Java 開發者必備？如何為密碼安全護航？深度解析MessageDigest、Bcrypt與PBKDF2

净重21克發表於2024-08-19
Java密碼

密碼雜湊技術深度剖析：掌握MessageDigest、Bcrypt與PBKDF2

一、為何探究密碼雜湊技術

　　隨著網際網路的發展，網路安全變得越來越重要。密碼雜湊演算法作為保護使用者密碼安全的關鍵技術之一，其重要性不言而喻。　　

　　在數字時代，密碼安全構成了保護使用者隱私和資產的第一道防線。密碼雜湊技術，透過將明文密碼轉化為固定長度的不可逆密文，成為保障密碼儲存安全的核心策略。瞭解和精通主流密碼雜湊演算法，不僅是每位開發者的技術提升之旅，更是守護使用者資料安全的重要步驟。

二、目標

　　本文意在引領您深入理解以下內容：
　　　　三大演算法（MessageDigest、bcrypt、PBKDF2）的基本原理和使用場景。
　　　　如何根據特定需求選擇最合適的密碼雜湊方案。
　　　　實際程式碼演示，讓理論落地。

三、密碼雜湊的舞臺

　　MessageDigest：適用於非密碼的敏感資料校驗，如檔案完整性檢查。

　　特點：

　　　　摘要長度固定，不同演算法的摘要長度不同，如 SHA-256 產生的是 256 位的摘要。

　　　　碰撞抵抗，設計優秀的摘要演算法應儘量減少不同輸入產生相同摘要的可能性，即所謂的“碰撞”。儘管 MessageDigest 在資料校驗等方面非常有用，但不是最適宜的密碼雜湊工具，存在被碰撞的可能，抵抗性不高。因此，不推薦用於密碼。

　　Bcrypt：專為密碼設計，提供內建的加鹽和調整工作量功能，適用於對安全要求極高的環境。

　　特點：

　　　　透過工作因子調整運算次數，適應未來計算能力的提升，保持破解難度。

　　　　內建隨機鹽值機制，每次雜湊都加入不同鹽值，有效抵禦彩虹表攻擊。

　　PBKDF2：靈活性高，可用於密碼雜湊，尤其適合需要平衡安全與效能的應用，特別是在需要跨平臺相容性和高度可定製性的場景中。

　　特點：

　　　　引數靈活性，允許開發者根據裝置效能調整迭代次數，平衡安全性與效能。

　　　　鹽值和金鑰長度可調，提供更高的靈活性，以適應不同的安全策略和應用需求

四、核心元件與方法

　　類: java.security.MessageDigest

　　　　作用: 提供了一種將任意長度的訊息轉換為固定長度的雜湊值的方法。
　　　　特點:
　　　　　　提供了多種雜湊演算法，如 SHA-256、SHA-512 等。
　　　　　　計算速度快，但安全性較低。

　　　　MessageDigest核心用法：

　　　　　　獲取例項：MessageDigest.getInstance("演算法名稱")。
　　　　常用方法：

　　　　　　getInstance(String algorithm):
　　　　　　　　作用: 獲取指定雜湊演算法的 MessageDigest 例項。
　　　　　　　　引數: algorithm 表示雜湊演算法名稱，例如 "SHA-256"。
　　　　　　　　返回值: 返回指定演算法的 MessageDigest 例項

　　　　　　digest(byte[] input):
　　　　　　　　作用: 對輸入的資料進行雜湊計算。
　　　　　　　　引數: input 表示要雜湊的資料。
　　　　　　　　返回值: 返回雜湊後的位元組陣列。

　　　　　　reset():
　　　　　　　　作用: 重置 MessageDigest 例項，使其可以再次用於新的雜湊計算。
　　　　　　　　引數: 無。
　　　　　　　　返回值: 無。

　　類: org.mindrot.jbcrypt.BCrypt

　　　　作用: 專門用於密碼雜湊的演算法，內建了加鹽機制和可調整的工作因子（迭代次數）。
　　　　特點:
　　　　　　計算相對較慢，但安全性高。

　　　　bcrypt核心用法：
　　　　　　生成雜湊：BCrypt.hashpw(明文密碼, BCrypt.gensalt(迭代次數))。
　　　　　　驗證密碼：BCrypt.checkpw(使用者輸入, 儲存的雜湊值)。

　　　　常用方法：

　　　　hashpw(String password, String salt):

