的明文；甚至连最初用来加密的密钥也不能用作解密。由于加密和解密需要两个不同的密钥，故被称为非对称加密；不同于加密和解密都使用同一个密钥的对称加密。虽然两个密钥在数学上相关，但如果知道了其中一个，并不能凭此计算出另外一个；因此其中一个可以公开，称为公钥，任意向外发布；不公开的密钥为私钥，必须由用户自行严格秘密保管，绝不透过任何途径向任何人提供，也不会透露给被信任的要通信的另一方。
1.RSA算法
RSA公钥加密算法是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。
RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。
2.DSA
DSA（Digital Signature Algorithm）是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。
DSA加密算法主要依赖于整数有限域离散对数难题，素数P必须足够大，且p-1至少包含一个大素数因子以抵抗Pohlig &Hellman算法的攻击。M一般都应采用信息的HASH值。DSA加密算法的安全性主要依赖于p和g，若选取不当则签名容易伪造，应保证g对于p-1的大素数因子不可约。其安全性与RSA相比差不多。
DSA 一般用于数字签名和认证。在DSA数字签名和认证中，发送者使用自己的私钥对文件或消息进行签名，接受者收到消息后使用发送者的公钥来验证签名的真实性。DSA只是一种算法，和RSA不同之处在于它不能用作加密和解密，也不能进行密钥交换，只用于签名,它比RSA要快很多
3.ECC椭圆曲线加密算法
椭圆曲线加密算法(ECC) 是基于椭圆曲线数学的一种公钥加密的算法,随着分解大整数方法的进步以及完善、计算机计算速度的提高以及网络的发展，RSA的使用率越来越高.但是为了安全。其密钥的长度一直保守诟病，于是ECC这种新算法逐步走上了现在加密算法的这个大舞台，其使用率和重要性都在逐年上升
4.MD5
MD5消息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个128位（16字节）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。MD5由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于1992年公开，用以取代MD4算法。这套算法的程序在 RFC 1321 中被加以规范。
将数据（如一段文字）运算变为另一固定长度值，是散列算法的基础原理。
1996年后被证实存在弱点，可以被加以破解，对于需要高度安全性的数据，专家一般建议改用其他算法，如SHA-2。2004年，证实MD5算法无法防止碰撞（collision），因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。
5.Bcrypt
bcrypt是一个由Niels Provos以及David Mazières根据Blowfish加密算法所设计的密码散列函数，于1999年在USENIX中展示。实现中bcrypt会使用一个加盐的流程以防御彩虹表攻击，同时bcrypt还是适应性函数，它可以借由增加迭代之次数来抵御日益增进的计算机运算能力透过暴力法破解。
由bcrypt加密的文件可在所有支持的操作系统和处理器上进行转移。它的口令必须是8至56个字符，并将在内部被转化为448位的密钥。然而，所提供的所有字符都具有十分重要的意义。密码越强大，您的数据就越安全。
除了对您的数据进行加密，默认情况下，bcrypt在删除数据之前将使用随机数据三次覆盖原始输入文件，以阻挠可能会获得您的计算机数据的人恢复数据的尝试。如果您不想使用此功能，可设置禁用此功能。
具体来说，bcrypt使用保罗·柯切尔的算法实现。随bcrypt一起发布的源代码对原始版本作了略微改动。
6.scrypt
在密码学中，scrypt（念作“ess crypt”）是Colin Percival于2009年所发明的金钥推衍函数，当初设计用在他所创立的Tarsnap服务上。设计时考虑到大规模的客制硬件攻击而刻意设计需要大量内存运算。2016年，scrypt算法发布在RFC 7914。scrypt的简化版被用在数个密码货币的工作量证明（Proof-of-Work）上。
7.PBKDF2
PBKDF2，PBKDF2简单而言就是将salted hash进行多次重复计算，这个次数是可选择的。如果计算一次所需要的时间是1微秒，那么计算1百万次就需要1秒钟。假如攻击一个密码所需的rainbow table有1千万条，建立所对应的rainbow table所需要的时间就是115天。这个代价足以让大部分的攻击者忘而生畏。
8.SHA-2
SHA-2，名称来自于安全散列算法2（英语：Secure Hash Algorithm 2）的缩写，一种密码散列函数算法标准，由美国国家安全局研发，由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年发布。属于SHA算法之一，是SHA-1的后继者。其下又可再分为六个不同的算法标准，包括了：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。
总结
不用明文存储密码，程序员们早在 n 多年前就已经达成了共识。不能明文存储，一些 hash 算法便被广泛用做密码的编码器，对密码进行单向 hash 处理后存储数据库，当用户登录时，计算用户输入的密码的 hash 值，将两者进行比对。单向 hash 算法，顾名思义，它无法（或者用不能轻易更为合适）被反向解析还原出原密码。这杜绝了管理员直接获取密码的途径，可仅仅依赖于普通的 hash 算法（如 md5，sha256）是不合适的，他主要有 3 个特点：
- 1.同一密码生成的 hash 值一定相同
- 2.不同密码生成的 hash 值可能相同（md5 的碰撞问题相比 sha256 还要严重）
- 3.生成签名速度快
以上三点结合在一起，破解此类算法成了不是那么困难的一件事，因此不适用于安全性认证，如SSL公开密钥认证或是数字签名等用途。
暴力破解
考虑到大多数用户使用的密码多为数字+字母+特殊符号的组合，攻击者将常用的密码进行枚举，甚至通过排列组合来暴力破解，这被称为 rainbow table。算法爱好者能够立刻看懂到上述的方案，这被亲切地称之为—打表，一种暴力美学，这张表是可以被复用的。
加随机盐
加随机盐，使得被破解难度增加，虽然破解加随机盐的密码难度增加，但在现在云计算，超级计算服务流行的时代，却并非不容易破解。
慢哈希算法
Bcrypt，Scrypt，PBKDF2 这些慢 hash 算法成为了设计用户加密算法的主流，尤其是Bcrypt 算法被发明至今 19 年，使用范围广，且从未因为安全问题而被修改，其有限性是已经被验证过的，相比之下新的哈希算法Scrypt，没有 Bcrypt 使用的广泛。从破解成本和权威性的角度来看，Bcrypt 用作密码编码器是不错的选择。
