Bcrypt
字数 2436 2025-11-02 10:11:13

好的，我们来看一个在密码学中非常重要且应用广泛的算法：Bcrypt 密码哈希算法。

Bcrypt密码哈希算法的工作原理与安全性分析

1. 题目描述

在信息安全中，我们从不以明文形式存储用户密码。相反，我们存储密码的“哈希值”。当用户登录时，我们计算其输入密码的哈希值，并与存储的哈希值进行比对。然而，简单的哈希函数（如MD5、SHA-1）对于密码存储来说是极不安全的，因为它们计算速度太快，攻击者可以轻松进行“彩虹表攻击”或“暴力破解攻击”。

Bcrypt就是为解决这一问题而设计的。它是一个自适应哈希函数，核心思想是故意引入计算成本，使得计算单个哈希值的过程变得很慢，从而极大地增加攻击者大规模破解密码的难度。题目要求我们理解并讲解Bcrypt是如何通过其独特的设计来实现这一目标的。

2. 解题过程：循序渐进理解Bcrypt

步骤一：核心组件——Blowfish算法的密钥调度

Bcrypt并非从零开始设计，它基于一个著名的分组密码——Blowfish。Blowfish算法有一个非常耗时的步骤，叫做“密钥扩展”（Key Expansion）。这个步骤会将用户提供的密钥（在Bcrypt的场景下，就是密码）转换成一个巨大的“P-数组”和四个“S-盒”（Substitution-boxes），这些S-盒是预计算好的查找表。

关键在于：对于不同的密钥，Blowfish的密钥扩展过程需要生成不同的S-盒，而这个生成过程涉及大量的计算。Bcrypt巧妙地利用了这一点，将密码哈希的过程与这个昂贵的密钥扩展过程绑定在一起。

步骤二：Bcrypt的输出格式——包含所有信息

一个标准的Bcrypt哈希值看起来像这样：
$2a$12$EXdSs4YSNYjpYcOaYKsTq.KY0a6H1PaG.ZsTkS9UqJm6Pfo6yCQdO

我们可以用$符号将其拆解为三部分：

  • 2a：版本标识符。表示使用的是Bcrypt的哪个变种（如2a, 2b, 2y）。
  • 12：成本因子（Cost Factor）。这是Bcrypt的精髓所在。它表示密钥扩展的迭代次数，计算量约为 2^Cost。这里的12表示迭代次数为 2^12 = 4096 次。
  • EXdSs4YSNYjpYcOaYKsTq.：22个字符的盐（Salt）。盐是一个随机生成的数据，它的作用是确保即使两个用户使用相同的密码，其最终的哈希值也是不同的。这能有效防御彩虹表攻击。这里的22个字符是经过Base64编码的，实际是16字节的随机数。
  • KY0a6H1PaG.ZsTkS9UqJm6Pfo6yCQdO：31个字符的最终哈希值。这是经过复杂计算后得到的密码哈希结果。

这个格式告诉我们，存储一个Bcrypt哈希值，实际上同时存储了算法版本、成本因子、盐和最终的哈希结果。在验证密码时，我们只需要盐和成本因子，而不需要其他秘密信息。

步骤三：EksBlowfishSetup——昂贵的密钥设置过程

Bcrypt的核心是一个名为 EksBlowfishSetup 的函数，其中 “Eks” 代表 “Expensive key schedule”（昂贵的密钥调度）。这个函数接收三个输入：成本因子cost、盐salt 和 密码password。

它的工作流程如下：

  1. 首先，像标准的Blowfish一样，用密码和盐初始化P-数组和S-盒。但这里不是简单地初始化，而是将密码和盐混合在一起进行。
  2. 接着，进入一个循环，循环次数由成本因子 cost 决定。具体次数是 2^cost 次。
  3. 在每一次循环中，算法都会用当前的密码和盐作为密钥，重新加密一个固定的状态。这个过程会不断地、极其缓慢地搅乱P-数组和S-盒。