　　　　　　作用: 使用給定的鹽生成密碼的雜湊值。
　　　　　　引數:
　　　　　　　　password 表示原始密碼。
　　　　　　　　salt 表示鹽。
　　　　　　返回值: 返回密碼的雜湊值。
　　　　gensalt(int logRounds):
　　　　　　作用: 生成鹽。
　　　　　　引數: logRounds 表示迭代次數的對數。
　　　　　　返回值: 返回生成的鹽。
　　　　checkpw(String password, String hashedPassword):
　　　　　　作用: 檢查原始密碼與雜湊密碼是否匹配。
　　　　　　引數:
　　　　　　　　password 表示原始密碼。
　　　　　　　　hashedPassword 表示雜湊密碼。
　　　　　　返回值: 返回一個布林值，表示密碼是否匹配。

　　類: javax.crypto.SecretKeyFactory, javax.crypto.spec.PBEKeySpec

　　　　作用: 一種基於密碼的金鑰派生函式，提供了高度可定製的引數，如迭代次數和金鑰長度。
　　　　特點:
　　　　　　計算速度介於 MessageDigest 和 bcrypt 之間。

　　　　PBKDF2操作流程：
　　　　　　初始化工廠：SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA256")。
　　　　　　建立規範：new PBEKeySpec(明文密碼, 鹽, 迭代次數, 金鑰長度)。
　　　　　　生成金鑰：factory.generateSecret(spec).getEncoded()。

　　　　常用方法：

　　　　SecretKeyFactory.getInstance(String algorithm):
　　　　　　作用: 獲取指定演算法的 SecretKeyFactory 例項。
　　　　　　引數: algorithm 表示演算法名稱，例如 "PBKDF2WithHmacSHA256"。
　　　　　　返回值: 返回指定演算法的 SecretKeyFactory 例項。
　　　　PBEKeySpec(char[] password, byte[] salt, int iterationCount, int keyLength):
　　　　　　作用: 建立 PBEKeySpec 例項，用於指定密碼、鹽、迭代次數和金鑰長度。
　　　　　　引數:
　　　　　　　　password 表示原始密碼。
　　　　　　　　salt 表示鹽。
　　　　　　　　iterationCount 表示迭代次數。
　　　　　　　　keyLength 表示金鑰長度。
　　　　　　返回值: 返回 PBEKeySpec 例項。
　　　　SecretKeyFactory.generateSecret(PBEKeySpec spec):
　　　　　　作用: 根據 PBEKeySpec 生成金鑰。
　　　　　　引數: spec 表示 PBEKeySpec 例項。
　　　　　　返回值: 返回生成的金鑰。

五、實戰演練與示例

　　1. MessageDigest 示例

　　

 1 import java.security.MessageDigest;
 2 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
 3 
 4 public class MessageDigestExample {
 5     public static void main(String[] args) {
 6         // 原始密碼
 7         String password = "password123"; 
 8 
 9         try {
10             // 建立 SHA-256 雜湊演算法的例項
11             MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256"); 12 
13             // 計算原始密碼的雜湊值
14             byte[] hash = digest.digest(password.getBytes()); 15 
16             // 將計算出的位元組陣列轉換為十六進位制字串形式
17             StringBuilder hexString = new StringBuilder();
18             for (byte b : hash) {
19                 String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
20                 if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
21                 hexString.append(hex);
22             }
23 
24             // 輸出 SHA-256 雜湊值
25             System.out.println("SHA-256 Hash: " + hexString); 
26         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
27             e.printStackTrace();
28         }
29     }
30 }

　　2. bcrypt 示例

 1 import org.mindrot.jbcrypt.BCrypt;
 2 
 3 public class BcryptExample {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         // 原始密碼
 6         String password = "password123"; 7 
 8         // 生成雜湊密碼
 9         String hashedPassword = BCrypt.hashpw(password, BCrypt.gensalt(12)); // 設定迭代次數為 12
10 
11         // 輸出 bcrypt 雜湊值
12         System.out.println("Bcrypt Hash: " + hashedPassword);13 
14         // 驗證原始密碼與雜湊密碼是否匹配
15         boolean matches = BCrypt.checkpw(password, hashedPassword);
16         System.out.println("Matches: " + matches);
17     }
18 }

