彩虹表攻击：工作原理与防御方法

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彩虹表攻击的定义与目的

当用户创建密码时，系统会将其转换为哈希：一种固定长度的字符串，看起来与原始（明文）密码完全不同。对密码进行哈希有助于保持其安全性，因为不存在用于根据哈希值反推出明文密码的反向算法。

在网络安全中，彩虹表攻击利用了哈希的另一个核心特性：对给定用户密码而言，哈希算法总会生成相同的哈希值。因此，恶意攻击者可以先整理常用密码清单，并计算这些密码的哈希值来生成彩虹表。接着，如果他们能够获取到公司存储的哈希密码数据库，就可以直接在自己的彩虹表中查找每一个哈希值。一旦找到匹配项，他们就会立即知道对应的明文密码。与直接破解密码相比，这种方法所需的时间和计算资源要少得多。

理解哈希及其在安全中的作用

什么是哈希（Hashing）？

哈希（Hashing）是通过数学算法将输入数据（例如明文密码）转换为固定长度的字符字符串的过程。它通常用于保护密码、数字签名以及其他敏感信息。

哈希函数（Hash Functions）如何工作

哈希函数会把不论长度的输入数据，转换为唯一且固定长度的输出字符串。这个数字指纹看起来与原始数据完全无关。即使对输入做出最小的改动，也会在生成的哈希值中产生显著的差异。然而，相同的输入永远会得到相同的哈希。

为什么哈希（Hashing）会受到彩虹表攻击的威胁

旧版（legacy）哈希算法特别容易受到彩虹表攻击（rainbow attacks）的影响，因为它们生成的哈希值更容易被预测。本文后面我们将讨论降低风险的有效策略，包括通过使用诸如加盐（salting）之类的技术来降低彩虹表的有效性，以及采用多因素身份验证来阻止那些确实设法发现明文密码的攻击者。

彩虹表密码攻击如何运作

彩虹表的生成与结构

彩虹表（rainbow tables）是大型数据库，其中包含明文密码与其对应哈希值的成对数据。预先计算好彩虹表后，就可以相当容易地确定明文密码：

1. 攻击者从被入侵的系统中获取密码哈希数据库。
2. 攻击者运行一个程序，尝试将每个哈希值与他们的彩虹表进行匹配。
3. 如果没有找到指定的哈希值，程序会应用约简函数并再次搜索。该过程会一直重复，直到找到匹配项为止。
4. 随后便会检索出原始密码。

暴力破解攻击与字典攻击的区别

在暴力破解攻击中，攻击者会通过简单地猜测大量可能的用户名/密码组合来尝试登录系统。字典攻击是暴力破解的一种特定类型，它使用字典中的单词作为候选密码。这类攻击相对容易实施，而且不依赖于所使用的哈希技术。然而，防御者相对容易发现这类攻击，许多组织会遵循最佳实践：在达到一定次数的失败登录尝试后锁定账户，以阻止暴力破解攻击。

另一方面，彩虹表攻击涉及窃取一份已进行哈希处理的密码数据库，并尝试将其中的哈希值与常见密码哈希的表进行匹配。一个关键优势是：一旦密码数据库被窃取，防御者就无法在受害者网络中检测到任何可观察的活动。不过，彩虹表的生成需要时间，并且需要占用大量存储空间。

请注意，这些攻击在针对弱口令和常见密码时效果最好，因为攻击者的关注点正是这些密码——无论他们是执行暴力破解，还是生成彩虹表。

彩虹表攻击的示例

彩虹表攻击并不新鲜。其更著名的事件之一发生在2012年：攻击者从 LinkedIn 窃取了密码哈希，导致 650 万名用户账户凭证遭到泄露，并在之后发布到俄罗斯的密码论坛上。

以下是一些假设性的攻击场景：

• 黑客会使用网络嗅探工具拦截在托管电子商务平台的服务器之间传输的不安全密码哈希。借助彩虹表，他们对明文密码进行解码，并用这些密码访问客户账户、窃取其个人信息。
• 攻击者利用安全性较差的 Web 应用程序窃取密码哈希，而这些哈希是使用过时的哈希算法生成的。他们借助彩虹表对所有密码进行解密，并进入企业网络。

将彩虹表攻击与其他密码破解方法进行对比

彩虹表 vs 字典攻击

彩虹表 vs. 暴力破解攻击

彩虹表攻击的独特特征

• 生成彩虹表需要大量的前期计算资源和时间投入。
• 彩虹表针对特定的哈希算法（例如 MD5、SHA-1）。
• 针对现代的加盐（salt）技术，彩虹表攻击的效果较差。
• 彩虹表不适用于实时的密码破解尝试。