关键点：由于这个过程必须按顺序执行（后一步依赖于前一步的结果），无法并行化。提高 cost 因子（比如从12增加到13），计算时间就会翻倍。在普通计算机上，cost=12 时计算一个哈希可能需要十分之几秒，这对于用户登录来说是可接受的，但对于攻击者需要计算数十亿个哈希来说，这个成本就高得无法承受。

步骤四：加密（OrpheanBeholderScryDoubt）并生成最终哈希

经过 EksBlowfishSetup 这个昂贵的设置过程后，我们得到了一组被密码和盐“定制”过的、独一无二的P-数组和S-盒。

接下来，Bcrypt使用这些状态数据，对一个固定的64位块（b"OrpheanBeholderScryDoubt"，这只是一个有趣的魔法字符串，没有特殊含义）进行64次Blowfish加密。这相当于用Blowfish算法在ECB模式下加密一个固定的明文。

加密过程会产生一个192位（24字节）的密文。这个密文，经过编码后，就成为了Bcrypt哈希值的最后一部分（即上面例子中的 KY0a6H1PaG...）。

3. 总结与回顾

让我们串联整个解题过程：

  1. 目标：创建一个计算缓慢的密码哈希函数，以抵抗暴力破解。
  2. 核心机制：利用Blowfish算法本已很耗时的密钥扩展过程，并通过一个循环（由成本因子cost控制）将其计算成本指数级放大。这个过程就是 EksBlowfishSetup。
  3. 附加安全措施：引入盐（salt），确保相同密码产生不同哈希，防御彩虹表。
  4. 生成结果：使用定制好的状态加密一个固定字符串，生成最终的哈希值。
  5. 存储：将算法版本、成本因子、盐和最终哈希值一起存储。

Bcrypt的巧妙之处在于，它将密码学中一个标准组件（Blowfish的密钥调度）的固有计算成本转化为对抗攻击者的有力武器。通过调整 cost 参数，我们可以在未来计算机算力提升时，轻松地增加哈希的计算成本，从而保持算法的安全性。这正是“自适应哈希函数”的含义。

