27 _ 保密：系统如何保证敏感数据无法被内外部人员窃取滥用？ 你好，我是周志明。这节课，我们来讨论在信息系统中，一个一直非常受人关注的安全性议题：保密。

保密是加密和解密的统称，意思就是以某种特殊的算法改变原有的信息数据，使得未授权的用户即使获得了已加密的信息，但因为不知道解密的方法，或者就算知晓解密的算法、但缺少解密所需的必要信息，所以仍然无法了解数据的真实内容。

那么，根据需要保密信息所处的不同环节，我们可以将其划分为“信息在客户端时的保密”“信息在传输时的保密”和“信息在服务端时的保密”三类，或者也可以进一步概括为“端的保密”和“链路的保密”两类。

这里，我们先把最复杂、最有效，但是又最早就有了标准解决方案的“传输”环节单独拿出来，放到后面两讲中展开探讨。在今天的这节课当中，我们只讨论两个端的环节，即在客户端和服务端中的信息保密问题。

保密的强度

好，首先我们要知道，保密是有成本的，追求越高的安全等级，我们就要付出越多的工作量与算力消耗。就连国家保密法都会把秘密信息划分为秘密、机密、绝密三级来区别对待，可见即使是信息安全，也应该有所取舍。

那么接下来，我就以用户登录为例，给你列举几种不同强度的保密手段，看看它们的防御关注点与弱点分别都是什么。这里你需要注意的是，以下提及到的不同保密手段，并不一定就是正确的做法，只是为了强调保密手段是有成本、有不同的强度的。

  • 以摘要代替明文

如果密码本身比较复杂，那么一次简单的哈希摘要就至少可以保证，即使在传输过程中有信息泄露，也不会被逆推出原信息；即使密码在一个系统中泄露了，也不至于威胁到其他系统的使用。但这种处理不能防止弱密码被彩虹表攻击所破解。

  • 先加盐值再做哈希是应对弱密码的常用方法

盐值可以替弱密码建立一道防御屏障，在一定程度上可以防御已有的彩虹表攻击。但它并不能阻止加密结果被监听、窃取后，攻击者直接发送加密结果给服务端进行冒认。

  • 将盐值变为动态值能有效防止冒认

如果每次向服务端传输时，密码都掺入了动态的盐值，让每次加密的结果都不一样，那么即使传输给服务端的加密结果被窃取了，攻击者也不能冒用来进行另一次调用。不过，尽管在双方通讯均可能泄露的前提下，协商出只有通讯双方才知道的保密信息是完全可行的（后面两讲介绍“传输安全层”时会提到），但这样协商出盐值的过程将变得极为复杂，而且每次协商只能保护一次操作，因而也很难阻止攻击者对其他服务的重放攻击。

  • 加入动态令牌防止重放攻击

我们可以给服务加入动态令牌，这样在网关或其他流量公共位置建立校验逻辑，服务端愿意付出在集群中分发令牌信息等代价的前提下，就可以做到防止重放攻击。但这种手段的弱点是，依然不能抵御传输过程中被嗅探而泄露信息的问题。

  • 启用HTTPS来应对因嗅探而导致的信息泄露问题

启用HTTPS可以防御链路上的恶意嗅探，也能在通讯层面解决重放攻击的问题。但是它依然有因客户端被攻破而产生伪造根证书的风险、因服务端被攻破产生证书泄露被中间人冒认的风险、因CRL更新不及时或者OCSP Soft-fail产生吊销证书被冒用的风险，以及因TLS的版本过低或密码学套件选用不当产生加密强度不足的风险。

  • 进一步提升保密强度的不同手段

为了抵御前面提到的这种种风险，我们还要进一步提升保密强度。比如说，银行会使用独立于客户端的存储证书的物理设备（俗称的U盾），来避免根证书被客户端中的恶意程序窃取伪造；当大型网站涉及到账号、金钱等操作时，会使用双重验证开辟出一条独立于网络的信息通道（如手机验证码、电子邮件），来显著提高冒认的难度；甚至一些关键企业（如国家电网）或机构（如军事机构），会专门建设遍布全国各地的、与公网物理隔离的专用内部网络，来保障通讯安全。