彩虹表攻击的主要动机与常见目标

攻击者为何使用彩虹表

攻击者之所以仍在继续使用彩虹表，一个关键原因是：许多组织仍然拥有对彩虹表高度脆弱的遗留系统。此外，这种攻击方法能够比暴力破解更快地揭示明文密码。

构建彩虹表虽然需要相当多的时间和精力，但只要使用的是相同的哈希算法，这些表就可以用于对不同系统发起多次攻击。这样一来，从长期来看，这种一次性投入就非常具备成本效益。此外，一旦揭示出明文密码，就可以在针对其他流行 Web 平台和服务的凭据填充（credential stuffing）攻击中加以利用。

容易受到彩虹表攻击影响的系统与场景

如果组织具备以下任意情况，就会最容易受到彩虹表攻击的威胁：

• 仍在使用过时且强度较弱的哈希算法（如 MD5 或 SHA-1），但未进行加盐（salting）的旧式应用程序
• 具有较弱的 密码策略的系统，允许使用默认、常见或容易预测的密码；这些密码更有可能被包含在预先计算好的彩虹表中
• 允许用户频繁重复使用密码的平台，例如电子邮件和社交媒体
• 未采用分段式密码存储且具有较弱防护措施的数据库
• Active Directory 使用过时 NTLM 哈希算法的账户

彩虹表攻击的风险与后果

彩虹表攻击可能带来灾难性的后果。 一旦攻击者手中掌握了明文密码，他们就可以利用这些密码在网络中站稳脚跟，并通过横向移动来提取机密数据、部署勒索软件以及扰乱运营。全面影响可能包括：

• 网站和其他关键系统发生停机，导致客户沮丧并造成收入损失
• 昂贵的取证调查和系统恢复
• 对组织声誉与品牌形象造成的长期损害，以及客户信任度的侵蚀
• 针对数据被泄露的用户开展公关活动的成本，以及信用监测和其他服务费用
• 受泄露影响的个人提起法律诉讼所产生的费用
• 未遵守数据保护法规（如 GDPR、CCPA 或 HIPAA）所面临的严厉处罚

防范彩虹表攻击

密码加盐（Password Salting）：工作原理及其重要性

防御彩虹表（rainbow table）攻击最有效的方法之一是使用密码加盐（password salting）。该做法是在对每个密码进行哈希之前，先为每个密码添加一个唯一且随机的字符串（称为“salt”，即盐）。由于每个密码都会获得不同的 salt，即使两个用户选择了相同的密码，它们的哈希值也会不同——从而使彩虹表无法构建。

例如，假设某位用户选择了 password123 作为他们的密码。（注意：这只是示例；良好的密码工具会阻止使用该密码。）系统会为其添加一个 salt：A1B2C3 ，然后对由此得到的字符串（password123A1B2C3）进行哈希。

然后另一位用户选择了相同的密码：password123 。系统会添加一个不同的 salt：Q7T4M9 ，并对由此得到的字符串（password123Q7T4M9）进行哈希——因此，即使明文密码相同，也会得到完全不同的哈希值。

使用安全的哈希算法

现代哈希算法会引入计算复杂性，从而需要更多资源和时间才能破解。诸如 bcrypt、Argon2 和 scrypt 之类的哈希算法会使攻击者难以预先计算哈希表，或运行并行化的暴力破解攻击。

定期更新哈希算法和其他安全协议

哈希算法和其他安全协议一直在不断改进。为降低风险，请尽快切换到最新选项。在升级哈希算法之后，请记得在下一次用户登录或更改密码时，对所有已存储的密码进行重新哈希（rehash）。

针对基于密码的攻击构建全面防御

以下最佳实践将有助于防御不仅是彩虹表攻击，还有其他类型的密码攻击。

实施强密码策略

要求使用强密码会提高在所有攻击向量中破解密码的难度。较长且独特的密码即使不进行加盐（salting），也能降低哈希发生重叠的可能性；同时，这类密码不太可能出现在用于暴力破解攻击的列表中。

