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PBKDF2

基於密碼的密鑰導出函數的標準

在密码学中， PBKDF1和PBKDF2 （基于密码的密钥派生函数 1和2 ，英语：Password-Based Key Derivation Function 1 and 2）是具有可变计算成本的密钥派生函数，可以降低面对蛮力攻击的脆弱性。[1]

PBKDF2是RSA 实验室的公钥密码学标准（PKCS）系列的一部分，即 PKCS #5 v2.0，同时也作为互联网工程任务组的 RFC 2898发布。它取代了只能生成最长160位派生密钥的PBKDF1。[2]2017年发布的RFC 8018（PKCS #5 v2.1）推荐使用PBKDF2进行密码哈希处理。[3]

目的和运作

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PBKDF2 将伪随机函数（英语：Pseudorandom function family）（例如基于散列的消息身份验证码，HMAC）与盐值一起应用于输入密码或密码词组，并多次重复该过程以生成派生密钥，然后可以将其用作后续过程的加密密钥。增加的计算工作使密码破解（英语：Password cracking）变得更加困难，这被称为密钥延伸 。

在2000年编写的标准建议最小迭代次数为1,000次，但随CPU性能的提高，该参数会随着时间的推移而增加。2005年的Kerberos标准推荐4,096次迭代；[1]据报道，苹果公司在iOS 3中使用了2,000次，在iOS 4中使用了10,000次；[4]而LastPass在2011年对JavaScript客户端使用了5,000次迭代，对伺服器端哈希使用了100,000次迭代。[5] 2023 年，OWASP建议PBKDF2-HMAC-SHA256使用600,000次迭代，PBKDF2-HMAC-SHA512使用210,000 次迭代。[6]

 
PBKDF 2迭代过程的算法表示。

在密码中添加盐会降低使用预计算的哈希值（彩虹表）进行攻击的能力，并且意味着必须单独测试多个密码，而不是一次测试所有密码。该标准建议盐长度至少为64位。[7]美国国家标准与技术研究所推荐的长度为128位。 [8]

密钥推导过程

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PBKDF2密钥推导函数有五个输入参数：[9]

DK = PBKDF2(PRF, Password, Salt, c, dkLen)

其中

  • PRF 是一个有两个输入参数的伪随机函数（例如一个有密钥的HMAC），输出长度hLen
  • Password 是主密码，推导密钥由它生成
  • Salt 是一个位元序列，即盐
  • c 是希望进行的迭代次数
  • dkLen 是希望生成推导密钥的长度（位）
  • DK 是生成的推导密钥

派生密钥DK的每个hLen位的块Ti计算如下（使用+表示字符串拼接）：

DK = T1 + T2 + ⋯ + Tdklen/hlen
Ti = F(Password, Salt, c, i)

函数F是链式PRF的c次迭代的异或( ^ )。PRF的第一次迭代使用Password作为PRF密钥，并将Salt与编码为大端序32位整数的i（索引i从1开始）拼接，作为输入。 PRF的后续迭代使用Password作为 PRF 密钥，并将先前PRF计算的输出作为输入：

F(Password, Salt, c, i) = U1 ^ U2 ^ ⋯ ^ Uc

其中

U1 = PRF(Password, Salt + INT_32_BE(i))
U2 = PRF(Password, U1)
⋮
Uc = PRF(Password, Uc−1)

例如， WPA2使用：

DK = PBKDF2(HMAC−SHA1, passphrase, ssid, 4096, 256)

PBKDF1过程更简单：初始U （在这个版本中称为T ）由PRF(Password + Salt)创建，后面只是将上一轮的U作为下一轮PRF的输入，即PRF(Uprevious) 。最后提取最终哈希的前dkLen位作为密钥。因此PBKDF1存在大小限制。[9]

HMAC冲突

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当使用 HMAC 作为其伪随机函数时，PBKDF2 有一个有趣的特性。可以简单地构造任意数量的不同密码对，并且每对密码对都存在冲突。[10]如果提供的密码长于底层HMAC散列函数的块大小，则密码首先被预散列为摘要，然后该摘要用作密码。例如，以下密码太长：

  • 密码： plnlrtfpijpuhqylxbgqiiyipieyxvfsavzgxbbcfusqkozwpngsyejqlmjsytrmd

因此，在使用 HMAC-SHA1 时，使用 SHA-1 将其预散列为：

  • SHA1 （十六进制）： 65426b585154667542717027635463617226672a

可以用 ASCII 表示为：

  • SHA1 （ASCII）： eBkXQTfuBqp'cTcar&g*

这意味着无论盐或迭代次数如何，PBKDF2-HMAC-SHA1 都会为下列密码生成相同的密钥字节：

  • "plnlrtfpijpuhqylxbgqiiyipieyxvfsavzgxbbcfusqkozwpngsyejqlmjsytrmd"
  • "eBkXQTfuBqp'cTcar&g*"

例如，使用：

  • PRF : HMAC-SHA1
  • 盐： A009C1A485912C6AE630D3E744240B04
  • 迭代次数： 1,000
  • 派生密钥长度： 16 字节

下面两个函数调用： 

PBKDF2-HMAC-SHA1("plnlrtfpijpuhqylxbgqiiyipieyxvfsavzgxbbcfusqkozwpngsyejqlmjsytrmd", ...)
PBKDF2-HMAC-SHA1("eBkXQTfuBqp'cTcar&g*", ...)