现在，通过了解以上这些逐步升级的保密措施，你应该能对“更高的安全强度同时也意味着要付出更多的代价”，有更加具体的理解了，并不是任何一个网站、系统、服务都需要无限拔高的安全性。

也许这个时候，你还会好奇另一个问题：安全的强度有尽头吗？存不存在某种绝对安全的保密方式？

答案可能会出乎你的意料，确实是有的。信息论之父香农就严格证明了一次性密码（One Time Password）的绝对安全性。

但是使用一次性密码必须有个前提，就是我们已经提前安全地把密码或密码列表传达给了对方。比如说，你给朋友人肉送去一本存储了完全随机密码的密码本，然后每次使用其中一条密码来进行加密通讯，用完一条丢弃一条。这样理论上可以做到绝对的安全，但显然这种绝对安全对于互联网来说没有任何的可行性。

所以下面，我们就来看一下在互联网中，信息在客户端的加密是否有必要和有价值。

客户端加密的意义

其实，客户端在用户登录、注册一类场景里是否需要对密码进行加密，这个问题一直存有争议。而我的观点很明确：为了保证信息不被黑客窃取而去做客户端加密，其实没有太大意义，对绝大多数的信息系统来说，启用HTTPS可以说是唯一的实际可行的方案。但是！为了保证密码不在服务端被滥用，而在客户端就开始加密的做法，还是很有意义的。

现在，大网站被拖库的事情层出不穷，密码明文被写入数据库、被输出到日志中之类的事情也屡见不鲜。所以在做系统设计的时候，我们就应该把明文密码这种东西当成是最烫手的山芋来看待，越早消灭掉越好。毕竟把一个潜在的炸弹从客户端运到服务端，对绝大多数系统来说都没有必要。

那我为什么会说，客户端加密对防御泄密没有意义呢？原因是网络通讯并不是由发送方和接收方点对点进行的，客户端无法决定用户送出的信息能不能到达服务端，或者会经过怎样的路径到达服务端，所以在传输链路必定是不安全的前提下，无论客户端做什么防御措施，最终都会沦为“马其诺防线”。

此外，前面我还多次提到过中间人攻击（即攻击者），它是指通过劫持掉客户端到服务端之间的某个节点，包括但不限于代理（通过HTTP代理返回赝品）、路由器（通过路由导向赝品）、DNS服务（直接将机器的DNS查询结果替换为赝品地址）等，来给你访问的页面或服务注入恶意的代码。极端情况下，甚至可能把你要访问的服务或页面整个给取代掉，此时不管你在页面上设计了多么精巧严密的加密措施，也都不会有保护作用。而攻击者只需劫持路由器，或者是在局域网内的其他机器上释放ARP病毒，便有可能做到这一点。

额外知识：中间人攻击（Man-in-the-Middle Attack，MitM）-

在消息发出方和接收方之间拦截双方通讯。我们用写信来做个类比：你给朋友写了一封信，而邮递员可以拆开看你寄出去的信，甚至把信的内容改掉，然后重新封起来，再寄出去给你的朋友。朋友收到信之后给你回信，邮递员又可以拆开看，看完随便改，改完封好再送到你手上。你全程都不知道自己寄出去的信和收到的信都经过邮递员这个“中间人”转手和处理。换句话说，对于你和你朋友来讲，邮递员这个“中间人”角色是不可见的。

当然了，对于“不应把明文传递到服务端”的这个观点，很多人也会有一些不同的意见。比如其中一种保存明文密码的理由是为了便于客户端做动态加盐，因为这样需要服务端先存储明文，或者是存储某种盐值/密钥固定的加密结果，才能每次用新的盐值重新加密，然后与客户端传上来的加密结果进行比对。

