打造一个安全的用户名密码登录系统

撰写于 2016年8月1日 修改于 2017年6月26日 分类 编程杂记 标签 AngularJS / Node.js / Waterline / Express / 安全

很多的网络应用都有基于用户名密码的登录功能,而绝大多数的登录都毫无安全性可言,不夸张的说,大多数的程序员根本不知道怎样去保证用户名和密码的安全。

安全的标准

要想一个登录系统安全,至少要保证以下几个方面。

原始密码的安全

很多人对于用户的原始密码安全,还停留在不被非法第三方获取的层面上,但实际上,原始密码的最大威胁,往往来自于系统的开发人员和服务器的管理人员。这些人可能是有意收集,也可能是无意泄露,往往是用户原始密码的泄露的罪魁祸首。在构建登录系统的时候,应该从根本上避免,做到只有用户自己和键盘记录器才知道原始密码。

那如何做到这一点呢?首先一点就是一定要在客户端进行密码加密,这可以使得后端拿到的密码已经是加过密的,一来服务器接触不到原始密码,二来就算通信被监听,第三方就算拿到了可以用来登录的客户端加密密文,也无法获知用户的原始密码。

哈希:不可逆加密

密码加密不同于普通的加密,一是内容重要,二是密码的验证根本不需要原文,要检查一个密码是否正确,只需要看它加密的结果与正确的密码加密的结果是否一致即可。确定了这两点,对于加密的方法,就只要求同一个字符串加密后会得到同样的密文。哈希完全满足了这一要求。

在哈希算法中,首选是 SHA2 系列,虽然安全由于 SHA1 的原因而被质疑,但至少目前还没有证明有什么纰漏。MD5 由于用得太多,而且彩虹表实在过于泛滥,并不推荐使用。

另外一个问题,哈希一遍是不是就够了呢?当然不,不仅要多次哈希,而且还要与用户名一类的数据混加,比如,可以使用下面的方式来在客户端加密原始密码:

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sha256(
sha265(sha265(password)) + sha265(username)
)

这样,不仅可以增加密文反推原文的难度,还加入用户名,使得就算密码相同,不同用户的密文也完全不一样。

在客户端的加密,基本上也就只能到这一步了,因为一个最主要的问题是,客户端的加密算法是公开的。

盐:混入随机数据

虽然在客户端对密码进行了加密,但无论是算法,还是混入的用户名,都是公开了的。剩下的加密,就需要留给后端了。

由于对同一字符串进行哈希的结果是恒定的,所以知道了算法和密文,理论上是可以反推出密码的,反推的难度取决于用户原始密码的复杂度。那如何才能够让反推的难度指数级增大呢?答案是在原始密码密文的基础之上,再加入一个随机字符串,从而达到让用户的密码更复杂的效果。这个随机字符串,便是盐。

后端获取到客户端传来的密码之后,再通过加盐哈希进行再加密。比如像下面这样:

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sha256(
sha256(username + sha256(password + salt)) + salt + sha256(username + salt)
)

注意,盐的保存非常关键,务必将它与用户信息分开存放。

密文和盐的更新与不可追溯

现在密码已经分别在客户端和后端多次哈希,还加了盐,好像已经很安全了。但其实,我们还可以更安全。那就是经常变更盐,让用户信息表中的密文字段值也经常变化。这样,除非同时拿到用户信息和盐,否则依然无效。

那什么时候变更盐和密文呢?由于后端是不存储客户端哈希的密文的,所以只有在登录的时候,才能够进行盐和密文的修改。

用户名本身可以加密吗?

这个想法好像有点不靠谱,但实际上,用户名如果只是作为单纯的登录凭证,其实是可以像密码一样加密的。因为无论是注册、登录还是找回密码,都不需要用户名的原文。但注意,用户名只能哈希,不能加盐,否则就没什么依据去找盐了。

用户名的哈希可以分两部分,一是客户端哈希,到了服务器端,可以进行再次哈希。

在本文的 Demo 中,将不对用户名哈希。

通信的安全

在应用层面基本上已经很安全了。接下来就是客户端和通信的安全。客户端的环境基本不可控,所以只能在通信的安全上想办法了。不过其实也不用想什么多的办法,直接使用 HTTPS 就行了。