将生成相同的派生密钥字节 ( 17EB4014C8C461C300E9B61518B9A18B )。这些派生密钥冲突并不代表存在安全漏洞，因为仍然必须知道原始密码才能生成密码的哈希值。[11]利用这一性质，对于一些ZIP格式的加密压缩文件，可能存在两个可行的密码。[12][13]

PBKDF2的替代算法

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PBKDF2 的一个缺点是，尽管可以通过改变迭代次数来任意调整所需的计算时间，但它可以用一个小电路和很少的RAM来实现，这使得使用特殊应用集成电路（ASIC）或图形处理器（GPU）进行暴力攻击相对低廉。[14]Bcrypt密码散列函数需要更大的RAM（但仍然不能单独调整，由给定的CPU时间决定）并且对此类攻击的抵抗力稍强， [15]而更现代的Scrypt密钥派生函数可以任意使用大量内存，因此更能抵抗ASIC和GPU攻击。[14]

2013年举行的密码哈希竞赛（英语：Password Hashing Competition）（PHC）鼓励开发一种更具抵抗力的密码哈希方法。2015年7月20日，Argon2（英语：Argon2）被选为最终的获胜者，PHC还特别表彰了其他四种密码哈希方案：Catena、Lyra2（英语：Lyra2）、yescrypt和Makwa。[16]另一种替代方法是气球哈希（英语：Balloon hashing），这是NIST密码指南（英语：Password_policy#NIST guidelines）中推荐的方法。[17]

参见

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参考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 Raeburn, Kenneth. Advanced Encryption Standard (AES) Encryption for Kerberos 5. tools.ietf.org. 2005 [2015-10-23]. doi:10.17487/RFC3962  . RFC 3962. （原始内容存档于2019-03-21）. 
  2. ^ Kaliski, Burt. PKCS #5: Password-Based Cryptography Specification, Version 2.0. tools.ietf.org. 2000 [2015-10-23]. doi:10.17487/RFC2898  . RFC 2898. （原始内容存档于2019-03-27）. 
  3. ^ Moriarty, Kathleen; et al. PKCS #5: Password-Based Cryptography Specification, Version 2.1. tools.ietf.org. 2017 [2023-02-12]. doi:10.17487/RFC8018. RFC 8018. （原始内容存档于2019-03-27）. 
  4. ^ Smartphone Forensics: Cracking BlackBerry Backup Passwords. Advanced Password Cracking – Insight. ElcomSoft. 2010-09-30 [2015-10-23]. （原始内容存档于2019-04-07）. 
  5. ^ LastPass Security Notification. The LastPass Blog. 2011-05-05 [2023-01-31]. （原始内容存档于2023-01-31）. 
  6. ^ Password Storage Cheat Sheet. OWASP Cheat Sheet Series. 2021-08-15 [2023-01-23]. （原始内容存档于2023-01-23）. 
  7. ^ Moriarty, Kathleen; et al. PKCS #5: Password-Based Cryptography Specification, Version 2.1: Section 4. Salt and Iteration Count. tools.ietf.org. 2017 [2018-01-24]. doi:10.17487/RFC8018. RFC 8018. （原始内容存档于2019-03-27）. 
  8. ^ Sönmez Turan, Meltem; Barker, Elaine; Burr, William; Chen, Lily. Recommendation for Password-Based Key Derivation Part 1: Storage Applications (PDF). NIST. [2018-12-20]. SP 800-132. （原始内容存档 (PDF)于2018-06-02）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Password-Based Cryptography Specification RFC 2898
  10. ^ Bynens, Mathias. PBKDF2+HMAC hash collisions explained. mathiasbynens.be. [2023-02-12]. （原始内容存档于2019-02-13）. 
  11. ^ Iuorio, Andrea Francesco; Visconti, Andrea. Understanding Optimizations and Measuring Performances of PBKDF2. Woungang, Isaac (编). 2nd International Conference on Wireless Intelligent and Distributed Environment for Communication 27. Cham: Springer International Publishing. 2019: 101–114. ISBN 978-3-030-11436-7. doi:10.1007/978-3-030-11437-4_8 （英语）. 
  12. ^ An encrypted ZIP file can have two correct passwords — here's why. BleepingComputer. [2023-02-12]. （原始内容存档于2023-05-25） （美国英语）. 
  13. ^ 加密 ZIP 文件可以存在两个正确的密码 - OSCHINA - 中文开源技术交流社区. www.oschina.net. [2023-02-12]. （原始内容存档于2023-04-15）. 
  14. ^ 14.0 14.1 Colin Percival. scrypt （页面存档备份，存于互联网档案馆）. As presented in "Stronger Key Derivation via Sequential Memory-Hard Functions" （页面存档备份，存于互联网档案馆）. presented at BSDCan'09, May 2009.
  15. ^ New 25 GPU Monster Devours Passwords In Seconds. The Security Ledger. 2012-12-04 [2013-09-07]. （原始内容存档于2013-04-24）. 
  16. ^ Password Hashing Competition. password-hashing.net. [2023-02-12]. （原始内容存档于2019-04-07） （英语）. 
  17. ^ Digital Identity Guidelines Authentication and Lifecycle Management Section 5.1.1.2 (PDF). NIST. [2021-06-18]. SP 800-63B. （原始内容存档 (PDF)于2019-04-01）. 

外部链接

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