我与DeepSeek读《大型网站技术架构》（8）- 信息加密技术及密钥安全管理

** 固若金汤： 网站的安全性架构 **

信息加密技术

单向散列加密

• 原理：将任意长度的输入通过散列算法生成固定长度的输出（如MD5、SHA），加密不可逆。
• 应用：用于密码存储，数据库中仅保存密文，即使被“拖库”也不泄露明文密码。
• 安全增强：通过“加盐”（salt）增加破解难度，防止彩虹表攻击。

用户密码的存储与验证

1. 密码保存阶段（用户注册/密码修改）
   • 步骤1 – 密码预处理：
     • 客户端限制密码复杂度（长度≥8，包含字母+数字/符号）。
   • 步骤2 – 生成唯一盐值：
     • 服务端为每个用户随机生成至少16字节的盐值（salt），避免不同用户使用相同盐值。
   • 步骤3 – 计算散列密文：
     • 将明文密码与盐值拼接（如 salt + password），使用抗暴力破解算法（如 PBKDF2、Argon2 或 bcrypt ，优先于MD5/SHA-1）进行多次迭代散列（例如10万次）。
   • 步骤4 – 存储安全数据：
     • 数据库中仅保存 盐值 及 最终散列值 ，字段命名避免暴露加密意图（如 salt 字段命名为 user_metadata）。

---

2. 密码验证阶段（用户登录）
   • 步骤1 – 获取用户盐值：
     • 根据用户名查询数据库，获取对应的盐值（salt）。
   • 步骤2 – 动态计算散列值：
     • 将用户输入的明文密码与数据库中存储的盐值拼接，并使用相同算法及迭代次数进行散列计算。
   • 步骤3 – 密文比对：
     • 将计算结果与数据库中存储的散列值进行恒定时间（constant-time）比对，防止计时攻击。
   • 步骤4 – 日志与监控：
     • 禁止记录明文密码到系统日志；触发失败阈值后启用账户锁定/IP封禁机制。

---

3. 核心安全增强措施

措施	作用
唯一盐值生成	避免彩虹表攻击，即使相同密码密文不同 。
迭代散列对抗暴力破解	增加攻击者计算单次密码的时间成本（如使用PBKDF2）。
禁用陈旧算法	MD5/SHA-1等易碰撞算法不适用于密码存储。

---

MD5 与 SHA 对比

1. 核心差异对比

对比维度	MD5	SHA系列（以SHA-1为例）
输出长度	128位	160位（SHA-1）、更长（如SHA-256）
碰撞安全性	已被破解（可人为制造哈希冲突）	安全性更高，但SHA-1已被证明存在理论脆弱性
抗彩虹表攻击	容易被彩虹表攻击，需结合盐值	相同场景下需依赖盐值增强安全性
计算速度	更快	相对较慢（设计上更强调安全强度）
适用场景	非敏感数据摘要、校验文件完整性	密码存储首选（结合盐值及高级算法如SHA-256）

---

2. 当前安全共识

• 弃用建议：MD5不应用于密码存储等高敏感场景；SHA-1逐渐被SHA-256/512替代。
• 迭代优化：实际应用中更推荐PBKDF2、bcrypt等迭代哈希算法，而非原始MD5/SHA（需叠加盐值与多次散列）。

---

3. 总结
   资料中MD5与SHA并列为传统单向散列算法，需辅以盐值提升安全性，但实际应用中建议优先选择更抗碰撞的SHA-2（如SHA-256）或现代迭代哈希方案。

对称加密

• 原理：加密与解密使用同一密钥（如DES、RC算法），适合高效处理大量数据。
• 优点：算法简单，性能开销低。
• 缺点：密钥传输安全性差，需依赖安全通道。

DES 与 RC 对比

1. 关键对比项

对比维度	DES（Data Encryption Standard）	RC系列（如 RC4、RC6）
历史定位	由美国联邦标准，20世纪70年代提出	由 Ron Rivest 设计，适用于不同场景的灵活算法
密钥长度	固定56位有效密钥（64位含校验位）	可变长度（如 RC4 支持40-2048位）
安全性现状	已不推荐：因密钥太短，易被暴力破解（可被数小时攻破）	部分版本存在重大漏洞（如RC4已被广泛弃用）

---

2. 其他对称加密算法

• DES的替代方案：当前普遍使用 AES（Advanced Encryption Standard）替代DES。
• RC系列区分：
  • RC4 ：流加密算法，因 TLS/SSL 协议漏洞被主流禁用；
  • RC6：块加密算法，曾参与 AES 标准竞选但未被选中。

---

非对称加密

信息安全传输

• 核心机制：
  发送方（A）使用接收方（B）的 公钥 加密数据 → 通过非安全信道传输密文 → 接收方（B）使用自己的 私钥 解密获取明文。
• 安全保障：
  即使密文在传输中被窃取，窃密者因无B的私钥无法解密，确保数据传输的机密性。

---

数字签名

• 核心机制：
  签名者（如用户A）使用自己的 私钥 加密信息 → 接收方用签名者公开的 公钥 解密数据 → 解密成功即证明信息来源和完整性。
• 效力特征：
  由于私钥唯一性，签名后的信息具有 不可抵赖性（无法否认签名行为）和 完整性验证（篡改后无法解密）。
• HTTPS:
  • 根本机制：数字证书由权威机构颁发，包含网站公钥并通过机构私钥签名 → 浏览器使用机构预置的公钥验证证书合法性。
  • 作用核心：确保客户端与服务器通信时传递的 公钥未被篡改 ，防范中间人攻击

---

场景扩展

二者可结合 对称加密与非对称加密混合使用：

• 步骤：非对称加密安全传输对称密钥 → 使用对称加密处理后续数据加解密。
• 目的：兼顾密钥交换安全性与高吞吐量数据处理需求。

---

常见非对称加密算法

算法名称	基础数学原理	密钥长度（等效强度举例）	典型场景	优势	局限性
RSA	大整数质因数分解	2048/3072位	HTTPS 证书、数据加密/签名	通用性强、兼容性高	计算开销大、量子攻击下安全性弱
ECC	椭圆曲线离散对数问题	256位（等效RSA 3072位）	移动设备加密、物联网通信	密钥短、计算效率高、资源占用低	实现复杂度较高
DSA	离散对数问题	3072位（与RSA匹配）	数字签名	签名速度快	仅支持签名、需预先生成临时密钥
ElGamal	离散对数问题	3072位以上	加密协议设计	安全性基于数学难题	密文膨胀明显、效率较低
DH	离散对数问题	2048位	密钥交换（如 TLS）	动态生成会话密钥	无法抵抗中间人攻击（需身份验证）

---

密钥安全管理

1. 密钥风险

   • 问题：明文存储密钥（如代码/配置文件中）导致内部泄露风险。

2. 安全方案

   • 独立服务模式：将密钥和算法部署于专用服务器或硬件，降低泄露概率，但性能开销高。
   • 分片存储模式：密钥拆分加密后存储于多台服务器，仅授权后组装，兼顾安全与性能。
     • 优势：分散密钥管理权限，避免单点泄露。

---