使用瀏覽器計算力，對抗密碼破解

本文前半部分科普 KDF 函式的意義，後半部分探討 KDF 在前端計算的可行性。

前言

幾乎每隔一段時間，就會聽到“XX 網站被拖庫”的新聞。之後又會出現一些報導，分析該網站使用最多的密碼是什麼、有多少等等。

眾所周知，密碼在資料庫中通常是以 Hash 值儲存的，並且還加了鹽。攻擊者即使知道具體的 Hash 演算法，也只能暴力破解。照理說這是極其費勁的，然而現實中卻總有大量密碼被破解，是什麼導致安全性如此脆弱？

究其原因，莫過於這兩點：口令密碼、演算法成本。

口令密碼

密碼可以記在很多地方。最常見的，就是記在自己腦袋裡。當然還可以記在屬於你的物品上，例如小本子、卡片等等，反正不用腦子記，不如設定的很長很亂，例如：

這種無意義的長串作密碼，是很安全的。即使它們的 Hash 值以及演算法洩露，攻擊者想得到明文，只能暴力窮舉所有組合：

就算只有字母和數字，也要近 10^28 次才猜到。這是個天文數字，幾乎不可行。所以，這種型別的密碼還是很安全的。

然而現實中這麼做的並不多。物品需要隨身攜帶，非常不便，要是弄丟或者被偷，就更麻煩了。除非把它們都背下來，但這不又回到“記在腦袋裡”這種方式了！

腦袋確實很安全，但容量也很有限。像上面那種毫無規律的字串，背一句都難，更別說多個了。所以，大家多少都會選些有意義、有規律的字串作為密碼，例如 iloveyou2016、qwert12345，或是手機號、生日等組合。這種不用死記硬背的字串，就是口令（pass word）。

口令雖然方便，但缺陷也很明顯：因為它是有規律的，所以猜起來就容易多了。攻擊者只需測試常用單片語合，沒準就能猜到了：

這個過程，就是所謂的“跑字典”。一本好的字典，可以極大的提升猜中機率。

演算法成本

在字典相同的情況下，速度就顯得尤為重要了。每秒可以猜多少次？這得看具體的演算法。

例如 MD5 函式，每次呼叫大約需要 1 微秒，這意味著每秒可以猜 100 萬次！（而且這還只是單執行緒的速度，用上多併發更是恐怖）

由此可見，演算法越快，對破解者就越有利。假如每次呼叫需要 10 毫秒，那麼每秒只能猜 100 次，這樣就足足慢了一萬倍！

然而不幸的是，常用的 Hash 函式都是很快的。因為它們生來就有多種用途，並非為口令處理而設計。例如計算一個大檔案的校驗值，速度顯然很重要。所以，用 MD5、SHA256 之類的“快函式”處理口令，是不合理的。（包括一些簡單的變種，例如 MD5(SHA256(x))，仍然很快）。一旦 Hash 值和演算法洩露，很容易被“跑字典”破解。

現實中，由於不少網站使用了“快函式”來處理口令，因此資料庫洩露後，大量口令被還原也就在所難免了。

增加成本

雖然 Hash 函式單次執行很快，但我們可以反覆執行大量次數，這樣總體耗時就變長了。例如：

在密碼學中，這種方式叫做 拉伸。現實中有不少方案，例如 PBKDF2 —— 它沒有重頭設計一種新演算法，而是對現有的函式進行封裝，從而更適合用於口令處理：

它有一個迭代引數，用於指定反覆 Hash 的次數 —— 迭代次數越多，執行時間越長，破解也就越困難。

PBKDF（Password-Based Key Derivation Function，基於口令的祕鑰匯出函式），顧名思義，就是輸入“口令”（有規律的字串）輸出“祕鑰”（無規律的長串）的函式，並且計算過程會消耗一定資源。本質上也是 Hash 函式，輸出結果稱之 DK（derived key）。

前端拉伸

拉伸次數越多雖然越安全，但這是以消耗服務端大量計算資源為代價的！為了能在安全和效能之間折衷，通常只選擇幾十到幾百毫秒的計算時間。

服務端的計算量如此沉重，以至於不堪重負；而如今的客戶端，系統資源卻普遍過剩。能否讓使用者來分擔一些計算量？

聽起來似乎不可行。畢竟前端意味著公開，將密碼相關的演算法公開，不會產生安全問題嗎。

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先來回顧下，傳統網站是如何處理口令的 —— 前端通常什麼都不做，僅僅用於提交，口令都是由後端處理的：

現在，我們嘗試對前端進行改造 —— 當使用者在註冊、登入等頁面中提交時，不再傳送原始口令，而是口令的 DK：

後端，則不做任何改動。（當然這會影響已有賬號的使用，這裡暫時先不考慮，假設這是個新網站）

這樣，即使使用者的口令很簡單，但相應的 DK 卻仍是個毫無意義的長串。通過 DK 的 Hash 值，是極難還原出 DK 的。（在本文開頭就提到過了)

當然，攻擊者更感興趣的不是 DK，而是口令。這倒是可以破解的 —— 只需將前後端演算法結合，形成一個新函式：

用這個最終函式 F 跑字典，還是可以猜口令的。只不過其中有 client_hash 這道障礙，破解速度就大幅降低了！

所以，我們需要：

• 一個緩慢的 client_hash，增加跑字典的成本
• 一個快速的 server_hash，防止 DK 洩露

這樣，就能將絕大多數的計算轉移到前端，後端只需極少的處理，即可實現一個高強度的密碼保護系統。

對抗預算

由於前端的一切都是公開的，所以 client_hash 的演算法大家都知道。攻擊者可以把常用口令的 DK 提前算出來，編成一個新字典。將來拖庫後，直接跑這個“新字典”，就能節省大量時間了。

