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对抗拖库 —— Web 前端慢加密

2015-11-30 09:26    评论: 2 收藏: 4    

0x00 前言

天下武功,唯快不破。但密码加密不同。算法越快,越容易破。

0x01 暴力破解

密码破解,就是把加密后的密码还原成明文密码。似乎有不少方法,但最终都得走一条路:暴力穷举。也许你会说还可以查表,瞬间就出结果。虽然查表不用穷举,但表的制造过程仍然需要。查表只是将穷举提前了而已。

密码加密,用的都是单向散列计算。既然单向,那就是不可逆,那只能穷举。穷举的原理很简单。只要知道密文是用什么算法加密的,我们也用相同的算法,把常用的词组跑一遍。若有结果和密文一样,那就猜中了。

穷举的速度有多快?这和加密算法有关。加密一次有多快,猜一次也这么快。例如 MD5 加密是非常快的。加密一次耗费 1 微秒,那破解时随便猜一个词组,也只需 1 微秒(假设机器性能一样,词组长度也差不多)。攻击者一秒钟就可以猜 100 万个,而且这还只是单线程的速度。

所以,加密算法越快,破解起来就越容易。

(题图来自: netdna-ssl.com)

0x02 慢加密

如果能提高加密时间,显然也能增加破解时间。如果加密一次提高到 10 毫秒,那么攻击者每秒只能猜 100 个,破解速度就慢了一万倍。怎样才能让加密变慢?最简单的,就是对加密后的结果再加密,重复多次。

例如,原本 1 微秒的加密,重复一万次,就慢一万倍了:

for i = 0 ~ 10000
    x = md5(x)
end

加密时多花一点时间,就可以换取攻击者大量的破解时间。

事实上,这样的「慢加密」算法早已存在,例如 bcryptPBKDF2 等等。它们都有一个难度系数因子,可以控制加密时间,想多慢就多慢。

加密越慢,破解时间越长。

0x03 慢加密应用

最需要慢加密的场合,就是网站数据库里的密码。

近几年,经常能听到网站被「拖库」的新闻。用户资料都是明文存储,泄露了也无法挽回。唯独密码,还可以和攻击者对抗一下。然而不少网站,使用的都是快速加密算法,因此轻易就能破解出一堆弱口令账号。当然,有时只想破解某个特定人物的账号。只要不是特别复杂的词汇,跑上几天,很可能就破出来。

但网站用了慢加密,结果可能就不一样了。如果把加密时间提高 100 倍,破解时间就得长达数月,变得难以接受。即使数据泄露,也能保障「密码」这最后一道隐私。

0x04 慢加密缺点

不过,慢加密也有明显的缺点:消耗大量计算资源。使用慢加密的网站,如果同时来了多个用户,服务器 CPU 可能就不够用了。要是遇到恶意用户,发起大量的登录请求,甚至造成资源被耗尽。性能和安全总是难以兼得。所以,一般也不会使用太高的强度。

一些大型网站,甚至为此投入集群,用来处理大量的加密计算。但这需要不少的成本。

有没有什么方法,可以让我们使用算力强劲、同时又免费的计算资源?

0x05 前端加密

在过去,个人电脑和服务器的速度,还是有较大差距的。但如今,随着硬件发展进入瓶颈,这个差距正缩小。在单线任务处理上,甚至不相上下。客户端拥有强大的算力,能不能分担一些服务器的工作?尤其像「慢加密」这种算法开源、但计算沉重的任务,为何不交给客户端来完成?

过去,提交的是明文密码;现在,提交的则是明文密码的「慢加密结果」。无论是注册,还是登录。而服务端,无需任何改动。将收到的「慢加密结果」,当做原来的明文密码 就行。以前是怎么保存的,现在还是怎么保存。这样就算被拖库,攻击者破解出来的也只是「慢加密结果」,还需再破解一次,才能还原出「明文密码」。

事实上,「慢加密结果」这个中间值,是不可能破解出来的!因为它是一个散列值 —— 毫无规律的随机串,例如 32 位十六进制字符串,而字典都是有意义的词组,几乎不可能跑到它!除非字节逐个穷举。但这有 16^32 种组合,是个天文数字。所以「慢加密结果」是无法通过数据库里泄露的密文「逆推」出来的。

或许你在想,即使不知道明文密码,也可以直接用「慢加密结果」来登录。事实上后端储存时再次加密,就无法逆推出这个散列值了。

当然,不能逆推,但可以顺推。把字典里的词组,用前后端的算法依次执行一次:

back_fast_hash( front_slow_hash(password) )