Spring Security 5.x的PasswordEncoderFactories解析
回到Spring Boot2，PasswordEncoderFactories是Spring Security创建DelegatingPasswordEncoder对象的工厂类。该工厂所创建的DelegatingPasswordEncoder默认使用bcrypt算法用于加密，并且能够用于匹配以下几种密码类型 :
- ldap
- MD4
- MD5
- noop (明文密码)
- pbkdf2
- scrypt
- SHA-1
- SHA-256
- sha256
源代码
/** * Creates a {@link DelegatingPasswordEncoder} with default mappings. Additional * mappings may be added and the encoding will be updated to conform with best * practices. However, due to the nature of {@link DelegatingPasswordEncoder} the * updates should not impact users. The mappings current are: * * <ul> * <li>bcrypt - {@link BCryptPasswordEncoder} (Also used for encoding)</li> * <li>ldap - {@link org.springframework.security.crypto.password.LdapShaPasswordEncoder}</li> * <li>MD4 - {@link org.springframework.security.crypto.password.Md4PasswordEncoder}</li> * <li>MD5 - {@code new MessageDigestPasswordEncoder("MD5")}</li> * <li>noop - {@link org.springframework.security.crypto.password.NoOpPasswordEncoder}</li> * <li>pbkdf2 - {@link Pbkdf2PasswordEncoder}</li> * <li>scrypt - {@link SCryptPasswordEncoder}</li> * <li>SHA-1 - {@code new MessageDigestPasswordEncoder("SHA-1")}</li> * <li>SHA-256 - {@code new MessageDigestPasswordEncoder("SHA-256")}</li> * <li>sha256 - {@link org.springframework.security.crypto.password.StandardPasswordEncoder}</li> * </ul> * * @return the {@link PasswordEncoder} to use */ @SuppressWarnings("deprecation") public static PasswordEncoder createDelegatingPasswordEncoder() { String encodingId = "bcrypt"; Map<String, PasswordEncoder> encoders = new HashMap<>(); encoders.put(encodingId, new BCryptPasswordEncoder()); encoders.put("ldap", new org.springframework.security.crypto.password.LdapShaPasswordEncoder()); encoders.put("MD4", new org.springframework.security.crypto.password.Md4PasswordEncoder()); encoders.put("MD5", new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("MD5")); encoders.put("noop", org.springframework.security.crypto.password.NoOpPasswordEncoder.getInstance()); encoders.put("pbkdf2", new Pbkdf2PasswordEncoder()); encoders.put("scrypt", new SCryptPasswordEncoder()); encoders.put("SHA-1", new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("SHA-1")); encoders.put("SHA-256", new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("SHA-256")); encoders.put("sha256", new org.springframework.security.crypto.password.StandardPasswordEncoder()); return new DelegatingPasswordEncoder(encodingId, encoders); }创建 DelegatingPasswordEncoder 实例的工厂方法，encodingId为默认加密算法，将Spring Security提供的所有PasswordEncoder实现都包装到所创建的DelegatingPasswordEncoder中，当用于匹配密码时，密码密文的格式是 : "{encoderId}abc"，DelegatingPasswordEncoder会解析出密码中的"encoderId"从encoders map中找到相应的PasswordEncoder去检验输入的密码和密码密文中的"abc"是否匹配
示例代码
