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the_argon2i_function.md

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Argon2 内存耗费函数

从 version 1.0.9 开始, libsodium 提供名叫 Argon2 的 用户密码哈希函数。

Argon2 集成了目前在内存耗费函数设计领域 最先进的技术。

Argon2 的目标是 最高的 内存填充率，和对多个计算单元的有效利用，同时仍然提供针对 tradeoff 攻击的有效防御。

Argon2 避免了 ASIC 硬件相对 软件实现 的性能优势。

Example 1: 密码存储 password storage

#define PASSWORD "Correct Horse Battery Staple"

char hashed_password[crypto_pwhash_STRBYTES];

if (crypto_pwhash_str
    (hashed_password, PASSWORD, strlen(PASSWORD),
     crypto_pwhash_OPSLIMIT_SENSITIVE, crypto_pwhash_MEMLIMIT_SENSITIVE) != 0) {
    /* out of memory */
}

if (crypto_pwhash_str_verify
    (hashed_password, PASSWORD, strlen(PASSWORD)) != 0) {
    /* wrong password */
}

Example 2: 密钥衍生 key derivation

#define PASSWORD "Correct Horse Battery Staple"
#define KEY_LEN crypto_box_SEEDBYTES

unsigned char salt[crypto_pwhash_SALTBYTES];
unsigned char key[KEY_LEN];

randombytes_buf(salt, sizeof salt);

if (crypto_pwhash
    (key, sizeof key, PASSWORD, strlen(PASSWORD), salt,
     crypto_pwhash_OPSLIMIT_INTERACTIVE, crypto_pwhash_MEMLIMIT_INTERACTIVE,
     crypto_pwhash_ALG_DEFAULT) != 0) {
    /* out of memory */
}

密码存储 Password storage

int crypto_pwhash_str(char out[crypto_pwhash_STRBYTES],
                                           const char * const passwd,
                                           unsigned long long passwdlen,
                                           unsigned long long opslimit,
                                           size_t memlimit);

crypto_pwhash_str() 函数把 ASCII 编码的 字符串写入 out, 包含:

  • 一个 对 长度 passwdlen 的密码 passwd 进行 内存耗费， CPU 密集 计算，产生的结果。
  • 为进行上述计算自动生成的盐 salt。
  • 用来验证密码 password 需要的其它参数，包括算法标识符，算法版本， opslimit 和 memlimit 参数.

out 必须足够长来保存 crypto_pwhash_STRBYTES 字节, 但是实际的输出字符串可能会更短。

输出字符串是 '\0' 结尾的，只包括 ASCII 字符串， 并且可以安全的存入 SQL 数据库，和其它存储中。 不需要额外再存其它字段用来 验证 密码 password。

这个函数返回 0 表示成功，-1表示没有成功完成。

int crypto_pwhash_str_verify(const char str[crypto_pwhash_STRBYTES],
                                                  const char * const passwd,
                                                  unsigned long long passwdlen);

这个函数验证  str 是否 对 长度 passwdlen 的 passwd 是一个 合法的 密码验证字符串 (作为 crypto_pwhash_str() 生成的输出) 。

str 必须是 '\0' 结尾的。

这个函数返回 0 表示验证成功了。 -1表示验证出错。

密钥衍生 Key derivation

int crypto_pwhash(unsigned char * const out,
                                       unsigned long long outlen,
                                       const char * const passwd,
                                       unsigned long long passwdlen,
                                       const unsigned char * const salt,
                                       unsigned long long opslimit,
                                       size_t memlimit, int alg);

The crypto_pwhash() function derives an outlen bytes long key from a password passwd whose length is passwdlen and a salt salt whose fixed length is crypto_pwhash_SALTBYTES bytes. outlen should be at least 16 (128 bits).

The computed key is stored into out.

opslimit represents a maximum amount of computations to perform. Raising this number will make the function require more CPU cycles to compute a key.

memlimit is the maximum amount of RAM that the function will use, in bytes.

alg is an identifier for the algorithm to use and should be currently set to crypto_pwhash_ALG_DEFAULT.

For interactive, online operations, crypto_pwhash_OPSLIMIT_INTERACTIVE and crypto_pwhash_MEMLIMIT_INTERACTIVE provide base line for these two parameters. This requires 32 Mb of dedicated RAM. Higher values may improve security (see below).

