理解php Hash函數(shù)，增強密碼安全

更新時間：2011年02月25日 23:52:35 作者：

服務器和數(shù)據(jù)庫的資料偶爾會被竊取，因此需要保證發(fā)生這種情況時一些重要的用戶數(shù)據(jù)，比如密碼，是別人無法獲取的。這里我們將要討論Hash的原理，以及它是如何保護Web應用程序中的密碼安全的。

1.聲明
密碼學是一個復雜的話題，我也不是這方面的專家。許多高校和研究機構在這方面都有長期的研究。在這篇文章里，我希望盡量使用簡單易懂的方式向你展示一種安全存儲Web程序密碼的方法。
2.“Hash”是做什么的？
“Hash將一段數(shù)據(jù)（小數(shù)據(jù)或大數(shù)據(jù)）轉換成一段相對短小的數(shù)據(jù)，如字符串或整數(shù)?！?
這是依靠單向hash函數(shù)來完成的。所謂單向是指很難（或者是實際上不可能）將其反轉回來。一個常見的hash函數(shù)的例子是md5()，它流行于各種計算機語言和系統(tǒng)。

復制代碼代碼如下:

 
$data = "Hello World"; 
$hash = md5($data); 
echo $hash; // b10a8db164e0754105b7a99be72e3fe5 

使用md5()運算出來的結果總是32個字符的字符串，不過它只包含16進制的字符，從技術上來說它也可以用128位（16字節(jié)）的整形數(shù)來表示。你可以使用md5()來處理很長的字符串和數(shù)據(jù)，但是你始終得到的是一個固定長度的hash值，這也可能可以幫助你理解為什么這個函數(shù)是“單向”的。
3.使用Hash函數(shù)來存儲密碼
典型的用戶注冊過程：
用戶填寫注冊表單，其中包含密碼字段；
程序將所有用戶填寫的信息存儲到數(shù)據(jù)庫中；
然而密碼在存儲到數(shù)據(jù)庫前通過hash函數(shù)加密處理；
原始的密碼不再存儲在任何地方，或者說它被丟棄了。
用戶登錄過程：
用戶輸入用戶名和密碼；
程序將密碼通過以注冊相同的hash函數(shù)進行加密；
程序從數(shù)據(jù)庫查到用戶，并讀取hash后的密碼；
程序比較用戶名和密碼，如果匹配則給用戶授權。
如何選擇合適的方法來加密密碼，我們將在文章的后面討論這個問題。
4.問題1：hash碰撞
hash碰撞是指對兩個不同的內(nèi)容進行hash得到了相同的hash值。發(fā)生hash碰撞的可能性取決于所用的hash算法。
如何產(chǎn)生？
舉個例子，一些老式程序使用crc32()來hash密碼，這種算法產(chǎn)生一個32位的整數(shù)作為hash結果，這意味著只有2^32 (即4,294,967,296) 種可能的輸出結果。
讓我們來hash一個密碼：

復制代碼代碼如下:

 
echo crc32('supersecretpassword'); 
// outputs: 323322056 

現(xiàn)在我們假設一個人竊取了數(shù)據(jù)庫，得到了hash過的密碼。他可能不能將323322056還原為‘supersecretpassword'，然而他可以找到另一個密碼，也能被hash出同樣的值。這只需要一個很簡單的程序：

復制代碼代碼如下:

 
set_time_limit(0); 
$i = 0; 
while (true) { 
if (crc32(base64_encode($i)) == 323322056) { 
echo base64_encode($i); 
exit; 
} 
$i++; 
} 

這個程序可能需要運行一段時間，但是最終它能返回一個字符串。我們可以使用這個字符串來代替‘supersecretpassword'，并使用它成功的登錄使用該密碼的用戶帳戶。
比如在我的電腦上運行上面的程序幾個月后，我得到了一個字符串：‘MTIxMjY5MTAwNg=='。我們來測試一下：

復制代碼代碼如下:

 
echo crc32('supersecretpassword'); 
// outputs: 323322056 
echo crc32('MTIxMjY5MTAwNg=='); 
// outputs: 323322056 

