密码存储中MD5的安全问题与替代方案-md5密码原理

md5安全吗?有多么地不安全?如何才能安全地存储密码?…

md5安全吗?

经过各种安全事件后，很多系统在存放密码的时候不会直接存放明文密码了，大都改成了存放了 md5 加密(hash)后的密码，可是这样真的安全吗?

这儿有个脚本来测试下MD5的速度, 测试结果:

[root@f4d5945f1d7c tools]# php speed-of-md5.php 
Array 
( 
    [rounds] => 100 
    [times of a round] => 1000000 
    [avg] => 0.23415904045105 
    [max] => 0.28906106948853 
    [min] => 0.21188998222351 
)

有没有发现一个问题：MD5速度太快了，导致很容易进行暴力破解.

简单计算一下：

> Math.pow(10, 6) / 1000000 * 0.234 
0.234 
> Math.pow(36, 6) / 1000000 * 0.234 / 60 
8.489451110400001 
> Math.pow(62, 6) / 1000000 * 0.234 / 60 / 60 
3.69201531296

使用6位纯数字密码，破解只要0.234秒!
使用6位数字+小写字母密码，破解只要8.49分钟!
使用6位数字+大小写混合字母密码，破解只要3.69个小时!

当然，使用长一点的密码会显著提高破解难度：

> Math.pow(10, 8) / 1000000 * 0.234 
23.400000000000002 
> Math.pow(36, 8) / 1000000 * 0.234 / 60 / 60 / 24 
7.640505999359999 
> Math.pow(62, 8) / 1000000 * 0.234 / 60 / 60 / 24 / 365 
1.6201035231755982

使用8位纯数字密码，破解要23.4秒!
使用8位数字+小写字母密码，破解要7.64小时!
使用8位数字+大小写混合字母密码，破解要1.62年!

但是，别忘了，这个速度只是用PHP这个解释型语言在笔者的弱鸡个人电脑(i5-4460 CPU 3.20GHz)上跑出来的，还只是利用了一个线程一个CPU核心。若是放到最新的 Xeon E7 v4系列CPU的服务器上跑，充分利用其48个线程，并使用C语言来重写下测试代码，很容易就能提升个几百上千倍速度。那么即使用8位数字+大小写混合字母密码，破解也只要14小时!

更何况，很多人的密码都是采用比较有规律的字母或数字，更能降低暴力破解的难度… 如果没有加盐或加固定的盐，那么彩虹表破解就更easy了…

那么如何提升密码存储的安全性呢?bcrypt!

提升安全性就是提升密码的破解难度，至少让暴力破解难度提升到攻击者无法负担的地步。(当然用户密码的长度当然也很重要，建议至少8位，越长越安全)

这里不得不插播一句：PHP果然是世界上最好的语言 — 标准库里面已经给出了解决方案。

PHP 5.5 的版本中加入了 password_xxx 系列函数, 而对之前的版本，也有兼容库可以用：password_compat.

在这个名叫“密码散列算法”的核心扩展中提供了一系列简洁明了的对密码存储封装的函数。简单介绍下：

password_hash 是对密码进行加密(hash)，目前默认用(也只能用)bcrypt算法，相当于一个加强版的md5函数
password_verify 是一个验证密码的函数，内部采用的安全的字符串比较算法，可以预防基于时间的攻击, 相当于 $hashedPassword === md5($inputPassword)
password_needs_rehash 是判断是否需要升级的一个函数，这个函数厉害了，下面再来详细讲

password_hash 需要传入一个算法，现在默认和可以使用的都只有bcrypt算法，这个算法是怎么样的一个算法呢?为什么PHP标准库里面会选择bcrypt呢?

bcrypt是基于 Blowfish 算法的一种专门用于密码哈希的算法，由 Niels Provos 和 David Mazieres 设计的。这个算法的特别之处在于，别的算法都是追求快，这个算法中有一个至关重要的参数：cost. 正如其名，这个值越大，耗费的时间越长，而且是指数级增长 — 其加密流程中有一部分是这样的：

EksBlowfishSetup(cost, salt, key) 
    state <- InitState() 
    state <- ExpandKey(state, salt, key) 
    repeat (2^cost)                         // "^"表示指数关系 
        state <- ExpandKey(state, 0, key) 
        state <- ExpandKey(state, 0, salt) 
    return state

比如下面是笔者的一次测试结果(个人弱机PC, i5-4460 CPU 3.20GHz) ：

cost       time 
         8   0.021307 
         9   0.037150 
        10   0.079283 
        11   0.175612 
        12   0.317375 
        13   0.663080 
        14   1.330451 
        15   2.245152 
        16   4.291169 
        17   8.318790 
        18  16.472902 
        19  35.146999

附：测试代码

这个速度与md5相比简直是蜗牛与猎豹的差别 — 即使按照cost=8, 一个8位的大小写字母+数字的密码也要14万年才能暴力破解掉，更何况一般服务器都会至少设置为10或更大的值(那就需要54万年或更久了)。

显然，cost不是越大越好，越大的话会越占用服务器的CPU，反而容易引起DOS攻击。建议根据服务器的配置和业务的需求设置为10~12即可。最好同时对同一IP同一用户的登录尝试次数做限制，预防DOS攻击。

一个安全地存储密码的方案

总上所述，一个安全地存储密码的方案应该是这样子的：(直接放代码吧)

class User extends BaseModel 
{ 
    const PASSWORD_COST = 11; // 这里配置bcrypt算法的代价，根据需要来随时升级 
    const PASSWORD_ALGO = PASSWORD_BCRYPT; // 默认使用（现在也只能用）bcrypt 
 
    /** 
    * 验证密码是否正确 
    * 
    * @param string $plainPassword 用户密码的明文 
    * @param bool  $autoRehash    是否自动重新计算下密码的hash值（如果有必要的话） 
    * @return bool 
    */ 
    public function verifyPassword($plainPassword, $autoRehash = true) 
    { 
        if (password_verify($plainPassword, $this->password)) { 
            if ($autoRehash && password_needs_rehash($this->password, self::PASSWORD_ALGO, ['cost' => self::PASSWORD_COST])) { 
                $this->updatePassword($plainPassword); 
            } 
 
            return true; 
        } 
 
        return false; 
    } 
 
    /** 
    * 更新密码 
    * 
    * @param string $newPlainPassword 
    */ 
    public function updatePassword($newPlainPassword) 
    { 
        $this->password = password_hash($newPlainPassword, self::PASSWORD_ALGO, ['cost' => self::PASSWORD_COST]); 
        $this->save(); 
    } 
}

这样子，在用户注册或修改密码的时候就调用 $user->updatePassword() 来设置密码，而登录的时候就调用 $user->verifyPassword() 来验证下密码是否正确。

当硬件性能提升到一定程度，而cost=11无法满足安全需求的时候，则修改下 PASSWORD_COST 的值即可无缝升级，让存放的密码更安全。