对抗拖库 —— Web 前端慢加密

发布时间：2015-12-01 00:00 来源：EtherDream

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。

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）

慢加密

假如能提高加密时间，显然也能增加破解时间。假如加密一次提高到 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 bcrypt、PBKDF2 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。

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。假如把加密时间提高 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。

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，假如同时来了多个用户，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？

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。

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。假如「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。

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。假如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。但假如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。假如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

假如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。假如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。假如没有后端协助，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，假如每次都等，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。将来假如不用低端设备了，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。假如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，假如遇到恶作剧节点，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。

0×08 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

假如是本地程序，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。假如「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。

0×09 对抗 GPU

我们都知道，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。假如一件事过于复杂，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。假如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。假如在前端加密，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。假如通过 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。假如本地环境有问题，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 0×05 小节，假如拿到「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！

假如攻击者不仅能窃听，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」，不在本篇文章讨论范围内。本篇文章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？假如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。

假如你对算法有疑惑，可以先仔细看 0×05 这节。

假如你是耐心看完本篇文章的，希望能有收获: )