应该怎样保存用户密码

应该怎样保存用户密码？

首先，MD5 其实不是真正的加密算法。所谓加密算法，是可以使用密钥把明文加密为密文，随后还可以使用密钥解密出明文，是双向的。

使用 MD5 运算后得到的都是固定长度的摘要信息或指纹信息，无法再解密为原始数据。所以，MD5 是单向的。最重要的是，仅仅使用 MD5 对密码进行摘要，并不安全。

比如，使用如下代码在保持用户信息时，对密码进行了 MD5 计算：

UserData userData = new UserData();
userData.setId(1L);
userData.setName(name);
//密码字段使用MD5哈希后保存
userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(password));
return userRepository.save(userData);

通过输出，可以看到密码是 32 位的 MD5：

"password": "325a2cc052914ceeb8c19016c091d2ac"

到某 MD5 破解网站上输入这个 MD5，不到 1 秒就得到了原始密码：

其实你可以想一下，虽然 MD5 不可解密，但是我们可以构建一个超大的数据库，把所有 20 位以内的数字和字母组合的密码全部计算一遍 MD5 存进去，需要解密的时候搜索一下 MD5 就可以得到原始值了。这就是字典表。

目前，有些 MD5 解密网站使用的是彩虹表，是一种使用时间空间平衡的技术，即可以使用更大的空间来降低破解时间，也可以使用更长的破解时间来换取更小的空间。

此外，你可能会觉得多次 MD5 比较安全，其实并不是这样。比如，如下代码使用两次 MD5 进行摘要： 

userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(DigestUtils.md5Hex( password)));

得到下面的 MD5：

"password": "ebbca84993fe002bac3a54e90d677d09"

也可以破解出密码，并且破解网站还告知我们这是两次 MD5 算法：

 所以直接保存 MD5 后的密码是不安全的。一些同学可能会说，还需要加盐。是的，但是加盐如果不当，还是非常不安全，比较重要的有两点。

第一，不能在代码中写死盐，且盐需要有一定的长度，比如这样：

userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex("salt" + password));

得到了如下 MD5：

"password": "58b1d63ed8492f609993895d6ba6b93a"

对于这样一串 MD5，虽然破解网站上找不到原始密码，但是黑客可以自己注册一个账号，使用一个简单的密码，比如 1：

"password": "55f312f84e7785aa1efa552acbf251db"

然后，再去破解网站试一下这个 MD5，就可以得到原始密码是 salt，也就知道了盐值是 salt：

 其实，知道盐是什么没什么关系，关键的是我们是在代码里写死了盐，并且盐很短、所有用户都是这个盐。这么做有三个问题：

• 因为盐太短、太简单了，如果用户原始密码也很简单，那么整个拼起来的密码也很短，这样一般的 MD5 破解网站都可以直接解密这个 MD5，除去盐就知道原始密码了。
• 相同的盐，意味着使用相同密码的用户 MD5 值是一样的，知道了一个用户的密码就可能知道了多个。
• 我们也可以使用这个盐来构建一张彩虹表，虽然会花不少代价，但是一旦构建完成，所有人的密码都可以被破解。

所以，最好是每一个密码都有独立的盐，并且盐要长一点，比如超过 20 位。

第二，虽然说每个人的盐最好不同，但我也不建议将一部分用户数据作为盐。比如，使用用户名作为盐：

userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(name + password));

如果世界上所有的系统都是按照这个方案来保存密码，那么 root、admin 这样的用户使用再复杂的密码也总有一天会被破解，因为黑客们完全可以针对这些常用用户名来做彩虹表。所以，盐最好是随机的值，并且是全球唯一的，意味着全球不可能有现成的彩虹表给你用。

正确的做法是，使用全球唯一的、和用户无关的、足够长的随机值作为盐。比如，可以使用 UUID 作为盐，把盐一起保存到数据库中：

userData.setSalt(UUID.randomUUID().toString());
userData.setPassword(DigestUtils.md5Hex(userData.getSalt() + password));