而对此我的看法是，这种每次从服务端请求动态盐值，在客户端加盐传输的做法通常都得不偿失，因为客户端无论是否动态加盐，都不可能代替HTTPS。真正防御性的密码加密存储确实应该在服务端中进行，但这是为了防御服务端被攻破而批量泄露密码的风险，并不是为了增强传输过程的安全性。

那么，在服务端是如何处理信息的保密问题的呢？

密码的存储和验证

接下来，我就以Fenix’s Bookstore中的真实代码为例，给你介绍一下针对一个普通安全强度的信息系统，密码要如何从客户端传输到服务端，然后存储进数据库。

这里的“普通安全强度”的意思是，在具有一定保密安全性的同时，避免消耗过多的运算资源，这样验证起来也相对便捷。毕竟对多数信息系统来说，只要配合一定的密码规则约束，比如密码要求长度、特殊字符等等，再配合HTTPS传输，就已经足够防御大多数风险了。即使是用户采用了弱密码、客户端通讯被监听、服务端被拖库、泄露了存储的密文和盐值等问题同时发生，也能够最大限度地避免用户明文密码被逆推出来。

好，下面我们就先来看看，在Fenix’s Bookstore中密码是如何创建出来的。

首先，用户在客户端注册，输入明文密码：123456。 password = 123456

然后，客户端对用户密码进行简单哈希摘要，我们可选的算法有MD2/4/5、SHA1/256/512、BCrypt、PBKDF1/2，等等。这里为了突出“简单”的哈希摘要，我故意没有排除掉MD系这些已经有了高效碰撞手段的算法。

client_hash = MD5(password) // e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e

接着，为了防御彩虹表攻击，我们应进行加盐处理，客户端加盐只需要取固定的字符串即可，如果实在不安心，可以使用伪动态的盐值（“伪动态”是指服务端不需要额外通讯就可以得到的信息，比如由日期或用户名等自然变化的内容，加上固定字符串构成）。

client_hash = MD5(MD5(password) + salt) // SALT = $2a$10$o5L.dWYEjZjaejOmN3x4Qu

现在，我们假设攻击者截获了客户端发出的信息，得到了摘要结果和采用的盐值，那攻击者就可以枚举遍历所有8位字符以内（“8位”只是举个例子，反正就是指弱密码，你如果拿1024位随机字符当密码用，加不加盐，彩虹表都跟你没什么关系）的弱密码，然后对每个密码再加盐计算，就得到了一个针对固定盐值的对照彩虹表。

所以为了应对这种暴力破解，我并不提倡在盐值上做动态化，更理想的方式是引入慢哈希函数来解决。

慢哈希函数是指这个函数的执行时间是可以调节的哈希函数，它通常是以控制调用次数来实现的。BCrypt算法就是一种典型的慢哈希函数，它在做哈希计算时，接受盐值Salt和执行成本Cost两个参数（代码层面Cost一般是混入在Salt中，比如上面例子中的Salt就是混入了10轮运算的盐值，10轮的意思是2的10次方哈希，Cost参数是放在指数上的，最大取值就31）。

那么，如果我们控制BCrypt的执行时间，大概是0.1秒完成一次哈希计算的话，按照1秒生成10个哈希值的速度，要算完所有的10位大小写字母和数字组成的弱密码，就大概需要P(62,10)/(360024365)/0.1=1,237,204,169年的时间。 client_hash = BCrypt(MD5(password) + salt) // MFfTW3uNI4eqhwDkG7HP9p2mzEUu/r2

好，接下来，我们要做的就只是防御服务端被拖库后，针对固定盐值的批量彩虹表攻击。具体做法是为每一个密码（指客户端传来的哈希值）产生一个随机的盐值。我建议采用“密码学安全伪随机数生成器”（Cryptographically Secure Pseudo-Random Number Generator，CSPRNG），来生成一个长度与哈希值相等的随机字符串。