然后对比密文,即可判断有没有猜中。这样就可以用跑字典来破解。但是有 front_slow_hash 这个障碍,破解速度就大幅降低了。

0x06 对抗预先计算

不过,前端的一切都是公开的。所以 front_slow_hash 的算法大家都知道。攻击者可以用这套算法,把常用词组的「慢加密结果」提前算出来,制作成一个「新字典」。将来拖库后,就可以直接跑这个新字典了。

对抗这种方法,还得用经典的手段:加盐。最简单的,将用户名作为盐值:

front_slow_hash(password + username)

这样,即使相同的密码,对于不同的用户,「慢加密结果」也不一样了。也许你会说,这个盐值不合理,因为用户名是公开的。攻击者可以对某个重要人物的账号,单独为他建立一个字典。

那么,是否可以提供一个隐蔽的盐值?答案是:不可以。

因为这是在前端。用户还没登录,那返回谁的盐值?登录前就能获得账号的盐值,这不还是公开的吗。所以,前端加密的盐值无法隐藏,只能公开。当然,即使公开,单独提供一个盐值参数,也比用户名要好。因为用户名永远不变,而独立的盐值可以定期更换。


盐值可以由前端生成。例如注册时:

# 前端生成盐值
salt = rand()
password = front_slow_hash(password + salt)

# 提交时带上盐值
submit(..., password, salt)

后端将用户的盐值也储存起来。登录时,输完用户名,就可以开始查询用户对应的盐值:

当然要注意的是,这个接口可以测试用户是否存在,所以得有一定的控制。

盐值的更换,也非常简单,甚至可以自动完成:

前端在加密当前密码时,同时开启一个新线程,计算新盐值和新密码。提交时,将它们全都带上。如果「当前密码」验证成功,则用「新密码」和「新盐值」覆盖旧的。这样更换盐值,还是只用到前端的算力。

这一切都是自动的,相当于 在用户无感知的情况下,定期帮他更换密码!

密文变了,针对「特定盐值」制作的字典,也就失效了。攻击者得重新制作一次。

0x07 强度策略

密码学上的问题到此结束,下面讨论实现上的问题。

现实中,用户的算力是不均衡的。有人用的是神级配置,也有的是古董机。这样,加密强度就很难设定。如果古董机用户登录会卡上几十秒,那肯定是不行的。对于这种情况,只有以下选择:

  • 强度固定

  • 强度可变

1.强度固定

根据大众的配置,制定一个适中的强度,绝大多数用户都可接受。但如果超过规定时间还没完成,就把算到一半的 Hash 和步数提交上来,剩余部分让服务器来完成。

[前端] 完成 70% ----> [后端] 计算 30%

不过,这需要「可序列化」的算法,才能在服务端还原进度。如果计算中会有大量的临时内存,这种方案就不可行了。相比过去 100% 后端慢加密,这种少量用户「前后参半」的方式,可以节省不少服务器资源。

对于请求协助的用户,也必须有一定的限制,防止恶意透支服务器资源。

2.强度可变

如果后端不提供任何协助,那只能根据自身条件做取舍了。配置差的用户,就少加密一点。用户注册时,加密算法不限步数放开跑,看看特定时间里能算到多少步:

# [注册阶段] 算力评估(线程 1 秒后中止)
while
    x = hash(x)
    step = step + 1
end

这个步数,就是加密强度,会保存到他的账号信息里。和盐值一样,强度也是公开的。因为在登录时,前端加密需要知道这个强度值。

# [登录阶段] 先获得 step
for i = 0 ~ step
    x = hash(x)
end

这个方案,可以让高配置的用户享受更高的安全性;低配置的用户,也不会影响基本使用。(用上好电脑还能提升安全性,很有优越感吧~)

但这有个重要的前提:注册和登录,必须在性能相近的设备上。如果是在高配置电脑上注册的账号,某天去古董机登录,那就悲剧了,可能半天都算不出来。。。

3.动态调整方案

上述情况,现实中是普遍存在的。比如 PC 端注册的账号,在移动端登录,算力可能就不够用。如果没有后端协助,那只能等。要是经常在低端设备上登录,那每次都得干等吗?等一两次就算了,如果每次都等,不如重新估量下自己的能力吧。把加密强度动态调低,更好的适应当前环境。将来如果不用低端设备了,再自动的调整回来。让加密强度,能动态适应常用的设备的算力。

实现原理,和上一节的自动更换盐值类似。

4.异想天开方案

下面 YY 一个脑洞大开的方案,前提是网站有足够大的访问量。如果当前有很多在线用户,它们不就是一堆免费的计算节点吗?计算量大的问题,扔给他们来解决。

不过这样做也有一些疑虑,万一正好推送给了坏人怎么办?显然,不能把太多的敏感数据放出去。节点只管计算,完全不用知道、也不能知道这个任务的最终目的。

但是,如果遇到恶作剧节点,故意把数据算错怎么办?所以不能只推送给一个节点。多选几个,最终结果一致才算正确。这样风险概率就降低了。

相比 P2P 计算,网站是有中心、实名的,管理起来会容易一些。对于恶作剧用户,可以进行惩罚;参与过帮助的用户,也给予一定奖励。

想象就到此,继续讨论实际的。

0x08 性能优化

1.为什么要优化

或许你会问,「慢加密」不就是希望计算更慢吗,为什么还要去优化?