好的，我们来看一个在密码学中非常重要且应用广泛的算法： Bcrypt 密码哈希算法。 Bcrypt密码哈希算法的工作原理与安全性分析 1. 题目描述 在信息安全中，我们从不以明文形式存储用户密码。相反，我们存储密码的“哈希值”。当用户登录时，我们计算其输入密码的哈希值，并与存储的哈希值进行比对。然而，简单的哈希函数（如MD5、SHA-1）对于密码存储来说是极不安全的，因为它们计算速度太快，攻击者可以轻松进行“彩虹表攻击”或“暴力破解攻击”。 Bcrypt就是为解决这一问题而设计的。它是一个 自适应哈希函数 ，核心思想是 故意引入计算成本 ，使得计算单个哈希值的过程变得很慢，从而极大地增加攻击者大规模破解密码的难度。题目要求我们理解并讲解Bcrypt是如何通过其独特的设计来实现这一目标的。 2. 解题过程：循序渐进理解Bcrypt 步骤一：核心组件——Blowfish算法的密钥调度 Bcrypt并非从零开始设计，它基于一个著名的分组密码—— Blowfish 。Blowfish算法有一个非常耗时的步骤，叫做“密钥扩展”（Key Expansion）。这个步骤会将用户提供的密钥（在Bcrypt的场景下，就是密码）转换成一个巨大的“P-数组”和四个“S-盒”（Substitution-boxes），这些S-盒是预计算好的查找表。 关键在于： 对于不同的密钥，Blowfish的密钥扩展过程需要生成不同的S-盒，而这个生成过程涉及大量的计算 。Bcrypt巧妙地利用了这一点，将密码哈希的过程与这个昂贵的密钥扩展过程绑定在一起。 步骤二：Bcrypt的输出格式——包含所有信息 一个标准的Bcrypt哈希值看起来像这样： $2a$12$EXdSs4YSNYjpYcOaYKsTq.KY0a6H1PaG.ZsTkS9UqJm6Pfo6yCQdO 我们可以用 $ 符号将其拆解为三部分： 2a ： 版本标识符 。表示使用的是Bcrypt的哪个变种（如 2a , 2b , 2y ）。 12 ： 成本因子（Cost Factor） 。这是Bcrypt的精髓所在。它表示密钥扩展的迭代次数，计算量约为 2^Cost。这里的 12 表示迭代次数为 2^12 = 4096 次。 EXdSs4YSNYjpYcOaYKsTq. ： 22个字符的盐（Salt） 。盐是一个随机生成的数据，它的作用是确保即使两个用户使用相同的密码，其最终的哈希值也是不同的。这能有效防御彩虹表攻击。这里的22个字符是经过Base64编码的，实际是16字节的随机数。 KY0a6H1PaG.ZsTkS9UqJm6Pfo6yCQdO ： 31个字符的最终哈希值 。这是经过复杂计算后得到的密码哈希结果。 这个格式告诉我们，存储一个Bcrypt哈希值，实际上同时存储了算法版本、成本因子、盐和最终的哈希结果。在验证密码时，我们只需要盐和成本因子，而不需要其他秘密信息。 步骤三：EksBlowfishSetup——昂贵的密钥设置过程 Bcrypt的核心是一个名为 EksBlowfishSetup 的函数，其中 “Eks” 代表 “Expensive key schedule”（昂贵的密钥调度）。这个函数接收三个输入： 成本因子cost 、 盐salt 和 密码password 。 它的工作流程如下： 首先，像标准的Blowfish一样，用密码和盐 初始化P-数组和S-盒 。但这里不是简单地初始化，而是将密码和盐 混合 在一起进行。 接着，进入一个 循环 ，循环次数由成本因子 cost 决定。具体次数是 2^ cost 次。 在每一次循环中，算法都会用当前的 密码 和 盐 作为密钥， 重新加密 一个固定的状态。这个过程会不断地、极其缓慢地搅乱P-数组和S-盒。 关键点 ：由于这个过程必须按顺序执行（后一步依赖于前一步的结果），无法并行化。提高 cost 因子（比如从12增加到13），计算时间就会 翻倍 。在普通计算机上， cost=12 时计算一个哈希可能需要十分之几秒，这对于用户登录来说是可接受的，但对于攻击者需要计算数十亿个哈希来说，这个成本就高得无法承受。 步骤四：加密（OrpheanBeholderScryDoubt）并生成最终哈希 经过 EksBlowfishSetup 这个昂贵的设置过程后，我们得到了一组被密码和盐“定制”过的、独一无二的P-数组和S-盒。 接下来，Bcrypt使用这些状态数据，对一个固定的64位块（ b"OrpheanBeholderScryDoubt" ，这只是一个有趣的魔法字符串，没有特殊含义）进行 64次Blowfish加密 。这相当于用Blowfish算法在ECB模式下加密一个固定的明文。 加密过程会产生一个192位（24字节）的密文。这个密文，经过编码后，就成为了Bcrypt哈希值的最后一部分（即上面例子中的 KY0a6H1PaG... ）。 3. 总结与回顾 让我们串联整个解题过程： 目标 ：创建一个计算缓慢的密码哈希函数，以抵抗暴力破解。 核心机制 ：利用Blowfish算法本已很耗时的密钥扩展过程，并通过一个循环（由 成本因子cost 控制）将其计算成本指数级放大。这个过程就是 EksBlowfishSetup 。 附加安全措施 ：引入 盐（salt） ，确保相同密码产生不同哈希，防御彩虹表。 生成结果 ：使用定制好的状态加密一个固定字符串，生成最终的哈希值。 存储 ：将算法版本、成本因子、盐和最终哈希值一起存储。 Bcrypt的巧妙之处在于，它将密码学中一个标准组件（Blowfish的密钥调度）的固有计算成本转化为对抗攻击者的有力武器。通过调整 cost 参数，我们可以在未来计算机算力提升时，轻松地增加哈希的计算成本，从而保持算法的安全性。这正是“自适应哈希函数”的含义。