Nodejs進階：MD5入門介紹及crypto模組的應用

2019 年 12 月 4 日
筆記

簡介

MD5（Message-Digest Algorithm）是電腦安全領域廣泛使用的散列函數（又稱哈希演算法、摘要演算法），主要用來確保消息的完整和一致性。常見的應用場景有密碼保護、下載文件校驗等。

本文先對MD5的特點與應用進行簡要概述，接著重點介紹MD5在密碼保護場景下的應用，最後通過例子對MD5碰撞進行簡單介紹。

特點

運算速度快：對jquery.js求md5值，57254個字元，耗時1.907ms
輸出長度固定：輸入長度不固定，輸出長度固定（128位）。
運算不可逆：已知運算結果的情況下，無法通過通過逆運算得到原始字元串。
高度離散：輸入的微小變化，可導致運算結果差異巨大。
弱碰撞性：不同輸入的散列值可能相同。

應用場景

文件完整性校驗：比如從網上下載一個軟體，一般網站都會將軟體的md5值附在網頁上，用戶下載完軟體後，可對下載到本地的軟體進行md5運算，然後跟網站上的md5值進行對比，確保下載的軟體是完整的（或正確的）
密碼保護：將md5後的密碼保存到資料庫，而不是保存明文密碼，避免拖庫等事件發生後，明文密碼外泄。
防篡改：比如數字證書的防篡改，就用到了摘要演算法。（當然還要結合數字簽名等手段）

nodejs中md5運算的例子

在nodejs中，crypto模組封裝了一系列密碼學相關的功能，包括摘要運算。基礎例子如下，非常簡單：

var crypto = require('crypto');  var md5 = crypto.createHash('md5');    var result = md5.update('a').digest('hex');    // 輸出：0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661  console.log(result);

例子：密碼保護

前面提到，將明文密碼保存到資料庫是很不安全的，最不濟也要進行md5後進行保存。比如用戶密碼是123456，md5運行後，得到輸出：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e。

這樣至少有兩個好處：

防內部攻擊：網站主人也不知道用戶的明文密碼，避免網站主人拿著用戶明文密碼幹壞事。
防外部攻擊：如網站被黑客入侵，黑客也只能拿到md5後的密碼，而不是用戶的明文密碼。

示例程式碼如下：

var crypto = require('crypto');    function cryptPwd(password) {      var md5 = crypto.createHash('md5');      return md5.update(password).digest('hex');  }    var password = '123456';  var cryptedPassword = cryptPwd(password);    console.log(cryptedPassword);  // 輸出：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e

單純對密碼進行md5不安全

前面提到，通過對用戶密碼進行md5運算來提高安全性。但實際上，這樣的安全性是很差的，為什麼呢？

稍微修改下上面的例子，可能你就明白了。相同的明文密碼，md5值也是相同的。

var crypto = require('crypto');    function cryptPwd(password) {      var md5 = crypto.createHash('md5');      return md5.update(password).digest('hex');  }    var password = '123456';    console.log( cryptPwd(password) );  // 輸出：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e    console.log( cryptPwd(password) );  // 輸出：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e

也就是說，當攻擊者知道演算法是md5，且資料庫里存儲的密碼值為e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e時，理論上可以可以猜到，用戶的明文密碼就是123456。

事實上，彩虹表就是這麼進行暴力破解的：事先將常見明文密碼的md5值運算好存起來，然後跟網站資料庫里存儲的密碼進行匹配，就能夠快速找到用戶的明文密碼。（這裡不探究具體細節）

那麼，有什麼辦法可以進一步提升安全性呢？答案是：密碼加鹽。

密碼加鹽

「加鹽」這個詞看上去很玄乎，其實原理很簡單，就是在密碼特定位置插入特定字元串後，再對修改後的字元串進行md5運算。

例子如下。同樣的密碼，當「鹽」值不一樣時，md5值的差異非常大。通過密碼加鹽，可以防止最初級的暴力破解，如果攻擊者事先不知道」鹽「值，破解的難度就會非常大。

var crypto = require('crypto');    function cryptPwd(password, salt) {      // 密碼「加鹽」      var saltPassword = password + ':' + salt;      console.log('原始密碼：%s', password);      console.log('加鹽後的密碼：%s', saltPassword);        // 加鹽密碼的md5值      var md5 = crypto.createHash('md5');      var result = md5.update(saltPassword).digest('hex');      console.log('加鹽密碼的md5值：%s', result);  }    cryptPwd('123456', 'abc');  // 輸出：  // 原始密碼：123456  // 加鹽後的密碼：123456:abc  // 加鹽密碼的md5值：51011af1892f59e74baf61f3d4389092    cryptPwd('123456', 'bcd');  // 輸出：  // 原始密碼：123456  // 加鹽後的密碼：123456:bcd  // 加鹽密碼的md5值：55a95bcb6bfbaef6906dbbd264ab4531