对于Java语言来说，从Java SE 7开始，就提供了java.security.SecureRandom类，用于支持CSPRNG字符串生成。 SecureRandom random = new SecureRandom(); byte server_salt[] = new byte[36]; random.nextBytes(server_salt); // tq2pdxrblkbgp8vt8kbdpmzdh1w8bex

好，我们继续进行这个密码的创建过程。我们把动态盐值混入客户端传来的哈希值，再做一次哈希，产生出最终的密文，并和上一步随机生成的盐值一起写入到同一条数据库记录中（由于慢哈希算法会占用大量的处理器资源，所以我并不推荐在服务端中采用）。

不过，如果你在学习课程后面的实战模块时，阅读了Fenix’s Bookstore的源码，就会发现这步依然采用了Spring Security 5中的BcryptPasswordEncoder。但是请注意，它默认构造函数中的Cost参数值为-1，经转换后实际只进行了2的10次方=1024次计算，所以不会对服务端造成额外的压力。

另外你还可以看到，代码中并没有显式地传入CSPRNG生成的盐值，这是因为BCryptPasswordEncoder本身就会自动调用CSPRNG产生盐值，并将该盐值输出在结果的前32位之中，所以也不需要专门在数据库中设计存储盐值字段。

这个过程我们用伪代码来表示一下： server_hash = SHA256(client_hash + server_salt); // 55b4b5815c216cf80599990e781cd8974a1e384d49fbde7776d096e1dd436f67 DB.save(server_hash, server_salt);

到这里，你会发现这个加密存储的过程其实相对比较复杂，但是运算压力最大的过程（慢哈希）是在客户端完成的，对服务端的压力很小，也不用怕因网络通讯被截获而导致明文密码泄露的问题。

OK，等密码存储完之后，后面验证的过程就跟加密的操作是类似的，我们简单了解下这个步骤就可以了：

首先，在客户端，用户在登录页面中输入密码明文：123456，经过与注册相同的加密过程，向服务端传输加密后的结果。 authentication_hash = MFfTW3uNI4eqhwDkG7HP9p2mzEUu/r2

然后，在服务端，接收到客户端传输上来的哈希值，从数据库中取出登录用户对应的密文和盐值，采用相同的哈希算法，针对客户端传来的哈希值、服务端存储的盐值计算摘要结果。

result = SHA256(authentication_hash + server_salt); // 55b4b5815c216cf80599990e781cd8974a1e384d49fbde7776d096e1dd436f67

最后，比较上一步的结果和数据库储存的哈希值是否相同，如果相同就说明密码正确，反之密码错误。

authentication = compare(result, server_hash) // yes

小结

这节课我们其实讨论了两个观点：

  • 第一个观点是，安全并不是一个非此即彼的二元选项，它是连续值，而不是安全与不安全的问题。
  • 第二个观点是，你要明确在信息系统里，客户端加密、服务端解密两项操作的意义是什么。

另外，针对“如何取得相对安全与良好性能之间平衡”这个问题，也是你在进行架构设计时必须权衡取舍的。

一课一思

这节课，我们讨论到了客户端对敏感信息加密后，传输是否有意义的话题。请说说你对这个问题的看法吧。

欢迎在留言区分享你的见解。如果你觉得有收获，也欢迎你把今天的内容分享给更多的朋友。

好，感谢你的阅读，我们下一讲再见。

参考资料

https://learn.lianglianglee.com/%e4%b8%93%e6%a0%8f/%e5%91%a8%e5%bf%97%e6%98%8e%e7%9a%84%e6%9e%b6%e6%9e%84%e8%af%be/27%20_%20%e4%bf%9d%e5%af%86%ef%bc%9a%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e5%a6%82%e4%bd%95%e4%bf%9d%e8%af%81%e6%95%8f%e6%84%9f%e6%95%b0%e6%8d%ae%e6%97%a0%e6%b3%95%e8%a2%ab%e5%86%85%e5%a4%96%e9%83%a8%e4%ba%ba%e5%91%98%e7%aa%83%e5%8f%96%e6%bb%a5%e7%94%a8%ef%bc%9f.md