登录流程

上面总结了怎样保证一个用户名密码登录系统的安全,这里再来看看一个满足上述要求的登录系统的登录流程。注册流程相对来讲简单一些,所以就不再详细介绍。

Demo 是一个简单的 Web 用户名密码登录系统,代码示例也取自于它。

浏览器登录

浏览器主要完成以下工作:

  • 获取用户输入的用户名及密码
  • 通过输入的用户名和密码,进行哈希,得到浏览器端密文
  • 将用户名和密文提交给后端

主要代码如下,取自 client/app.js

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// 密码与用户名的哈希
function encryptPwd(username, password) {
username = username.toLowerCase();
return sha256(
username + sha256 (
sha256(sha256(sha256(password))) + sha256(username)
)
);
}
$scope.login = function(){
// 检查用户名和密码的合法性,比如是否输入,长度是否足够等
if($scope.check()) {
return;
}
$scope.successMessage = '';
$scope.errorMessage = '';
$scope.status = 'loading';
// 向后端提交登录请求
$resource('/user/login')
.save({
username: $scope.username,
password: encryptPwd($scope.username, $scope.password)
}, function(res){
$scope.status = 'done';
$scope.successMessage = 'login successful!';
}, function(reason){
$scope.status = 'done';
$scope.errorMessage = reason.data || 'failed';
});
};

后端密码验证

后端的验证流程如下:

  • 获取前端提交的用户名及浏览器端密文
  • 根据用户名,在数据库中查询出对应的盐 id
  • 通过盐 id 取出对应的盐,再通过用户名、浏览器端密文和盐算出后端密文
  • 根据用户名和后端密文到用户表查询,如果有结果,则表明登录信息正确,返回给浏览器登录成功的响应
  • 生成新的盐,算出新的后端密文,并将两者更新到数据库中

实现的代码如下,取自 app/controllers/user.server.controller.js

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function encryptPwd(usr, pwd, salt){
usr = usr.toLowerCase();
return sha256(
sha256(usr + sha256(pwd + salt)) + salt + sha256(usr + salt)
)
}
function login(req, res, next){
// 用户名密码获取和检查已省略
// 根据用户名,获取盐 id
req.models.user
.findOne({select:['username', 'saltId'], where: {username: username}})
.exec(function(err, userDoc){
if(err) return next(err);
if(!userDoc) return next(new Error('username not exists'));
// 取盐
req.models.salt
.findOne({id: userDoc.saltId})
.exec(function(err, saltDoc){
if(err) return next(err);
if(!saltDoc) return next(new Error('can NOT find salt'));
// 根据用户名、密码和盐推算出密文
var pwdHash = encryptPwd(username, password, saltDoc.salt);
// 在数据库中核对用户名和密文
req.models.user
.findOne({select: ['id'], where: {username: username, password: pwdHash }})
.exec(function(err, doc){
if(err) return next(err);
if(!doc) return next(new Error('password error'));
res.json({
username: username
});
return updateSalt(saltDoc, userDoc, password, next);
});
});
});
}

盐与密文的更新

前面返回给用户成功登录的响应之后,调用了更新盐和密文的方法,该方法具体流程如下:

  • 生成并存储新盐
  • 根据新盐、用户名和浏览器端密文,生成新的后端密文
  • 存储后端密文到用户信息表

实现如下,取自 app/controllers/user.server.controller.js

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function updateSalt(saltDoc, userDoc, passwordInputed, next){
saltDoc.salt = Math.random().toString(15).substr(3, 27);
saltDoc.save(function(err){
if(err) return next(err);
userDoc.password = encryptPwd(userDoc.username, passwordInputed, saltDoc.salt);
userDoc.save(function(err){
if(err) return next(err);
return next();
});
});
}

Demo

Demo 托管在 Github 上。前端采用 AngularJS + Bootstrap ,后端使用 Node.js + Express + MongoDB ,是一个典型的 MEAN 应用 。

数据存储这块,使用了 Waterline 这个 ORM 中间件(以前也曾经写过两篇介绍文章,可供参考:Node.js ORM 数据操作中间件 Waterline在 Express 项目中使用 Waterline)。使用它的目的主要是为了将用户信息和盐存储到不同的地方。本例中将盐用 sails-disk 存储到了文件中,用户信息用 sails-mongo 存储到了 MongoDB 中。

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git clone https://github.com/stiekel/safe-username-password-login.git
cd safe-username-password-login
npm i
npm i -g gulp
gulp

再在浏览器中打开 http://localhost:7102/ 即可。

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