如何解決？
現(xiàn)在一個稍強一點的家用PC機就可以一秒鐘運行十億次hash函數(shù)，所以我們需要一個能產(chǎn)生更大范圍的結果的hash函數(shù)。比如md5()就更合適一些，它可以產(chǎn)生128位的hash值，也就是有340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456種可能的輸出。所以人們一般不可能做那么多次循環(huán)來找到hash碰撞。然而仍然有人找到方法來做這件事情，詳細可以查看例子。
sha1()是一個更好的替代方案，因為它產(chǎn)生長達160位的hash值。
5.問題2：彩虹表
即使我們解決了碰撞問題，還是不夠安全。
“彩虹表通過計算常用的詞及它們的組合的hash值建立起來的表?！?
這個表可能存儲了幾百萬甚至十億條數(shù)據(jù)。現(xiàn)在存儲已經(jīng)非常的便宜，所以可以建立非常大的彩虹表。
現(xiàn)在我們假設一個人竊取了數(shù)據(jù)庫，得到了幾百萬個hash過的密碼。竊取者可以很容易地一個一個地在彩虹表中查找這些hash值，并得到原始密碼。雖然不是所有的hash值都能在彩虹表中找到，但是肯定會有能找到的。
如何解決？
我們可以嘗試給密碼加點干擾，比如下面的例子：

復制代碼代碼如下:

 
$password = "easypassword"; 
// this may be found in a rainbow table 
// because the password contains 2 common words 
echo sha1($password); // 6c94d3b42518febd4ad747801d50a8972022f956 
// use bunch of random characters, and it can be longer than this 
$salt = "f#@V)Hu^%Hgfds"; 
// this will NOT be found in any pre-built rainbow table 
echo sha1($salt . $password); // cd56a16759623378628c0d9336af69b74d9d71a5 

在這里我們所做的只是在每個密碼前附加上一個干擾字符串后進行hash，只要附加的字符串足夠復雜，hash后的值肯定是在預建的彩虹表中找不到的。不過現(xiàn)在還是不夠安全。
6.問題3：還是彩虹表
注意，彩虹表可能在竊取到干攏字符串后重頭開始建立。干擾字符串一樣也可能被和數(shù)據(jù)庫一起被竊取，然后他們可以利用這個干擾字符串從頭開始創(chuàng)建彩虹表，如“easypassword”的hash值可能在普通的彩虹表中存在，但是在新建的彩虹表里，“f#@V)Hu^%Hgfdseasypassword”的hash值也會存在。
如何解決？
我們可以對每個用戶使用唯一的干擾字符串。一個可用的方案就是使用用戶在數(shù)據(jù)庫中的id：

復制代碼代碼如下:

$hash = sha1($user_id . $password);

這種方法的前提是用戶的id是一個不變的值（一般應用都是這樣的）
我們也可以為每個用戶隨機生成一串唯一的干擾字符串，不過我們也需要將這個串存儲起來：

復制代碼代碼如下:

 
// generates a 22 character long random string 
function unique_salt() { 
return substr(sha1(mt_rand()),0,22); 
} 
$unique_salt = unique_salt(); 
$hash = sha1($unique_salt . $password); 
// and save the $unique_salt with the user record 
// ... 

這種方法就防止了我們受到彩虹表的危害，因為每一個密碼都使用一個不同的字符串進行了干擾。攻擊者需要創(chuàng)建和密碼數(shù)量一樣的彩虹表，這是很不切實際的。
7.問題4：hash速度
大部分hash算法在設計時就考慮了速度問題，因為它一般用來計算大數(shù)據(jù)或文件的hash值，以驗證數(shù)據(jù)的正確性和完整性。
如何產(chǎn)生？
如前所述，現(xiàn)在一臺強勁的PC機可以一秒運算數(shù)十億次，很容易用暴力破解法去嘗試每個密碼。你可能會以為8個以上字符的密碼就可以避免被暴力破解了，但是讓我們來看看是否真是這樣：
如果密碼可以包含小寫字母，大寫字母和數(shù)字，那就有62（26+26+10）個字符可選；
一個8位的密碼有62^8種可能組合，這個數(shù)字略大于218萬億。
以一秒鐘運算10億次hash值的速度計算，這只需要60小時就可以解決。
對于一個6位的密碼，也是很常用的密碼，只需要1分鐘就可以破解。要求9到10位的密碼可能會比較安全了，不過這樣有的用戶可能會覺得很麻煩。
如何解決？
使用慢一點的hash函數(shù)。
“假設你使用一個在相同硬件條件下一秒鐘只能運行100萬次的算法來代替一秒10億次的算法，那么攻擊者可能需要要花1000倍的時間來做暴力破解，60小只將會變成7年！”
你可以自己實現(xiàn)這種方法：

復制代碼代碼如下:

 
function myhash($password, $unique_salt) { 
$salt = "f#@V)Hu^%Hgfds"; 
$hash = sha1($unique_salt . $password); 
// make it take 1000 times longer 
for ($i = 0; $i < 1000; $i++) { 
$hash = sha1($hash); 
} 
return $hash; 
} 