@Slf4j public class PasswordEncoderFactoriesTest { public static void main(String[] args) { String password = "123456"; PasswordEncoder passwordEncoder = PasswordEncoderFactories.createDelegatingPasswordEncoder(); log.info("PasswordEncoderFactories默认加密算法是bcrypt"); String encodeStr1 = passwordEncoder.encode(password); String encodeStr2 = passwordEncoder.encode(password); log.info("明文==>{},密文==>{},是否匹配==>{}", password, encodeStr1, passwordEncoder.matches(password, encodeStr1)); log.info("明文==>{},密文==>{},是否匹配==>{}", password, encodeStr2, passwordEncoder.matches(password, encodeStr2)); String[] encodes = {"bcrypt", "ldap", "MD4", "MD5", "noop", "pbkdf2", "scrypt", "SHA-1", "SHA-256", "sha256"}; log.info("=========================================批量测试========================================="); List<String> encodeList = new ArrayList(); for (String encode : encodes) { passwordEncoder = newPasswordEncoder(encode); String encodeStr = passwordEncoder.encode(password); encodeList.add(encodeStr); log.info("{}算法,明文==>{},密文==>{}", encode, password, encodeStr); log.info("密文和明文匹配 :{}", passwordEncoder.matches(password, encodeStr)); } } public static PasswordEncoder newPasswordEncoder(final String encoderType) { switch (encoderType) { case "bcrypt": return new BCryptPasswordEncoder(); case "ldap": return new org.springframework.security.crypto.password.LdapShaPasswordEncoder(); case "MD4": return new org.springframework.security.crypto.password.Md4PasswordEncoder(); case "MD5": return new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("MD5"); case "noop": return org.springframework.security.crypto.password.NoOpPasswordEncoder.getInstance(); case "pbkdf2": return new Pbkdf2PasswordEncoder(); case "scrypt": return new SCryptPasswordEncoder(); case "SHA-1": return new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("SHA-1"); case "SHA-256": return new org.springframework.security.crypto.password.MessageDigestPasswordEncoder("SHA-256"); case "sha256": return new org.springframework.security.crypto.password.StandardPasswordEncoder(); default: return NoOpPasswordEncoder.getInstance(); } } }示例代码控制台输出
10:55:57.445 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - PasswordEncoderFactories默认加密算法是bcrypt 10:55:57.774 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 明文==>123456,密文==>{bcrypt}$2a$10$GyBTqqaxJ71LK8TruE4jqOkjgEfUVUSR9HpVKXHmPKHcj3sZRHJEq,是否匹配==>true 10:55:57.868 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 明文==>123456,密文==>{bcrypt}$2a$10$JXwZWyZ5agNLuABZm03bju7CY1a6oafu623bOfQOBAZvviVPw9/eS,是否匹配==>true 10:55:57.868 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - =========================================批量测试========================================= 10:55:57.977 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - bcrypt算法,明文==>123456,密文==>$2a$10$YzAS9Kt3lAmoKVP1XXqSnu8F8O/t.wu/7rhePtsS41ZactBPf5g5i 10:55:58.086 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:58.088 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - ldap算法,明文==>123456,密文==>{SSHA}6plLy61WbK9UQhn1CWdpCcXitaFadSZye/j25A== 10:55:58.089 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:58.091 