　　3. PBKDF2 示例

 1 import javax.crypto.SecretKeyFactory;
 2 import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
 3 import java.security.NoSuchAlgorithmException;
 4 import java.security.SecureRandom;
 5 import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
 6 
 7 public class PBKDF2Example {
 8     public static void main(String[] args) {
 9         // 原始密碼
10         String password = "password123";11 
12         // 手動設定迭代次數
13         int iterations = 10000;14 
15         // 手動設定金鑰長度：告訴方法生成多少個字元的金鑰（256單位是位元組，位元組轉換就是32個字元）
16         int keyLength = 256;17 
18         // 手動設定鹽的長度
19         byte[] salt = new byte[16];20 
21         // 生成隨機鹽
22         new SecureRandom().nextBytes(salt);23 
24         // 建立 PBKDF2WithHmacSHA256 演算法的 SecretKeyFactory 例項：指定使用的演算法為 PBKDF2WithHmacSHA256
25         SecretKeyFactory factory = null;
26         try {
27             factory = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA256");
28         } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
29             throw new RuntimeException(e);
30         }
31 
32         // 建立 PBEKeySpec 例項
33         PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(password.toCharArray(), salt, iterations, keyLength);34 
35         // 生成金鑰
36         byte[] hash = null;
37         try {
38             hash = factory.generateSecret(spec).getEncoded();
39         } catch (InvalidKeySpecException e) {
40             throw new RuntimeException(e);
41         }
42 
43         // 將計算出的位元組陣列轉換為十六進位制字串形式
44         StringBuilder hexString = new StringBuilder();
45         for (byte b : hash) {
46             String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
47             if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
48             hexString.append(hex);
49         }
50 
51         // 輸出 PBKDF2 雜湊值：應該有32個字元
52         System.out.println("PBKDF2 Hash: " + hexString);
53     }
54 }

　　知識點：

　　　　金鑰長度並不是可以隨意設定的，它有一定的要求和限制。金鑰長度的選擇直接影響到加密演算法的安全性和效能。單位: 通常是以位元組為單位。在大多數情況下，建議使用至少 128 位（16 位元組）的金鑰長度，但在更高安全級別的應用中，可以考慮使用 256 位（32 位元組）或更長的金鑰。

　　金鑰長度的基本要求
　　　　安全性: 金鑰長度必須足夠長，以保證金鑰的安全性。較短的金鑰容易受到暴力攻擊。
　　　　演算法相容性: 金鑰長度需要與所使用的加密演算法相容。不同的加密演算法支援不同的金鑰長度。
　　　　效能: 較長的金鑰可能會導致加密和解密操作變慢，因此需要在安全性和效能之間找到平衡。
　　RSA 金鑰長度
　　　　對於 RSA 加密演算法，金鑰長度指的是公鑰和私鑰的長度。RSA 金鑰長度的最低安全要求是 2048 位。這是因為隨著計算技術的進步，1024 位的金鑰已經不再被認為是安全的。通常推薦使用 2048 位或更長的金鑰長度。
　　對稱加密演算法的金鑰長度
　　　　對於對稱加密演算法，如 AES，金鑰長度決定了加密演算法的強度。AES 支援以下幾種金鑰長度：
　　　　AES-128: 金鑰長度為 128 位（16 位元組）
　　　　AES-192: 金鑰長度為 192 位（24 位元組）
　　　　AES-256: 金鑰長度為 256 位（32 位元組）
　　PBKDF2 的金鑰長度
　　　　PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2）是一種從密碼派生金鑰的方法，通常用於生成對稱加密演算法的金鑰。PBKDF2 的金鑰長度取決於目標加密演算法的要求。例如，如果生成的金鑰用於 AES-256 加密，則金鑰長度應為 32 位元組（256 位）。

　　MessageDigest 示例:
　　　　不涉及金鑰長度，生成的是固定長度的雜湊值。
　　bcrypt 示例:
　　　　不涉及金鑰長度，生成的是固定長度的雜湊值。
　　PBKDF2 示例:
　　　　keyLength 引數指定了生成的金鑰長度，例如 32 位元組（256 位），適用於 AES-256 加密演算法。

六、結束語

特別提示
　　儘管MessageDigest不推薦用於密碼儲存，但在非安全敏感的雜湊應用中（如檔案校驗）仍非常有效。

安全考量
　　迭代次數與安全性：bcrypt和PBKDF2透過增加迭代次數提高安全性，抵禦暴力破解。迭代次數應定期評估並適時增加。

效能考量
　　速度與資源消耗：MessageDigest最快，但安全性最低；bcrypt最慢，但安全性最高；PBKDF2介於兩者之間，且更加靈活。
　　環境適應性：在效能受限的裝置上（如移動裝置），平衡安全性與計算成本尤為重要。

總結：

　　MessageDigest雖用途廣泛，但對密碼雜湊不夠安全。
　　bcrypt因設計獨特，是密碼雜湊的優選方案。
　　PBKDF2提供高度自定義選項，適合特定場景

七、進一步探索的路徑

密碼學基礎：深入學習加密原理，為安全開發打下堅實基礎。
安全框架整合：研究如何在Spring Security等框架中應用這些技術。
效能評估：分析各演算法在不同負載下的表現，找到最優配置。

注：原創，禁止複製，轉載！未標註來源者，必究！

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