遵循当前的密码最佳实践，例如 NIST 关于密码长度和复杂度的建议。采用密码管理器将让用户更容易遵守你的策略，并为每个账户创建强壮且唯一的密码。

使用多因素认证（MFA）

MFA 要求用户在访问账户时提供两种或以上形式的验证方式。通常是传统的用户名/密码组合，再加上一次性验证码、安全密钥或指纹等生物识别数据。

启用 MFA 后，即使攻击者通过彩虹表或猜测方式设法获取用户的明文密码，也会被拦截，因为他们无法提供第二个身份验证因素。

遵循服务器和网络安全最佳实践

更广泛地说，减少所暴露系统的攻击面非常重要。关键的最佳实践包括：

• 严格限制对服务器和敏感数据的访问
• 建立严格的补丁管理流程，以更新系统并修复漏洞
• 使用加密来保护静态数据和传输中的数据
• 使用网络分段来防止攻击者或恶意软件扩散到更敏感的区域
• 定期开展安全审计和渗透测试

Netwrix 如何提供帮助

可视性和控制对于保障您的数字环境至关重要，而 Netwrix 在这两方面都提供了先进的能力。 Netwrix solutions 使组织能够主动减少攻击面，从云端到数据中心持续监控基础设施中的活动，并针对潜在威胁获取实时告警，从而实现高效的调查与及时响应。

尤其是 Netwrix solutions 可以通过以下方式大幅降低您因基于密码的攻击所面临的风险：

• 保护您的密码数据库，并监控其周围的活动
• 用“just-in-time access（按需即时访问）”替换高度特权凭据
• 启用强密码策略，并提供密码管理器，让用户更轻松地遵守这些策略
• 监控暴力破解（brute force）攻击的迹象，并自动将其关闭
• 为正常用户行为建立基线，并在可能表明账号已被泄露的异常情况时发出警报

常见问题

什么是彩虹表攻击？

彩虹表攻击是一种用于破解哈希密码的技术。攻击者一旦获得了哈希后的密码，就会尝试将这些被盗的哈希与彩虹表中的条目进行匹配；彩虹表会把常见的明文密码映射到对应的哈希值。该方法比暴力破解更快，但只对使用未加盐哈希或弱哈希算法的系统有效

暴力破解攻击与彩虹表攻击有什么区别？

在暴力破解（brute force）攻击中，黑客会系统性地尝试可能的用户名/密码组合，以实时登录到目标系统。在彩虹表（rainbow table）攻击中，对手在离线环境下工作，尝试将窃取到的密码哈希与一张表进行匹配；该表列出了常见明文密码的预计算哈希值。

如何防范彩虹表（rainbow table）攻击？

您可以采取多种有效措施来防范彩虹表（rainbow table）攻击：

• 使用密码盐（password salting）为每个密码在哈希之前添加独一无二的随机数据。
• 实现强健的哈希算法。
• 使用密码策略来要求使用强密码。
• 考虑使用无密码认证，以彻底消除基于密码的攻击风险。

针对彩虹表攻击，最佳的防御措施是什么？

防御彩虹表攻击的最佳方法是使用带盐（salt）的哈希。盐是一个唯一且随机的值，会在对密码进行哈希之前添加进去，从而使预先计算的表失效。

同样重要的是迁移到计算量较大的现代哈希算法，采用强密码策略，并实施多因素认证（MFA）。

什么是一个虹彩表（rainbow table）的示例？

虹彩表（rainbow table）会使用特定的哈希算法，将常见的明文密码映射到其对应的哈希值。例如，一个表可能包含以下几行：

虹彩表（rainbow table）攻击是如何工作的？

虹彩表攻击依赖于这样一个事实：基本的哈希算法会对给定的输入字符串始终生成相同的哈希值。这使得攻击者能够构建一个虹彩表，列出常见的明文密码及其对应的哈希值。当他们获得哈希后的密码时，只需在虹彩表中查找即可。如果找到匹配项，就会揭示对应的明文密码。

请注意，这类攻击只对未加盐（unsalted）的哈希或使用过时哈希算法的系统有效。

字典攻击（dictionary attack）与彩虹表攻击（rainbow table attack）有什么区别？

彩虹表攻击与字典攻击的区别可以概括如下：在字典攻击中，黑客会系统性地尝试使用字典中常见的单词和短语列表进行身份验证。这种方式相对容易实现，并且只需要很少的存储空间。

在彩虹表攻击中，攻击者会窃取密码哈希，然后查看这些哈希是否出现在他们事先计算好的彩虹表中。彩虹表会列出常见的明文密码及其对应的哈希值。该方法需要花费相当多的准备时间，但能在实时处理尽可能少的情况下实现快速密码恢复。彩虹表主要用于对泄露的密码数据库进行离线攻击。