并且每次用户修改密码的时候都重新计算盐，重新保存新的密码。你可能会问，盐保存在数据库中，那被拖库了不是就可以看到了吗？难道不应该加密保存吗？

在我看来，盐没有必要加密保存。盐的作用是，防止通过彩虹表快速实现密码“解密”，如果用户的盐都是唯一的，那么生成一次彩虹表只可能拿到一个用户的密码，这样黑客的动力会小很多。

更好的做法是，不要使用像 MD5 这样快速的摘要算法，而是使用慢一点的算法。推荐使用 BCryptPasswordEncoder，也就是BCrypt来进行密码哈希。BCrypt 是为保存密码设计的算法，相比 MD5 要慢很多。

写段代码来测试一下 MD5，以及使用不同代价因子的 BCrypt，看看哈希一次密码的耗时。

private static BCryptPasswordEncoder passwordEncoder = new BCryptPasswordEncoder();

@GetMapping("performance")
public void performance() {
    StopWatch stopWatch = new StopWatch();
    String password = "Abcd1234";
    stopWatch.start("MD5");
    //MD5
    DigestUtils.md5Hex(password);
    stopWatch.stop();
    stopWatch.start("BCrypt(10)");
    //代价因子为10的BCrypt
    String hash1 = BCrypt.gensalt(10);
    BCrypt.hashpw(password, hash1);
    System.out.println(hash1);
    stopWatch.stop();
    stopWatch.start("BCrypt(12)");
    //代价因子为12的BCrypt
    String hash2 = BCrypt.gensalt(12);
    BCrypt.hashpw(password, hash2);
    System.out.println(hash2);
    stopWatch.stop();
    stopWatch.start("BCrypt(14)");
    //代价因子为14的BCrypt
    String hash3 = BCrypt.gensalt(14);
    BCrypt.hashpw(password, hash3);
    System.out.println(hash3);
    stopWatch.stop();
    log.info("{}", stopWatch.prettyPrint());
}

可以看到，MD5 只需要 0.8 毫秒，而三次 BCrypt 哈希（代价因子分别设置为 10、12 和 14）耗时分别是 82 毫秒、312 毫秒和 1.2 秒：

我们写一段代码观察下，BCryptPasswordEncoder 生成的密码哈希的规律：

@GetMapping("better")
public UserData better(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "zhuye") String name, @RequestParam(value = "password", defaultValue = "Abcd1234") String password) {
    UserData userData = new UserData();
    userData.setId(1L);
    userData.setName(name);
    //保存哈希后的密码
    userData.setPassword(passwordEncoder.encode(password));
    userRepository.save(userData);
    //判断密码是否匹配
    log.info("match ? {}", passwordEncoder.matches(password, userData.getPassword()));
    return userData;
}

我们可以发现三点规律。

第一，我们调用 encode、matches 方法进行哈希、做密码比对的时候，不需要传入盐。BCrypt 把盐作为了算法的一部分，强制我们遵循安全保存密码的最佳实践。

第二，生成的盐和哈希后的密码拼在了一起：$是字段分隔符，其中第一个$后的 2a 代表算法版本，第二个$后的 10 是代价因子（默认是 10，代表 2 的 10 次方次哈希），第三个$后的 22 个字符是盐，再后面是摘要。所以说，我们不需要使用单独的数据库字段来保存盐。

"password": "$2a$10$wPWdQwfQO2lMxqSIb6iCROXv7lKnQq5XdMO96iCYCj7boK9pk6QPC"
//格式为：$$$

 第三，代价因子的值越大，BCrypt 哈希的耗时越久。因此，对于代价因子的值，更建议的实践是，根据用户的忍耐程度和硬件，设置一个尽可能大的值。

应该怎么保存姓名和身份证？

我们把姓名和身份证，叫做二要素。

重点看对称加密算法。对称加密常用的加密算法，有 DES、3DES 和 AES。

虽然，现在仍有许多老项目使用了 DES 算法，但我不推荐使用。在 1999 年的 DES 挑战赛 3 中，DES 密码破解耗时不到一天，而现在 DES 密码破解更快，使用 DES 来加密数据非常不安全。因此，在业务代码中要避免使用 DES 加密。