你也可以使用一個支持“成本參數(shù)”的算法，比如 BLOWFISH。在php中可以用crypt()函數(shù)實現(xiàn)：

復制代碼代碼如下:

 
function myhash($password, $unique_salt) { 
// the salt for blowfish should be 22 characters long 
return crypt($password, '$2a$10.$unique_salt'); 
} 

這個函數(shù)的第二個參數(shù)包含了由”$”符號分隔的幾個值。第一個值是“$2a”，指明應該使用BLOWFISH算法。第二個參數(shù)“$10”在這里就是成本參數(shù)，這是以2為底的對數(shù)，指示計算循環(huán)迭代的次數(shù)（10 => 2^10 = 1024），取值可以從04到31。
舉個例子：

復制代碼代碼如下:

 
function myhash($password, $unique_salt) { 
return crypt($password, '$2a$10.$unique_salt'); 
} 
function unique_salt() { 
return substr(sha1(mt_rand()),0,22); 
} 
$password = "verysecret"; 
echo myhash($password, unique_salt()); 
// result: $2a$10$dfda807d832b094184faeu1elwhtR2Xhtuvs3R9J1nfRGBCudCCzC 

結果的hash值包含$2a算法，成本參數(shù)$10，以及一個我們使用的22位干擾字符串。剩下的就是計算出來的hash值，我們來運行一個測試程序：

復制代碼代碼如下:

 
// assume this was pulled from the database 
$hash = '$2a$10$dfda807d832b094184faeu1elwhtR2Xhtuvs3R9J1nfRGBCudCCzC'; 
// assume this is the password the user entered to log back in 
$password = "verysecret"; 
if (check_password($hash, $password)) { 
echo "Access Granted!"; 
} else { 
echo "Access Denied!"; 
} 
function check_password($hash, $password) { 
// first 29 characters include algorithm, cost and salt 
// let's call it $full_salt 
$full_salt = substr($hash, 0, 29); 
// run the hash function on $password 
$new_hash = crypt($password, $full_salt); 
// returns true or false 
return ($hash == $new_hash); 
} 

運行它，我們會看到”Access Granted!”
8.整合起來
根據(jù)以上的幾點討論，我們寫了一個工具類：

復制代碼代碼如下:

 
class PassHash { 
// blowfish 
private static $algo = '$2a'; 
// cost parameter 
private static $cost = '$10'; 
// mainly for internal use 
public static function unique_salt() { 
return substr(sha1(mt_rand()),0,22); 
} 
// this will be used to generate a hash 
public static function hash($password) { 
return crypt($password, 
self::$algo . 
self::$cost . 
'$'. self::unique_salt()); 
} 
// this will be used to compare a password against a hash 
public static function check_password($hash, $password) { 
$full_salt = substr($hash, 0, 29); 
$new_hash = crypt($password, $full_salt); 
return ($hash == $new_hash); 
} 
} 

以下是注冊時的用法：

復制代碼代碼如下:

 
// include the class 
require ("PassHash.php"); 
// read all form input from $_POST 
// ... 
// do your regular form validation stuff 
// ... 
// hash the password 
$pass_hash = PassHash::hash($_POST['password']); 
// store all user info in the DB, excluding $_POST['password'] 
// store $pass_hash instead 
// ... 

以下是登錄時的用法：

復制代碼代碼如下:

 
// include the class 
require ("PassHash.php"); 
// read all form input from $_POST 
// ... 
// fetch the user record based on $_POST['username'] or similar 
// ... 
// check the password the user tried to login with 
if (PassHash::check_password($user['pass_hash'], $_POST['password']) { 
// grant access 
// ... 
} else { 
// deny access 
// ... 
} 

9.加密是否可用
并不是所有系統(tǒng)都支持Blowfish加密算法，雖然它現(xiàn)在已經(jīng)很普遍了，你可以用以下代碼來檢查你的系統(tǒng)是否支持：

復制代碼代碼如下:

 
if (CRYPT_BLOWFISH == 1) { 
echo "Yes"; 
} else { 
echo "No"; 
} 

不過對于php5.3，你就不必擔心這點了，因為它內(nèi)置了這個算法的實現(xiàn)。
結論
通過這種方法加密的密碼對于絕大多數(shù)Web應用程序來說已經(jīng)足夠安全了。不過不要忘記你還是可以讓用戶使用安全強度更高的密碼，比如要求最少位數(shù)，使用字母，數(shù)字和特殊字符混合密碼等。

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