Alternatively, crypto_pwhash_OPSLIMIT_MODERATE and crypto_pwhash_MEMLIMIT_MODERATE can be used. This requires 128 Mb of dedicated RAM, and takes about 0.7 seconds on a 2.8 Ghz Core i7 CPU.

For highly sensitive data and non-interactive operations, crypto_pwhash_OPSLIMIT_SENSITIVE and crypto_pwhash_MEMLIMIT_SENSITIVE can be used. With these parameters, deriving a key takes about 3.5 seconds on a 2.8 Ghz Core i7 CPU and requires 512 Mb of dedicated RAM.

The salt should be unpredictable. randombytes_buf() is the easiest way to fill the crypto_pwhash_SALTBYTES bytes of the salt.

Keep in mind that in order to produce the same key from the same password, the same salt, and the same values for opslimit and memlimit have to be used. Therefore, these parameters have to be stored for each user.

The function returns 0 on success, and -1 if the computation didn't complete, usually because the operating system refused to allocate the amount of requested memory.

选择参数的指导

从确定这个函数能使用多少内存开始。最多有多少个线程/进程并发执行这些函数? (理想情况是，每个 CPU 不超过 1个线程/进程)。有多少物理内存可以确保可用？

把 memlimit 设置成你想保留用来做 password 哈希的内存大小。

然后 把 opslimit 设置成 3 并测试它 哈希一个密码使用的时间。

如果这对你的应用程序对你来说太久了，减少 memlimit，但是保持 opslimit 为 3。

如果这个函数太快了，你可以接受它计算更密集一些，而没有可用性问题。 那就增大 opslimit。

对在线应用来说 ( 例如登录一个网站 ), 1 秒钟应该是个可以接受的最大值。

对交互应用来说 （例如桌面应用）， 输入密码后，5 秒钟的暂停应该是可以接受的，如果在一次会话中不需要多次输入密码的话。

对 非交互应用 和 不频繁应用（比如 恢复一个加密的备份）来说， 更慢的计算也是可接受的。

但是针对 brute-force 暴力攻击密码破解的最好防御，仍然是使用强密码，像 passwdqc 这样的库，可以用来确保强密码。

常量

  • crypto_pwhash_ALG_DEFAULT
  • crypto_pwhash_SALTBYTES
  • crypto_pwhash_STRBYTES
  • crypto_pwhash_STRPREFIX
  • crypto_pwhash_OPSLIMIT_INTERACTIVE
  • crypto_pwhash_MEMLIMIT_INTERACTIVE
  • crypto_pwhash_OPSLIMIT_MODERATE
  • crypto_pwhash_MEMLIMIT_MODERATE
  • crypto_pwhash_OPSLIMIT_SENSITIVE
  • crypto_pwhash_MEMLIMIT_SENSITIVE

Notes

opslimit, 计算的遍数，最少必须是 3。 对更小的值，crypto_pwhash() 和 crypto_pwhash_str() 会失败返回 -1 。

对 memlimit 没有 "不安全"值，尽管内存越多越好。

不要忘了用  sodium_init() 初始化整个库。 crypto_pwhash_* 在没有初始化的情况下仍然会工作，但是可能会变慢。

不要使用常量 (包括 crypto_pwhash_OPSLIMIT_* 和 crypto_pwhash_MEMLIMIT_*) 来验证一个 password ，把这些参数和 hash 保存在一起，并且使用保存的参数来做验证。

或者,使用 crypto_pwhash_str() 和 crypto_pwhash_str_verify(), 这组函数 会自动处理 包含 和提取这些参数的细节。

通过这样做，以后如果需要，password 以后可以使用不同的参数重新哈希。

明文的密码不再需要以后，就不应该再停留在内存里。

高度推荐使用 sodium_mlock() 来把存储明文密码的内存区域锁定住，并在 crypto_pwhash_str() 和 crypto_pwhash_str_verify() 返回后，调用 sodium_munlock() 。

sodium_munlock() 在 unlock 之前， 会用 0 覆盖这个区域，所以不需要再自己做覆盖操作。

Algorithm details