假如这是一个自创的隐蔽式算法,并且混淆到外人根本无法读懂,那不优化也没事。甚至可以在里面放一些空循环,故意消耗时间。但事实上,我们选择的肯定是「密码学家推荐」的公开算法。它们每一个操作,都是有数学上的意义的。原本一个操作只需一条 CPU 指令,因为不够优化,用了两条指令,那么额外的时间就是内耗。导致加密用时更久,强度却未提升。

2.前端计算软肋

如果是本地程序,根本不用考虑这个问题,交给编译器就行。但在 Web 环境里,我们只能用浏览器计算!相比本地程序,脚本要慢的多,因此内耗会很大。

脚本为什么慢?主要还是这几点:

  • 弱类型

  • 解释型

  • 沙箱

3.弱类型

脚本,是用来处理简单逻辑的,并不是用来密集计算的,所以没必要强类型。不过如今有了一个黑科技:asm.js。它能通过语法糖,为 JS 提供真正的强类型。这样计算速度就大幅提升了,可以接近本地程序的性能!

但是不支持 asm.js 的浏览器怎么办?例如,国内还有大量的 IE 用户,他们的算力是非常低的。好在还有个后补方案 —— Flash,它有各种高性能语言的特征。类型,自然不在话下。

相比 asm.js,Flash 还是要慢一些,但比 IE 还是快多了。

4.解释型

解释型语言,不仅需要语法分析,更是失去了「编译时深度优化」带来的性能提升。好在 Mozilla 提供了一个可以从 C/C++ 编译成 asm.js 的工具:emscripten。有了它,就不用裸写了。而且编译时经过 LLVM 的优化,生成的代码质量会更高。

事实上,这个概念在 Flash 里早有了。曾经有个叫 Alchemy 的工具,能把 C/C++ 交叉编译成 Flash 虚拟机指令,速度比 ActionScript 快不少。

Alchemy 现在改名 FlasCC,还有开源版的 crossbridge

5.沙箱

一些本地语言看似很简单的操作,在沙箱里就未必如此。例如数组操作:

vector[k] = v

虚拟机首先得检查索引是否越界,否则会有严重的问题。如果「前端慢加密」算法涉及到大量内存随机访问,那就会有很多无意义的内耗,因此得慎重考虑。不过有些特殊场合,脚本速度甚至能超过本地程序!例如开头提到的 MD5 大量反复计算。

这其实不难解释:

首先,MD5 算法很简单。没有查表这样的内存操作,使用的都是局部变量。局部变量的位置都是固定的,避免了越界检查开销。其次,emscripten 的优化能力,并不比本地编译器差。最后,本地程序编译之后,机器指令就不会再变了;而如今脚本引擎,都有 JIT 这个利器。它会根据运行时的情况,实时生成更优化的机器指令。

所以选择加密算法时,还得兼顾实际运行环境,扬长避短,发挥出最大功效。

0x09 对抗 GPU

众所周知,跑密码使用 GPU 可以快很多倍。GPU 可以想象成一个有几百上千核的处理器,但只能执行一些简单的指令。虽然单核速度不及 CPU,但可以通过数量取胜。暴力穷举时,可以从字典里取出上千个词汇同时跑,破解效率就提高了。

那能否在算法里添加一些特征,正好命中 GPU 的软肋呢?

1.显存瓶颈

大家听过说「莱特币」吧。不同于比特币,莱特币挖矿使用了 scrypt 算法。这种算法对内存依赖非常大,需要频繁读写一个表。GPU 虽然每个线程都能独立计算,但显存只有一个,大家共享使用。这意味着,同时只有一个线程能操作显存,其他有需要的只能等待了。这样,就极大遏制了并发的优势。

2.移植难度

山寨币遍地开花的时候,还出现了一个叫 X11Coin 的币,据称能对抗 ASIC。它的原理很简单,里面掺杂了 11 种不同的加密算法。这样,制造出相应的 ASIC 复杂度大幅增加了。尽管这不是一个长久的对抗方案,但思路还是可以借鉴的。如果一件事过于复杂,很多攻击者就望而生畏了,不如去做更容易到手的事。

3.其他想法

之所以 GPU 能大行其道,是因为目前的加密算法,都是简单的公式运算。这对 CPU 并没太大的优势。能否设计一个算法,充分依赖 CPU 的优势?CPU 有很多隐藏的强项,例如流水线。如果算法中有大量的条件分支,也许 GPU 就不擅长了。