而 3DES 算法，是使用不同的密钥进行三次 DES 串联调用，虽然解决了 DES 不够安全的问题，但是比 AES 慢，也不太推荐。AES 是当前公认的比较安全，兼顾性能的对称加密算法。不过严格来说，AES 并不是实际的算法名称，而是算法标准。2000 年，NIST 选拔出 Rijndael 算法作为 AES 的标准。

AES 有一个重要的特点就是分组加密体制，一次只能处理 128 位的明文，然后生成 128 位的密文。如果要加密很长的明文，那么就需要迭代处理，而迭代方式就叫做模式。网上很多使用 AES 来加密的代码，使用的是最简单的 ECB 模式（也叫电子密码本模式），其基本结构如下：

可以看到，这种结构有两个风险：明文和密文是一一对应的，如果明文中有重复的分组，那么密文中可以观察到重复，掌握密文的规律；因为每一个分组是独立加密和解密的 ，如果密文分组的顺序，也可以反过来操纵明文，那么就可以实现不解密密文的情况下，来修改明文。

我们写一段代码来测试下。在下面的代码中，我们使用 ECB 模式测试：

加密一段包含 16 个字符的字符串，得到密文 A；然后把这段字符串复制一份成为一个 32 个字符的字符串，再进行加密得到密文 B。我们验证下密文 B 是不是重复了一遍的密文 A。

模拟银行转账的场景，假设整个数据由发送方账号、接收方账号、金额三个字段构成。我们尝试改变密文中数据的顺序来操纵明文。

private static final String KEY = "secretkey1234567"; //密钥
//测试ECB模式
@GetMapping("ecb")
public void ecb() throws Exception {
  Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/ECB/NoPadding");
  test(cipher, null);
}
//获取加密秘钥帮助方法
private static SecretKeySpec setKey(String secret) {
    return new SecretKeySpec(secret.getBytes(), "AES");
}
//测试逻辑
private static void test(Cipher cipher, AlgorithmParameterSpec parameterSpec) throws Exception {
    //初始化Cipher
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
    //加密测试文本
    System.out.println("一次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnop".getBytes())));
    //加密重复一次的测试文本
    System.out.println("两次：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal("abcdefghijklmnopabcdefghijklmnop".getBytes())));
    //下面测试是否可以通过操纵密文来操纵明文    
    //发送方账号
    byte[] sender = "1000000000012345".getBytes();
    //接收方账号
    byte[] receiver = "1000000000034567".getBytes();
    //转账金额
    byte[] money = "0000000010000000".getBytes();
    //加密发送方账号
    System.out.println("发送方账号：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(sender)));
    //加密接收方账号
    System.out.println("接收方账号：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(receiver)));
    //加密金额
    System.out.println("金额：" + Hex.encodeHexString(cipher.doFinal(money)));
    //加密完整的转账信息
    byte[] result = cipher.doFinal(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money));
    System.out.println("完整数据：" + Hex.encodeHexString(result));
    //用于操纵密文的临时字节数组
    byte[] hack = new byte[result.length];
    //把密文前两段交换
    System.arraycopy(result, 16, hack, 0, 16);
    System.arraycopy(result, 0, hack, 16, 16);
    System.arraycopy(result, 32, hack, 32, 16);
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, setKey(KEY), parameterSpec);
    //尝试解密
    System.out.println("原始明文：" + new String(ByteUtils.concatAll(sender, receiver, money)));
    System.out.println("操纵密文：" + new String(cipher.doFinal(hack)));
}

输出如下：

可以看到：

• 两个相同明文分组产生的密文，就是两个相同的密文分组叠在一起。
• 在不知道密钥的情况下，我们操纵密文实现了对明文数据的修改，对调了发送方账号和接收方账号。 

所以说，ECB 模式虽然简单，但是不安全，不推荐使用。我们再看一下另一种常用的加密模式，CBC 模式。

CBC 模式，在解密或解密之前引入了 XOR 运算，第一个分组使用外部提供的初始化向量 IV，从第二个分组开始使用前一个分组的数据，这样即使明文是一样的，加密后的密文也是不同的，并且分组的顺序不能任意调换。这就解决了 ECB 模式的缺陷：

 private static final String initVector = "abcdefghijklmnop"; //初始化向量

@GetMapping("cbc")
public void cbc() throws Exception {
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/NoPadding");
    IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(initVector.getBytes("UTF-8"));
    test(cipher, iv);
}

