解锁Spring Security：密码加密算法

1. 密码加密方式

1.1 明文密码

最初，密码以明文形式存储在数据库中。但是恶意用户可能会通过SQL注入等手段获取明文密码，同时程序员将数据库数据泄露的情况也可能发生。明文存储密码是很危险的事情。

1.2 Hash算法

Spring Security的 PasswordEncoder 接口对于密码进行 单向转换 ，从而将密码安全的存储，对密码单向转换需要用到 哈希算法 ，例如MD5、SHA-256、SHA-512等，哈希算法是单向的，只能加密，不能解密。 因此，数据库中存储的是单向转换后的密码 ，Spring Security在进行用户身份验证时需要将用户输入的密码进行单向转换，然后与数据库的密码进行比较。如果发生数据泄露，只有密码的单项哈希会被暴露，由于哈希是单向的，并且在给定哈希的情况下只能通过 暴力破解的方式猜测密码 。

1.3 彩虹表

恶意用户创建称为 彩虹表 的查找表。一个庞大的、针对各种可能的字母组合预先生成的哈希值集合，有了它就可以快速破解各类密码，越是复杂的密码，需要的彩虹表就越庞大。主流的彩虹表都是100G以上，目前主要的算法有LM，NTLM，MD5，SHA1，MYSQLSHA1，HALFLMCHALL，NTLMCHALL，ORACLE-SYSTEM，MD5-HALF

1.4加盐密码

为了防治彩虹表，开发人员开始使用加盐密码。不再只是用密码作为哈希函数的输入，而是为每个用户的密码生成随机字节（盐）。 盐和用户的密码将一起经过哈希函数运算，生成一个唯一的哈希值。盐将以明文形式与用户密码一起储存。然后当用户尝试进行身份验证时，盐和用户输入的密码一起经过哈希函数运输，再与存储的密码进行比较。唯一的盐意味着彩虹表不再有效，因为对于每个盐和密码的组合，哈希值都是不同的。

1.5 自适应单向函数：

随着硬件的不断发展，加盐哈希也不再安全，计算机可以每秒执行数十亿次哈希计算。这意味着可以轻松的使用暴力破解的方式拿到任何密码。
现在开发人员开始使用自适应单向函数来存储密码。使用自适应单向函数验证密码时，故意占用资源 。自适应单向函数允许配置一个 ”工作因子“ ，随着硬件的改进而增加。我们将“工作因子”调整到系统中验证密码需要约一秒钟的时间。这种权衡是为了 使攻击者难以暴力破解密码 。自适应单向函数包括 bcrypt PBKDF2 argon2

2. PasswordEncoder 实现详解

在Spring Security中，PasswordEncoder接口的主要作用是对密码进行编码（即哈希处理）和验证。选择合适的编码器不仅能增强系统的安全性，还能有效抵御密码破解攻击。下面详细介绍几种常用的PasswordEncoder实现。

2.1 BCryptPasswordEncoder

BCryptPasswordEncoder使用广泛支持的bcrypt算法对密码进行哈希处理。bcrypt算法设计为一种自适应单向函数，意味着它能够随着计算能力的提升，通过调整工作因子（cost factor）来增加破解难度。默认情况下，BCryptPasswordEncoder的工作因子为10，可以在大多数系统上提供约1秒的验证时间。这种故意设计得较慢的算法，有效地抵御了暴力破解和彩虹表攻击。
优点:

• 支持跨平台，广泛兼容。
• 默认情况下提供良好的安全性。
• 工作因子可调，灵活性高。

示例代码:

PasswordEncoder passwordEncoder = new BCryptPasswordEncoder(10); 
String encodedPassword = passwordEncoder.encode("myPassword");

2.2 Argon2PasswordEncoder

Argon2PasswordEncoder使用的是Argon2算法，这是一种更为现代化的密码哈希算法，并且是2015年密码哈希竞赛的获胜者。Argon2的设计目标是最大限度地抵抗基于自定义硬件（如GPU和ASIC）的攻击，因此它不仅依赖于计算能力，还要求大量内存。为了使用Argon2PasswordEncoder，需要在项目中引入BouncyCastle库。

