基于 nonce 的用户身份验证协议

一：什么是nonce 

维基百科：安全工程中，Nonce是一个在加密通信只能使用一次的数字。在认证协议中，它往往是一个随机或伪随机数，以避免重放攻击。

二：举例说明

一个典型的基于 nonce 的验证协议如下：

        这里的 cnonce 为 client nonce（后面将讨论为什么需要 cnonce）。Client 并不直接发送密码（或者密码直接加密后的密文）用以避免攻击者直接窃取密码（或者密码直接加密后的密文）并冒充用户进行身份验证。

先不考虑 Client nonce。Server 首先发送 nonce 到 Client，Client 将密码和 nonce 通过 hash 运算再提交到 Server 进行身份验证，这样我们可以认为（而非绝对）每次用于身份验证的 hash 值都不相同，即使攻击者窃取了前一次用于身份验证的 hash 值也无法冒充用户进行登录。公式如下：

A = Hash(nonce, password)

在不安全的网络环境中，A、nonce、Hash 算法都可以被攻击者获取，如果能够满足以下条件：

1. nonce 仅仅被使用一次
2. Hash 运算不出现冲突

攻击者则在理论上无法实施 Replay attack。 因此 nonce 在特定上下文中仅仅被使用一次以及 Hash 算法尽量避免冲突是安全的关键。为了确保 nonce 在特定上下文中仅仅被使用一次，可以使用以下策略生成 nonce：

• nonce 可以是一个时间相关变量
• nonce 可以是一个通过足够随机算法生成的足够长的 bits

        以上算法难以避免攻击者使用字典进行密码破解。其中一个可行的方法为：攻击者可以截取 A = Hash(nonce, password) 中的 A、nonce，然后通过字典破解用户的密码 password。不过破解的过程是很耗时的，使用一个中等规模的集群（medium-scale cluster）可能需要数周），如果期望破解成千上万用户的密码，那么将消耗极大量的时间。

       如果攻击者能够构建一个预计算的表（例如 Rainbow tables）那么破解大量用户密码的时间将大大缩短。nonce 阻止了预计算表的生成（因为 Server nonce 每次都不相同），但是如果网络中传输的数据能被篡改，情况就不一样了。假定攻击者伪造一个固定的 nonce 发送给网络中的 Clients 并且记录 nonce 和 Clients 的回应（Hash(nonce, password)），由于 nonce 为一个固定值，那么攻击者就可以构造一个预计算的表，此表使用此固定的 nonce。通过此表即可大大缩短破解用户密码的时间了。

       为了避免攻击者通过以上手段构建预计算的表。在 Client 也引入了一个 nonce。这样，每次都不同的 cnonce 防止了预计算表的生成。