 可以看到，相同的明文字符串复制一遍得到的密文并不是重复两个密文分组，并且调换密文分组的顺序无法操纵明文：

对于敏感数据保存，除了选择 AES+ 合适模式进行加密外，我还推荐以下几个实践：

•  不要在代码中写死一个固定的密钥和初始化向量，最好和之前提到的盐一样，是唯一、独立并且每次都变化的。
• 在加密后，加密服务密钥和初始化向量保存到数据库中，返回加密 ID 作为本次加密的标识。
• 应用解密时，需要提供加密 ID、密文和加密时的 AAD 来解密。加密服务使用加密 ID，从数据库查询出密钥和初始化向量。

这段逻辑的实现代码比较长, 上注解

@Service
public class CipherService {
    //密钥长度
    public static final int AES_KEY_SIZE = 256;
    //初始化向量长度
    public static final int GCM_IV_LENGTH = 12;
    //GCM身份认证Tag长度
    public static final int GCM_TAG_LENGTH = 16;
    @Autowired
    private CipherRepository cipherRepository;

    //内部加密方法
    public static byte[] doEncrypt(byte[] plaintext, SecretKey key, byte[] iv, byte[] aad) throws Exception {
        //加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        //Key规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
        //GCM参数规范
        GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
        //加密模式
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);
        //设置aad
        if (aad != null)
            cipher.updateAAD(aad);
        //加密
        byte[] cipherText = cipher.doFinal(plaintext);
        return cipherText;
    }

    //内部解密方法
    public static String doDecrypt(byte[] cipherText, SecretKey key, byte[] iv, byte[] aad) throws Exception {
        //加密算法
        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        //Key规范
        SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(key.getEncoded(), "AES");
        //GCM参数规范
        GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH * 8, iv);
        //解密模式
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, gcmParameterSpec);
        //设置aad
        if (aad != null)
            cipher.updateAAD(aad);
        //解密
        byte[] decryptedText = cipher.doFinal(cipherText);
        return new String(decryptedText);
    }

    //加密入口
    public CipherResult encrypt(String data, String aad) throws Exception {
        //加密结果
        CipherResult encryptResult = new CipherResult();
        //密钥生成器
        KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
        //生成密钥
        keyGenerator.init(AES_KEY_SIZE);
        SecretKey key = keyGenerator.generateKey();
        //IV数据
        byte[] iv = new byte[GCM_IV_LENGTH];
        //随机生成IV
        SecureRandom random = new SecureRandom();
        random.nextBytes(iv);
        //处理aad
        byte[] aaddata = null;
        if (!StringUtils.isEmpty(aad))
            aaddata = aad.getBytes();
        //获得密文
        encryptResult.setCipherText(Base64.getEncoder().encodeToString(doEncrypt(data.getBytes(), key, iv, aaddata)));
        //加密上下文数据
        CipherData cipherData = new CipherData();
        //保存IV
        cipherData.setIv(Base64.getEncoder().encodeToString(iv));
        //保存密钥
        cipherData.setSecureKey(Base64.getEncoder().encodeToString(key.getEncoded()));
        cipherRepository.save(cipherData);
        //返回本地加密ID
        encryptResult.setId(cipherData.getId());
        return encryptResult;
    }

    //解密入口
    public String decrypt(long cipherId, String cipherText, String aad) throws Exception {
        //使用加密ID找到加密上下文数据
        CipherData cipherData = cipherRepository.findById(cipherId).orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("invlaid cipherId"));
        //加载密钥
        byte[] decodedKey = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getSecureKey());
        //初始化密钥
        SecretKey originalKey = new SecretKeySpec(decodedKey, 0, decodedKey.length, "AES");
        //加载IV
        byte[] decodedIv = Base64.getDecoder().decode(cipherData.getIv());
        //处理aad
        byte[] aaddata = null;
        if (!StringUtils.isEmpty(aad))
            aaddata = aad.getBytes();
        //解密
        return doDecrypt(Base64.getDecoder().decode(cipherText.getBytes()), originalKey, decodedIv, aaddata);
    }
}