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - MD4算法,明文==>123456,密文==>{Qzz1t9tzRfKL9pORm48J+7y5WixLz9FCKwhQIlwOqBI=}c86bf96ce1d0ede7b410c4ef9863359b 10:55:58.091 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:58.091 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - MD5算法,明文==>123456,密文==>{L0S2FjwL2tXdwotBho0fgUrIRpBaVMPgJsxUiSWtV9E=}7f8fb8fac4922ceed555f223bcdf8361 10:55:58.091 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:58.091 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - noop算法,明文==>123456,密文==>123456 10:55:58.091 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:58.903 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - pbkdf2算法,明文==>123456,密文==>b25a5d4b5a352d5506b05c37b89b53117c5952a4f8a28d06f60bc9eaecc7a9ebe0325f077f6ab6b7 10:55:59.355 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:59.545 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - scrypt算法,明文==>123456,密文==>$e0801$sy5MK3+yFPMdBHHUiheU6oUfYrTNAhdzRSp/qHkfHb6jTPOiCOpumILt1yKBbUDyPJu0gCo/40oTEI8mm9yxaw==$s3GapoqS1ZRsWiLBJBUKN2lazcovqgr/dP1yAEYCdvQ= 10:55:59.616 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:59.616 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - SHA-1算法,明文==>123456,密文==>{nXs3ooYFHHvv5mp/Dl/gHoeXwPdx2YWt9lZH3GeNXVg=}f5c986dddd9997626dffad2f9b4cad5e19fedef2 10:55:59.616 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:59.616 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - SHA-256算法,明文==>123456,密文==>{HmaQe0Qx9Tw3KKM6UoDxX9udUJtIiN4XD83qwDYunsg=}642c273f94b9ec30572f25cea0c958d7b62a48aa4527573b0e936b97cc762a4d 10:55:59.616 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true 10:55:59.618 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - sha256算法,明文==>123456,密文==>cbbf80ab6f00508cbd016da31cceb613205059b5e38b4a8ec24e7d0cc7bcb296ef7db11cba2e1409 10:55:59.620 [main] INFO com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest - 密文和明文匹配 :true注意事项
使用spring boot 2.1.7版本，pom.xml需要引入加解密码包，如下所示：
<!-- 加解密包 --> <dependency> <groupId>org.bouncycastle</groupId> <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId> <version>1.62</version> </dependency>否则执行会报错：java.lang.NoClassDefFoundError: org/bouncycastle/crypto/generators/SCrypt，详细报错代码
Exception in thread "main" java.lang.NoClassDefFoundError: org/bouncycastle/crypto/generators/SCrypt at org.springframework.security.crypto.scrypt.SCryptPasswordEncoder.digest(SCryptPasswordEncoder.java:167) at org.springframework.security.crypto.scrypt.SCryptPasswordEncoder.encode(SCryptPasswordEncoder.java:126) at com.easy.encoder.PasswordEncoderFactoriesTest.main(PasswordEncoderFactoriesTest.java:32) Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: org.bouncycastle.crypto.generators.SCrypt at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:382) at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424) at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:349) at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357) ... 3 more查看报错代码，发现SCrypt类找不到引起的异常，引入加解密包解决问题。
