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PBKDF2

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在密碼學中， PBKDF1和PBKDF2 （基於密碼的密鑰派生函數 1和2 ，英語：Password-Based Key Derivation Function 1 and 2）是具有可變計算成本的密鑰派生函數，可以降低面對蠻力攻擊的脆弱性。[1]

PBKDF2是RSA 實驗室的公鑰密碼學標準（PKCS）系列的一部分，即 PKCS #5 v2.0，同時也作為互聯網工程任務組的 RFC 2898發布。它取代了只能生成最長160位派生密鑰的PBKDF1。[2]2017年發布的RFC 8018（PKCS #5 v2.1）推薦使用PBKDF2進行密碼哈希處理。[3]

目的和運作

PBKDF2 將偽隨機函數（英語：Pseudorandom function family）（例如基於散列的消息身份驗證碼，HMAC）與鹽值一起應用於輸入密碼或密碼詞組，並多次重複該過程以生成派生密鑰，然後可以將其用作後續過程的加密密鑰。增加的計算工作使密碼破解（英語：Password cracking）變得更加困難，這被稱為密鑰延伸 。

在2000年編寫的標準建議最小迭代次數為1,000次，但隨CPU性能的提高，該參數會隨着時間的推移而增加。2005年的Kerberos標準推薦4,096次迭代；[1]據報道，蘋果公司在iOS 3中使用了2,000次，在iOS 4中使用了10,000次；[4]而LastPass在2011年對JavaScript客戶端使用了5,000次迭代，對服務器端哈希使用了100,000次迭代。[5] 2023 年，OWASP建議PBKDF2-HMAC-SHA256使用600,000次迭代，PBKDF2-HMAC-SHA512使用210,000 次迭代。[6]

PBKDF 2迭代過程的算法表示。

在密碼中添加鹽會降低使用預計算的哈希值（彩虹表）進行攻擊的能力，並且意味着必須單獨測試多個密碼，而不是一次測試所有密碼。該標準建議鹽長度至少為64位。[7]美國國家標準與技術研究所推薦的長度為128位。 [8]

密鑰推導過程

PBKDF2密鑰推導函數有五個輸入參數：[9]

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

其中

  • PRF 是一個有兩個輸入參數的偽隨機函數（例如一個有密鑰的HMAC），輸出長度hLen
  • Password 是主密碼，推導密鑰由它生成
  • Salt 是一個比特序列，即鹽
  • c 是希望進行的迭代次數
  • dkLen 是希望生成推導密鑰的長度（位）
  • DK 是生成的推導密鑰

派生密鑰DK的每個hLen位的塊Ti計算如下（使用+表示字符串拼接）：

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

函數F是鏈式PRF的c次迭代的異或( ^ )。PRF的第一次迭代使用Password作為PRF密鑰，並將Salt與編碼為大端序32位整數的i（索引i從1開始）拼接，作為輸入。 PRF的後續迭代使用Password作為 PRF 密鑰，並將先前PRF計算的輸出作為輸入：

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過程更簡單：初始U （在這個版本中稱為T ）由PRF(Password + Salt)創建，後面只是將上一輪的U作為下一輪PRF的輸入，即PRF(Uprevious) 。最後提取最終哈希的前dkLen位作為密鑰。因此PBKDF1存在大小限制。[9]

HMAC衝突

當使用 HMAC 作為其偽隨機函數時，PBKDF2 有一個有趣的特性。可以簡單地構造任意數量的不同密碼對，並且每對密碼對都存在衝突。[10]如果提供的密碼長於底層HMAC散列函數的塊大小，則密碼首先被預散列為摘要，然後該摘要用作密碼。例如，以下密碼太長：