当然,这里只是设想。自己创造加密算法,是非常困难的,也不推荐这么做。

0x0A 额外意义

除了能降低密码破解速度,前端慢加密还有一些其他意义:

1.减少泄露风险

用户输入的明文密码,在前端内存里就已加密。离开浏览器,泄露风险就已结束。即使通信被窃听,或是服务器上的恶意中间件,都无法拿到明文密码。除非网页本身有恶意代码,或是用户系统存在恶意软件。

2.无法私藏明文

尽管大部分网站都声称,不会存储用户的明文密码。但这并没有证据,也许私下里仍在悄悄储存。如果在前端加密,网站就无法拿到用户的明文密码了。也许正是这一点,很多网站不愿意使用前端加密。

事实上,其实网站不愿意也没关系,我们可以自己做一个单机版的慢加密插件。当选中网页密码框时,弹出我们插件。在插件里输入密码后,开始慢加密计算。最后将结果填入页面密码框里。这样,所有的网站都可以使用了。当然,已注册的账号是不行的,得手动调整一下。

3.增加撞库成本

「前端慢加密」需要消耗用户的计算力,这个缺点有时也是件好事。

对于正常用户来说,登录时多等一秒影响并不大。但对于频繁登录的用户来说,这就是一个障碍了。谁会频繁登录?也许就是撞库攻击者。他们无法拖下这个网站的数据库,于是就用在线登录的方式,不断的测试弱口令账号。如果通过 IP 来控制频率,攻击者可以找大量的代理 —— 网速有多快,就能试多快。

但使用了前端慢加密,攻击者每试一个密码,就得消耗大量的计算,于是将瓶颈卡在硬件上 —— 能算多快,才能试多快。所以,这里有点类似 PoW(Proof-of-Work,工作量证明)的意义。关于 PoW,以后我们会详细介绍。

0x0B 无法做到的

尽管「前端慢加密」有不少优势,但也不是万能的。上一节也提到,能减少风险,而不是消除风险。如果本地环境有问题,那任何密码输入都有风险。

下面我们来思考一个场景:某网站使用了「前端慢加密」,但没有使用 HTTPS —— 这会导致链路被窃听。回顾 0x05 小节,如果拿到「慢加密结果」,就可以直接登上账号,即使不知道明文密码。的确如此。但请仔细想一想,这不也降低损失了吗?

本来不仅账号被盗用,而且明文密码也会泄露;而如今,只是账号被盗用,明文密码对方仍无法获得。所以,前端慢加密的真正保护的是「密码」而不是「账号」。账号被盗,密码拿不到!

如果攻击者不仅能窃听,还能控制流量的话,就可以往页面注入攻击脚本,从而获得明文密码。当然,这和电脑中毒、键盘偷窥一样,都属于「环境有问题」,不在本文讨论范围内。本文讨论的是数据库泄露的场景。

0x0C 多线程慢加密

用户的配置越来越好,不少都是四核、八核处理器。能否利用多线程的优势,将慢加密计算进行分解?如果每一步计算都依赖之前的结果,是无法进行拆解的。例如:

for i = 0 ~ 10000
    x = hash(x)
end

这是一个串行的计算。然而只有并行的问题,才能分解成多个小任务。不过,换一种方式的多线程也是可以的。例如我们使用 4 个线程:

# 线程 1
x1 = hash(password + "salt1")
for i = 0 ~ 2500
    x1 = hash(x1)
end

# 线程 2
x2 = hash(password + "salt2")
for i = 0 ~ 2500
    x2 = hash(x2)
end

# ...

最终将 4 个结果合并起来,再做一次加密,作为慢加密结果。但这样会导致更容易破解吗?留着给大家思考。

0x0D 总结

前端慢加密,就是让每个用户贡献少量的计算资源,使加密变得更强劲。即使数据泄露,其中也凝聚了全网站用户的算力,从而大幅增加破解成本。


0xFF 后记

前些年比特币流行时,突发奇想用浏览器来挖矿。虽然没做成,不过获得了一些密码学姿势。近期重新进行了整理,并添加了一些新想法,于是写篇详细的文章分享一下。因为密码学属于传统领域,所以结合当下流行的 Web 技术,才能更有新意。

如果你对算法有疑惑,可以先仔细看 0x05 这节。

如果你是耐心看完本文的,希望能有收获:)

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来自北京的 Chrome 46.0|Windows 7 用户 2015-12-2 19:21
谢谢分享
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来自浙江杭州的 Chrome 46.0|Windows 7 用户 2015-12-1 20:07
确实有所收获@!~~~
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来自浙江杭州的 Chrome 46.0|Windows 7 用户 2015-12-1 20:07
确实有所收获@!~~~
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