PKCS#5 PBKDF：從密碼中提煉安全的金鑰

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在資訊安全的領域中，如何將使用者容易記憶的密碼，轉換為加密演算法所需的安全金鑰，是一項重要的課題。為此，PKCS#5 標準定義了基於密碼的金鑰派生函數（Password-Based Key Derivation Function, PBKDF），旨在從一個密碼中安全地產生金鑰。

PBKDF 屬於金鑰派生函數（Key Derivation Function, KDF）的一種。其核心目的，是透過一系列的運算，將相對不安全的密碼，轉換成具備足夠安全強度的金鑰，以抵禦暴力破解等攻擊手段。目前，業界廣泛使用的是 PBKDF2，而其前身 PBKDF1 已不再建議使用。

本文將探討 PBKDF2 的運作原理、與 PBKDF1 的差異，以及其在現代密碼學中的應用。

深入了解 PBKDF2 的運作原理

PBKDF2 透過引入兩個關鍵元素：「鹽（Salt）」和「迭代次數（Iteration Count）」，大幅提升了金鑰的安全性。其運作流程如下：

  1. 輸入參數：
    • 密碼（Password）：使用者設定的密碼。
    • 鹽（Salt）：一組隨機產生的數據，用來防止駭客使用預先計算好的「彩虹表」進行攻擊。
    • 迭代次數（c）：重複執行核心雜湊運算的次數，次數越高，破解的成本就越高。
  2. 核心函數 F：
    PBKDF2 的核心在於一個函數 F，此函數透過一個偽隨機函數（Pseudorandom Function, PRF），例如 HMAC-SHA1，對密碼和鹽值進行多次重複運算。其計算方式為：
    • 第一次運算 $U_1$ 是將密碼與（鹽值和一個計數器）作為 PRF 的輸入。
    • 後續的運算 $U_2$ 到 $U_c$ 則是將前一次的輸出結果 $U_{i-1}$ 再次作為 PRF 的輸入。
    • 最後將這 c 次的運算結果全部進行互斥或（XOR）運算，得到區塊 $T_i$。
  3. 產生衍生金鑰（DK）：
    PBKDF2 會依序計算出 $T_1, T_2, T_3, \dots$ 等多個區塊，並將它們串接起來。最後，再從這個串接起來的結果中，截取所需要的長度，作為最終的衍生金鑰（Derived Key, DK）。

PBKDF1：一個已被淘汰的方案

相較於 PBKDF2，第一代的 PBKDF1 的設計較為簡單。它同樣會輸入密碼、一個 8 位元組的鹽，以及迭代次數。其作法是先將密碼和鹽值串接後進行雜湊運算，之後再將前一次的雜湊結果重複進行雜湊運算，直到達到指定的迭代次數。最後再從結果中取出所需長度的金鑰。由於其設計相對簡單，安全性已不如 PBKDF2，因此不再被推薦使用。first image

標準與應用

PBKDF2 的規格被詳細定義在多個標準之中，例如 PKCS#5 v2.0 (RFC2898) 和 PKCS#11。在 ASN.1 的語法中，PBKDF2 的參數包含鹽值（salt）、迭代次數（iterationCount）、金鑰長度（keyLength）以及所使用的偽隨機函數（prf）等。在 PKCS#11 的應用中，也可以看到透過結構體 CK_PKCS5_PBKD2_PARAMS 來設定這些參數，以產生金鑰。

總結來說，PBKDF2 提供了一個穩固且標準化的方法，讓我們能夠將使用者易於記憶的密碼，轉換為具備高安全性的加密金鑰，是現代密碼學應用中不可或缺的一環。

參考資料

  • RFC 2898 - PKCS #5: Password-Based Cryptography Specification Version 2.0
  • PKCS#5 v2.0 - Password-Based Cryptography Specification

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