  • 密碼： plnlrtfpijpuhqylxbgqiiyipieyxvfsavzgxbbcfusqkozwpngsyejqlmjsytrmd

因此，在使用 HMAC-SHA1 時，使用 SHA-1 將其預散列為：

  • SHA1 （十六進制）： 65426b585154667542717027635463617226672a

可以用 ASCII 表示為：

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

這意味着無論鹽或迭代次數如何，PBKDF2-HMAC-SHA1 都會為下列密碼生成相同的密鑰字節：

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

例如，使用：

  • PRF : HMAC-SHA1
  • 鹽： A009C1A485912C6AE630D3E744240B04
  • 迭代次數： 1,000
  • 派生密鑰長度： 16 字節

下面兩個函數調用： 

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

將生成相同的派生密鑰字節 ( 17EB4014C8C461C300E9B61518B9A18B )。這些派生密鑰衝突並不代表存在安全漏洞，因為仍然必須知道原始密碼才能生成密碼的哈希值。[11]利用這一性質，對於一些ZIP格式的加密壓縮文件，可能存在兩個可行的密碼。[12][13]

PBKDF2的替代算法

PBKDF2 的一個缺點是，儘管可以通過改變迭代次數來任意調整所需的計算時間，但它可以用一個小電路和很少的RAM來實現，這使得使用特殊應用積體電路（ASIC）或圖形處理器（GPU）進行暴力攻擊相對低廉。[14]Bcrypt密碼散列函數需要更大的RAM（但仍然不能單獨調整，由給定的CPU時間決定）並且對此類攻擊的抵抗力稍強， [15]而更現代的Scrypt密鑰派生函數可以任意使用大量內存，因此更能抵抗ASIC和GPU攻擊。[14]

2013年舉行的密碼哈希競賽（英語：Password Hashing Competition）（PHC）鼓勵開發一種更具抵抗力的密碼哈希方法。2015年7月20日，Argon2（英語：Argon2）被選為最終的獲勝者，PHC還特別表彰了其他四種密碼哈希方案：Catena、Lyra2（英語：Lyra2）、yescrypt和Makwa。[16]另一種替代方法是氣球哈希（英語：Balloon hashing），這是NIST密碼指南（英語：Password_policy#NIST guidelines）中推薦的方法。[17]

參見

參考資料

  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 可免費查閱. RFC 3962. （原始內容存檔於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 可免費查閱. RFC 2898. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於2019-03-27）. 
  4. ^ Smartphone Forensics: Cracking BlackBerry Backup Passwords. Advanced Password Cracking – Insight. ElcomSoft. 2010-09-30 [2015-10-23]. （原始內容存檔於2019-04-07）. 
  5. ^ LastPass Security Notification. The LastPass Blog. 2011-05-05 [2023-01-31]. （原始內容存檔於2023-01-31）. 
  6. ^ Password Storage Cheat Sheet. OWASP Cheat Sheet Series. 2021-08-15 [2023-01-23]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容存檔於2019-02-13）. 
  11. ^ Iuorio, Andrea Francesco; Visconti, Andrea. Understanding Optimizations and Measuring Performances of PBKDF2. Woungang, Isaac (編). 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 （英語）. 
  12. ^ An encrypted ZIP file can have two correct passwords — here's why. BleepingComputer. [2023-02-12]. （原始內容存檔於2023-05-25） （美國英語）. 
  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]. （原始內容存檔於2023-04-15）. 
  14. ^ 14.0 14.1 Colin Percival. scrypt （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. As presented in "Stronger Key Derivation via Sequential Memory-Hard Functions" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. presented at BSDCan'09, May 2009.
  15. ^ New 25 GPU Monster Devours Passwords In Seconds. The Security Ledger. 2012-12-04 [2013-09-07]. （原始內容存檔於2013-04-24）. 
  16. ^ Password Hashing Competition. password-hashing.net. [2023-02-12]. （原始內容存檔於2019-04-07） （英語）. 
  17. ^ Digital Identity Guidelines Authentication and Lifecycle Management Section 5.1.1.2 (PDF). NIST. [2021-06-18]. SP 800-63B. （原始內容存檔 (PDF)於2019-04-01）. 

外部連結

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