PHP实现“挑战-应答”方式的登陆模型

来源：互联网发布：php抓取新闻编辑：程序博客网时间：2024/04/30 01:12

PHP实现“挑战-应答”方式的登陆模型

内容提要

1. 什么是“挑战-应答”系统

2. 关于HMAC

3. 登陆模型的流程与相关代码

“挑战-应答”

定义假设用户U想向系统S认证自己。设U和S有一个协商好的秘密函数f。挑战-应答认证系统就是这样的一个系统：S发送一个随机消息m（挑战）给U，用户U回应m的变形r=f（m）（应答）。S通过独立计算r来验证r。

根据上面的定义，在一个典型的C/S系统中，认证过程为：

1) 客户向认证服务器发出请求，要求进行身份认证；

2) 认证服务器从用户数据库中查询用户是否是合法的用户，若不是，则不做进一步处理；

3) 认证服务器内部产生一个随机数，作为“提问”，发送给客户；

4) 客户将用户名字和随机数合并，使用单向Hash函数（例如MD5算法）生成一个字节串作为应答；

5) 认证服务器将应答串与自己的计算结果比较，若二者相同，则通过一次认证；否则，认证失败；

6) 认证服务器通知客户认证成功或失败。

在一个C/S项目中，1~3步其实就是客户端请求登陆页面的一个过程。到了第四步，客户将用户名字和随机数合并，生成应答，这个过程使用服务器计算的方式还是在客户端就计算好？使用的函数f（m）又是怎样选择呢？在这里我的办法是，引入HMAC。

HMAC

定义计算HMAC需要一个散列函数hash（可以是md5或者sha-1）和一个密钥key。用L表示hash函数输出字符串长（md5是16），用B表示数据块的长度（md5和sha-1的分割数据块长都是64）。密钥key的长度可以小于等于数据块长B，如果大于数据块长度，可以使用hash函数对key进行转换，结果就是一个L长的key。

然后创建两个B长的不同字符串：

　　innerpad = 长度为B的 0×36

　　outterpad = 长度为B的 0×5C

计算输入字符串str的HMAC：

　　hash(key ^ outterpad, hash(key ^ innerpad, str))

HMAC主要应用在身份验证中，它的使用方法是这样的：

　　1. 客户端发出登录请求（假设是浏览器的GET请求）

　　2. 服务器返回一个随机值，并在会话中记录这个随机值

　　3. 客户端将该随机值作为密钥，用户密码进行HMAC运算，然后提交给服务器

　　4. 服务器读取用户数据库中的用户密码和步骤2中发送的随机值做与客户端一样的HMAC运算，然后与用户发送的结果比较，如果结果一致则验证用户合法。

在这个过程中，可能遭到安全攻击的是服务器发送的随机值和用户发送的HMAC结果，而对于截获了这两个值的黑客而言这两个值是没有意义的，绝无获取用户密码的可能性，随机值的引入使HMAC只在当前会话中有效，大大增强了安全性和实用性。大多数的语言都实现了HMAC算法，比如php的mhash、python的hmac.py、java的MessageDigest类，在web验证中使用HMAC也是可行的，用js进行md5运算的速度也是比较快的。事实上，客户端中使用js来计算HMAC，返回结果，在服务器中调用PHP的mhash计算后与客户端返回的结果进行比较。这样做的好处是，服务器避免了重复计算，而且由于客户端在返回结果的过程中，所提交的数据由于经过了HAMC的加密，安全性得到了进一步的提高。

根据上面的分析，整个登陆的模型的设计已经十分明了。由于项目采用的是PHP做为开发语言，同时采用Codeigniter作为框架。相关代码如下：

1. 客户向认证服务器发出请求，要求进行身份认证。这个过程由Login Controller控制，返回用户登陆的页面。其中客户端用来计算HMAC的js可以在这里下载：

http://pajhome.org.uk/crypt/md5/md4.js

LoginView.php

<?php $attributes = array('onSubmit'=>'javascript:return hex_hmac_md5(key.value, hex_md5(password.value))',
'name' => 'loginForm', 'id' => 'loginForm'); ?>
<?=form_open('login/check_user', $attributes);?>
//HTML代码，略 
<tr>
<td width="30%" align="right" height="25">用户名：</td>
<td align="left"><input name="username" value="" type="text" style="width:130px;" /></td></tr>
<tr><td align="right" height="25">密　码：<input type="hidden" name="key" value=<?=$key; ?> /></td>
<td align="left"><input name="password" type="password" value="" style="width:130px;" /></td></tr>