密碼加鹽：隨機鹽值

通過密碼加鹽，密碼的安全性已經提高了不少。但其實上面的例子存在不少問題。

假設字元串拼接演算法、鹽值已外泄，上面的程式碼至少存在下面問題：

短鹽值：需要窮舉的可能性較少，容易暴力破解，一般採用長鹽值來解決。
鹽值固定：類似的，攻擊者只需要把常用密碼+鹽值的hash值表算出來，就完事大吉了。

短鹽值自不必說，應該避免。對於為什麼不應該使用固定鹽值，這裡需要多解釋一下。很多時候，我們的鹽值是硬編碼到我們的程式碼里的（比如配置文件），一旦壞人通過某種手段獲知了鹽值，那麼，只需要針對這串固定的鹽值進行暴力窮舉就行了。

比如上面的程式碼，當你知道鹽值是abc時，立刻就能猜到51011af1892f59e74baf61f3d4389092對應的明文密碼是123456。

那麼，該怎麼優化呢？答案是：隨機鹽值。

示例程式碼如下。可以看到，密碼同樣是123456，由於採用了隨機鹽值，前後運算得出的結果是不同的。這樣帶來的好處是，多個用戶，同樣的密碼，攻擊者需要進行多次運算才能夠完全破解。同樣是純數字3位短鹽值，隨機鹽值破解所需的運算量，是固定鹽值的1000倍。

var crypto = require('crypto');    function getRandomSalt(){      return Math.random().toString().slice(2, 5);  }    function cryptPwd(password, salt) {      // 密碼「加鹽」      var saltPassword = password + ':' + salt;      console.log('原始密碼：%s', password);      console.log('加鹽後的密碼：%s', saltPassword);        // 加鹽密碼的md5值      var md5 = crypto.createHash('md5');      var result = md5.update(saltPassword).digest('hex');      console.log('加鹽密碼的md5值：%s', result);  }    var password = '123456';    cryptPwd('123456', getRandomSalt());  // 輸出：  // 原始密碼：123456  // 加鹽後的密碼：123456:498  // 加鹽密碼的md5值：af3b7d32cc2a254a6bf1ebdcfd700115    cryptPwd('123456', getRandomSalt());  // 輸出：  // 原始密碼：123456  // 加鹽後的密碼：123456:287  // 加鹽密碼的md5值：65d7dd044c2db64c5e658d947578d759

MD5碰撞

簡單的說，就是兩段不同的字元串，經過MD5運算後，得出相同的結果。

網上有不少例子，這裡就不贅述，直接上例子，參考(這裡)[http://www.mscs.dal.ca/~selinger/md5collision/]

function getHashResult(hexString){        // 轉成16進位，比如 0x4d 0xc9 ...      hexString = hexString.replace(/(w{2,2})/g, '0x$1 ').trim();        // 轉成16進位數組，如 [0x4d, 0xc9, ...]      var arr = hexString.split(' ');        // 轉成對應的buffer，如：<Buffer 4d c9 ...>      var buff = Buffer.from(arr);        var crypto = require('crypto');      var hash = crypto.createHash('md5');        // 計算md5值      var result = hash.update(buff).digest('hex');        return result;  }    var str1 = 'd131dd02c5e6eec4693d9a0698aff95c2fcab58712467eab4004583eb8fb7f8955ad340609f4b30283e488832571415a085125e8f7cdc99fd91dbdf280373c5bd8823e3156348f5bae6dacd436c919c6dd53e2b487da03fd02396306d248cda0e99f33420f577ee8ce54b67080a80d1ec69821bcb6a8839396f9652b6ff72a70';  var str2 = 'd131dd02c5e6eec4693d9a0698aff95c2fcab50712467eab4004583eb8fb7f8955ad340609f4b30283e4888325f1415a085125e8f7cdc99fd91dbd7280373c5bd8823e3156348f5bae6dacd436c919c6dd53e23487da03fd02396306d248cda0e99f33420f577ee8ce54b67080280d1ec69821bcb6a8839396f965ab6ff72a70';    var result1 = getHashResult(str1);  var result2 = getHashResult(str2);    if(result1 === result2) {      console.log(`Got the same md5 result: ${result1}`);  }else{      console.log(`Not the same md5 result`);  }

寫在後面

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