优点:

• 算法现代，具备较高的安全性。
• 设计上能够抵抗基于硬件的破解攻击。

注意事项:

• 需要额外引入BouncyCastle库。
• 相较于bcrypt，配置和使用稍微复杂。

示例代码:

PasswordEncoder passwordEncoder = new Argon2PasswordEncoder(); 
String encodedPassword = passwordEncoder.encode("myPassword");

2.3 Pbkdf2PasswordEncoder

Pbkdf2PasswordEncoder使用的是PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2）算法，它同样是一种故意设计得较慢的哈希算法，旨在抵御基于硬件的破解攻击。PBKDF2通过反复多次哈希处理，提高了密码的破解难度。它在许多安全标准中被推荐使用，如NIST SP 800-132。

优点:

• 广泛使用，支持度高。
• 可调整迭代次数以增加破解难度。

示例代码:

PasswordEncoder passwordEncoder = new Pbkdf2PasswordEncoder(); 
String encodedPassword = passwordEncoder.encode("myPassword");

3. 密码加密测试

在test中添加testPassword方法

@SpringBootTest  
class SecurityDemoApplicationTests {  
  
    @Test  
    void contextLoads() {  
    }  
  
    @Test  
    void testPassword(){  
        // 参数为工作因子，默认10，最小4，最大31，越大运算时间越长  
        PasswordEncoder encoder = new BCryptPasswordEncoder(4);  
        String result = encoder.encode("123456");  
        System.out.println(result);  
  
        Assert.isTrue(encoder.matches("123456", result), "密码校验失败");  
    }  
  
}

4. DelegatingPasswordEncoder

DelegatingPasswordEncoder 的设计旨在处理多个密码编码方案并支持向后兼容。它允许你在应用中使用不同的编码器，并能够识别并正确处理存储在数据库中的不同编码格式的密码。

工作原理：

• 委托机制： DelegatingPasswordEncoder 会根据密码的前缀标识符，将验证和编码操作委托给特定的编码器。例如，一个以{bcrypt}为前缀的密码将使用 BCryptPasswordEncoder 进行处理。
• 向后兼容： 通过使用 DelegatingPasswordEncoder，可以在更新密码哈希策略时继续支持旧的密码编码格式，而无需强制用户立即更新他们的密码。
• 默认编码器： DelegatingPasswordEncoder 允许设置一个默认编码器用于新密码的编码。当没有指定前缀时，默认编码器会被使用。

典型用法：

// 创建编码器的映射关系 
Map<String, PasswordEncoder> encoders = new HashMap<>(); 
encoders.put("bcrypt", new BCryptPasswordEncoder()); 
encoders.put("argon2", new Argon2PasswordEncoder()); 
encoders.put("pbkdf2", new Pbkdf2PasswordEncoder());  
// 创建 DelegatingPasswordEncoder，并设置默认编码器为 bcrypt 
PasswordEncoder passwordEncoder = new DelegatingPasswordEncoder("bcrypt", encoders);  
// 对新密码进行编码 
String encodedPassword = passwordEncoder.encode("mySecurePassword");  
// 验证密码时，DelegatingPasswordEncoder 会根据前缀选择相应的编码器 
boolean matches = passwordEncoder.matches("mySecurePassword", encodedPassword);

优势：

• 灵活性： 允许在不同的密码编码器之间灵活切换。
• 向后兼容性： 在不强制要求用户更改密码的情况下，可以逐步迁移到更强的密码编码方案。
• 扩展性： 可以轻松添加自定义编码器以满足特殊需求。
  DelegatingPasswordEncoder 是大型应用程序中常用的工具，特别是在需要支持多种密码编码方案或逐步过渡到新的哈希算法时。它确保了密码的安全性，同时提供了良好的兼容性和灵活性。

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在文章的结尾推荐一些密码安全领域的经典参考资料

• OWASP 密码存储最佳实践。
• Argon2 密码哈希算法白皮书。