第四步，分别实现加密和解密接口用于测试。

我们可以让用户选择，如果需要保护二要素的话，就自己输入一个查询密码作为 AAD。系统需要读取用户敏感信息的时候，还需要用户提供这个密码，否则无法解密。这样一来，即使黑客拿到了用户数据库的密文、加密服务的密钥和 IV，也会因为缺少 AAD 无法解密：

@Autowired
private CipherService cipherService;


//加密
@GetMapping("right")
public UserData right(@RequestParam(value = "name", defaultValue = "朱晔") String name,
                      @RequestParam(value = "idcard", defaultValue = "300000000000001234") String idCard,
                      @RequestParam(value = "aad", required = false)String aad) throws Exception {
    UserData userData = new UserData();
    userData.setId(1L);
    //脱敏姓名
    userData.setName(chineseName(name));
    //脱敏身份证
    userData.setIdcard(idCard(idCard));
    //加密姓名
    CipherResult cipherResultName = cipherService.encrypt(name,aad);
    userData.setNameCipherId(cipherResultName.getId());
    userData.setNameCipherText(cipherResultName.getCipherText());
    //加密身份证
    CipherResult cipherResultIdCard = cipherService.encrypt(idCard,aad);
    userData.setIdcardCipherId(cipherResultIdCard.getId());
    userData.setIdcardCipherText(cipherResultIdCard.getCipherText());
    return userRepository.save(userData);
}

//解密
@GetMapping("read")
public void read(@RequestParam(value = "aad", required = false)String aad) throws Exception {
    //查询用户信息
    UserData userData = userRepository.findById(1L).get();
    //使用AAD来解密姓名和身份证
    log.info("name : {} idcard : {}",
            cipherService.decrypt(userData.getNameCipherId(), userData.getNameCipherText(),aad),
            cipherService.decrypt(userData.getIdcardCipherId(), userData.getIdcardCipherText(),aad));

}
//脱敏身份证
private static String idCard(String idCard) {
    String num = StringUtils.right(idCard, 4);
    return StringUtils.leftPad(num, StringUtils.length(idCard), "*");
}
//脱敏姓名
public static String chineseName(String chineseName) {
    String name = StringUtils.left(chineseName, 1);
    return StringUtils.rightPad(name, StringUtils.length(chineseName), "*");

访问加密接口获得如下结果，可以看到数据库表中只有脱敏数据和密文：

{"id":1,"name":"朱*","idcard":"**************1234","idcardCipherId":26346,"idcardCipherText":"t/wIh1XTj00wJP1Lt3aGzSvn9GcqQWEwthN58KKU4KZ4Tw==","nameCipherId":26347,"nameCipherText":"+gHrk1mWmveBMVUo+CYon8Zjj9QAtw=="}

访问解密接口，可以看到解密成功了：

[21:46:00.079] [http-nio-45678-exec-6] [INFO ] [o.g.t.c.s.s.StoreIdCardController:102 ] - name : 朱晔 idcard : 300000000000001234

如果 AAD 输入不对，会得到如下异常：

javax.crypto.AEADBadTagException: Tag mismatch!
  at com.sun.crypto.provider.GaloisCounterMode.decryptFinal(GaloisCounterMode.java:578)
  at com.sun.crypto.provider.CipherCore.finalNoPadding(CipherCore.java:1116)
  at com.sun.crypto.provider.CipherCore.fillOutputBuffer(CipherCore.java:1053)
  at com.sun.crypto.provider.CipherCore.doFinal(CipherCore.java:853)
  at com.sun.crypto.provider.AESCipher.engineDoFinal(AESCipher.java:446)
  at javax.crypto.Cipher.doFinal(Cipher.java:2164)

经过这样的设计，二要素就比较安全了。黑客要查询用户二要素的话，需要同时拿到密文、IV+ 密钥、AAD。而这三者可能由三方掌管，要全部拿到比较困难。