实现的效果如下：

User name
Password

2. 服务器端校验同样由Login Controller控制，调用Model，查询数据库，同时进行校验，并将结果返回Login Controller。

LoginModel.php

<?php
class user_model extends Model {
    
    function __construct() {
        parent::Model();
        //$this->load->library('Hex_hmac'); 
    }
    
    function authenticate($username,$password,$key){
        $query = $this->db->get_where('user',array('username'=>$username));
        $admin = $query->row();
        if($admin){
            $data=$admin->password;
            $result=bin2hex (mhash(MHASH_MD5, $data, $key));
            // 若没有启用php_mhash.dll（libmhash） 扩展则使用下面的方式 
            //$result=$this->hex_hmac->hmac($key,$data);             
            if($result == $password){
                return TRUE;
            }else{
                return FALSE;
            }
        }else{
            return FALSE;
        }
    }
    
    // 一般的登陆模型： 
    function validate_user($username,$password){
        // 用select 1 比较好 
        $sql="SELECT 1 FROM user WHERE username = ? AND password = md5(?)";
        $query=$this->db->query($sql,array('username'=>$username,'password'=>$password));
        if ($query->num_rows() > 0) {
            return TRUE;            
        } else {
            return FALSE;
        }
    }
}
?>

3. “挑战”即SALT的生成，这里采用的是用PHP生成随机字符串并传到客户端的办法。HMAC与一般的加密重要的区别在于它具有“瞬时”性，即认证只在当时有效。因此用户每次登陆，都将产生新的SALT，故这里并没用加密SALT。

生成SALT的函数如下：

function createKey($length=6) {
    $hash = '';
    $chars = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz';
    $max = strlen ( $chars ) - 1;
    mt_srand ( ( double ) microtime () * 1000000 );
    for($i = 0; $i < $length; $i ++) {
        $hash .= $chars [mt_rand ( 0, $max )];
    }
    return $hash;
}

问题与分析

1. JavaScript被禁用的情形。很明显，这种情况发生的几率很大——无论是用户的浏览器不支持还是浏览器的设置。在这种情况下，解决的方法只有两个：一是屏蔽这类用户的登陆；二是采用没加密的方式登陆。很明显，采用后者是一个明智的做法，因为这只需对现有的模型稍作修改即可。例如，在用户输入的表单中，增加一个“Hidden field”，在服务器端校验用户返回的结果前，先检查这个“Hidden field”是否经过Hash计算，如否则采用服务器进行两次计算的方式进行校验的过程。

2. 空值问题。这几乎不算一个问题，如果在一般的登陆模型中的话，因为无论是采用客户端js校验或者服务器端校验都能很好解决这个问题。而在这个登陆模型中，事情有一点不一样：经过HMAC计算，即使是空值，也能返回结果！当然，在只需在客户端中增加一段校验的js即可。

3. SALT的产生。SALT由于在客户端和服务器端中要保持同步，产生SALT的函数在登录的过程中务必确保只调用了一次。这里的实现方法是，在登陆中增加一个SALT的“Hidden field”，提交结果的同时，也提交SALT供服务器计算。

4. Password字段的加密。很明显，采用了“挑战-应答”的登陆方式，由于在返回数据之前就已经进行加密，安全性得到很大的提高。而在一般的网站系统中都采用了md5作为加密的方式。但是目前一些网站提供了关于MD5解密后密码和明密的数据库记录，有些网站的记录有上亿条，可以很快查出一次加密后的明码。针对一些弱口令，据说已经达到70%左右。因此采用了md5重复加密的方式，但是由于md5采用单向加密，相同的明文，密码一定是一样的。为什么不能采用与登陆时采用的HMAC？显然，由于HMAC需要随机的SALT，这增加了解密的复杂度。