對於這種方式，就需要使用“加鹽”處理（事實上 PBKDF 本身就需要提供鹽引數）。例如，選擇使用者 ID 作為鹽：

這樣即使口令相同，但使用者不同，生成的 DK 也是不同的。攻擊者只能針對特定賬號生成字典，適用範圍就小多了。

思考題：使用者 ID 是公開的，能不能選個隱蔽的欄位作為 client_hash 的鹽？

DK 洩露

DK 誕生於前端，後端對其 Hash 之後就不復存在了，所以它是個臨時值。理想情況下，它是不會洩露的。

但在某些場合，DK 還是有可能洩露的。例如伺服器中毒、網路傳輸被竊聽等，都能導致 DK 洩露。

DK 洩露後，攻擊者就能控制該賬號了，這是無法避免的。但幸運的是，DK 只是個無意義的長串而已，攻擊者並不知道其背後的那個有意義的“口令”是什麼。因此其他使用類似口令的賬號，就倖免於難了！

攻擊者若要通過 DK 還原口令，就得用 client_hash 演算法跑字典 —— 這個成本依然很大。相比之前的“最終函式 F”，只是少算一次 server_hash 而已。（server_hash 本來就很快，可以忽略不計）。所以即使 DK 洩露，破解口令難度基本沒降低。

“賬號被盜，口令拿不到”，這就是“前端 Hash”的意義。

撞庫成本

前端拉伸計算，使得使用者每次登陸，都會耗費一定的系統資源。這對普通使用者來說，或許影響不大；但對於頻繁登入的人來說，將是一個極大的開銷。有誰會極其頻繁地登入？很可能就是“撞庫攻擊者” —— 他們從其他地方弄到一堆賬號口令，然後來這裡撞運氣，看看能成功登上多少。

由於我們是用 DK 登入的，因此攻擊者也必須將待測的口令，先算出 DK 再提交，於是會增加不少計算成本。這和上一篇的 Proof-of-Work 有點類似。如同拉伸彈簧需要付出能量，拉伸 Hash 同樣需要投入實實在在的算力。

小結

本篇提到的 3 類密碼：

型別	安全性	易用性	說明
無意義的長串	高	差	很難記住，只能儲存在外部，增加了保管成本
有規律的口令	低	好	容易記住，但也容易被“跑字典”攻擊
口令轉成祕鑰	中	好	同上。但轉換過程很耗時，提高跑字典的成本

兩種 Hash 函式：

• 快函式（MD5、SHA256 等，輸入資料“很長很沒規律”時使用）
• 慢函式（PBKDF2、bcrypt 等，輸入資料“容易猜到”時使用）

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關於“前端 Hash”，其實算是 “零知識證明”（zero-knowledge proof）的一種。什麼是零知識證明，這裡套用一個經典的例子：

你擁有一個寶庫，可以通過唸咒語來開門。有天你想在朋友面前證明你能開啟寶庫，但又不想讓他聽到咒語。這該如何解決？
正好，他知道你的寶庫裡有個獨一無二的寶物，如果能取出來給他看，自然就能證明你能開啟。這樣就無需帶他到場，自己單獨開啟取出寶物，然後拿給他看就行了。於是，就可以在不暴露咒語的同時，證明你能開啟。

這就是零知識證明 —— 證明者在不透露“任何有用資訊”的情況下，使驗證者相信某個論斷是正確的。

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“前端 Hash”的做法在“密碼管理外掛”中很常見：使用者的口令不再發往後端，而是僅僅用於生成 DK（並且不同賬號的 DK 不一樣，即使口令相同）。這樣就算遇到最壞的情況（例如伺服器中毒、傳輸竊聽、後端明文儲存等）導致 DK 洩露，也不會暴露你的口令。最多損失某個賬號，而不影響其他賬號！

（另外，口令也不再填寫於原先的文字框中，而是填在外掛的介面上，外掛算出 DK 後自動填到原先的文字框。這樣可以降低口令洩露的風險，例如網頁中可能潛伏著惡意指令碼）

實際應用

不過現實中，天生內建了前端 KDF 計算的網站並不多。不像外掛可以呼叫本地程式，效能高且穩定，瀏覽器則是良莠不齊，不同的版本效能差異很大，因此計算時間很不穩定。

另外，在曾經很長一段時間裡（IE 時代），瀏覽器的計算力都十分低下，以至於大家都保留了前端計算意義不大、“一切都由後端計算”的觀念。不過如今主流瀏覽器的效能已得到大幅提升，甚至 HTML5 還引入了 WebCrypto 規範，JS 可直接呼叫瀏覽器內建的密碼學演算法庫，其中就包括了 PBKDF2。由於是原生實現的，因此效能非常的高。這裡有個簡單的演示：

https://etherdream.github.io/FunnyScript/pbkdf2/test.html

（分別使用 asm.js、Flash、WebCrypto 幾種方案，計算 100 萬次迭代的測試）

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不過 PBKDF2 並不是最好的，因為它只是簡單地套用了現有的 Hash 函式而已，而非針對性的進行設計。

2015 年 Password Hashing Competition 的勝出者 —— argon2，就非常先進了。它不僅可設定時間成本（迭代次數），還能設定空間成本（記憶體佔用）。並且還支援多執行緒計算，讓攻擊者也必須投入同樣多的算力進行破解！

當然 argon2 還太新，目前尚未收錄到 WebCrypto 裡。不過已有人將其移植成 JavaScrpt 版本，不妨值得一試。