Rfc2898DeriveBytes + PBKDF2 + SecureString 是否可以使用安全字符串而不是字符串？答案

【问题标题】：Rfc2898DeriveBytes + PBKDF2 + SecureString is it possible to use a secure string instead of a string?Rfc2898DeriveBytes + PBKDF2 + SecureString 是否可以使用安全字符串而不是字符串？
【发布时间】：2012-04-01 19:20:27
【问题描述】：

我有一个函数GetPassword，它返回一个SecureString 类型。

当我将此安全字符串传递给 Rfc2898DeriveBytes 以生成密钥时，Visual Studio 显示错误。我有限的知识告诉我这是因为Rfc2898DeriveBytes 只接受一个字符串而不接受一个安全字符串。有解决办法吗？

//read the password from terminal
Console.Write("Insert password");
securePwd = myCryptography.GetPassword();

//dont know why the salt is initialized like this
byte[] salt = new byte[] { 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0xF1, 0xF0, 0xEE, 0x21, 0x22, 0x45 };
 try
 {   //PBKDF2 standard 
     Rfc2898DeriveBytes key = new Rfc2898DeriveBytes(securePwd, salt, iterationsPwd);

【问题讨论】：

...哦，你，我不知道为什么盐是这样的：D
我现在在做什么，是我使用securePwd.ToString 问题是它使使用secureString的整个过程毫无价值：D
就是，以//read the password from terminal开头的
ToString() 返回SecureString的内容？你确定吗？文档不是这么说的。

标签： c# cryptography securestring pbkdf2

【解决方案1】：

我发现有趣的是 Rfc2898DeriveBytes 类不支持 SecureString 重载来传递用于派生密钥的密码。

WPF 允许使用PasswordBox 控件将密码作为SecureString 对象处理。由于我们无法将SecureString 传递给构造函数，因此失去了该控件提供的附加安全性，这似乎是一种浪费。然而，erickson 提出了使用byte[] 而不是string 重载的优点，因为在内存中正确管理byte[] 的内容比string 更容易.

以 erickson 的 建议为灵感，我想出了以下包装器，该包装器应该允许使用受 SecureString 保护的密码值，而内存中的明文值暴露最少。

private byte[] DeriveKey(SecureString password, byte[] salt, int iterations, int keyByteLength)
{
    IntPtr ptr = Marshal.SecureStringToBSTR(password);
    byte[] passwordByteArray = null;
    try
    {
        int length = Marshal.ReadInt32(ptr, -4);
        passwordByteArray = new byte[length];
        GCHandle handle = GCHandle.Alloc(passwordByteArray, GCHandleType.Pinned);
        try
        {
            for (int i = 0; i < length; i++)
            {
                passwordByteArray[i] = Marshal.ReadByte(ptr, i);
            }

            using (var rfc2898 = new Rfc2898DeriveBytes(passwordByteArray, salt, iterations))
            {
                return rfc2898.GetBytes(keyByteLength);
            }
        }
        finally
        {
            Array.Clear(passwordByteArray, 0, passwordByteArray.Length);  
            handle.Free();
        }
    }
    finally
    {
        Marshal.ZeroFreeBSTR(ptr);
    }
}

这种方法利用了BSTR 是一个指针，该指针指向具有四字节长度前缀的数据字符串的第一个字符。

要点：

通过将Rfc2898DeriveBytes 包装在 using 语句中，可确保以确定的方式处理它。这很重要，因为它有一个内部 HMACSHA1 对象，它是一个 KeyedHashAlgorithm，并且需要在调用 Dispose 时将其拥有的密钥（密码）的副本清零。详情请参阅Reference Source。
一旦我们完成了BSTR，我们会将其归零并通过ZeroFreeBSTR 释放它。
最后，我们将密码副本归零（清除）。
更新：添加了byte[] 的固定。正如 answer 的 cmets 中所讨论的，如果 byte[] 未固定，那么垃圾收集器可以在收集期间重新定位对象，我们将无法将原始副本归零。

这应该将明文密码保留在内存中的时间最短，并且不会过多地削弱使用SecureString 的收益。虽然，如果攻击者可以访问 RAM，您可能会遇到更大的问题。另一点是我们只能管理我们自己的密码副本，我们使用的 API 很可能管理不善（不是清零/清除）他们的副本。据我所知，Rfc2898DeriveBytes 的情况并非如此，尽管他们的byte[] 密钥（密码）副本没有被固定，因此如果在归零之前在堆中移动数组的痕迹可能会残留出去。这里的信息是代码看起来很安全，但问题可能隐藏在下面。

如果有人在此实现中发现任何严重漏洞，请告诉我。

【讨论】：

这正是我希望找到的，而且我相信这是最安全的。在我的简短研究中，我相信你已经涵盖了每一点。因为Rfc2898DeriveBytes 的实现没有固定byte[]，如果垃圾收集器重新定位它，内存可能会在更长的时间内可用，从而暴露攻击向量。但是，我们知道如果攻击者可以访问 RAM，这是我们最不关心的问题。您的解决方案将未固定敏感数据的外观限制为 API 的行为。
我想知道我们是否可以直接返回rfc2898，同时仍然清除passwordByteArray。然后，您可以在 DeriveKey 函数调用上使用 using。似乎你可以从Rfc2898DeriveBytes uses HMAC 开始执行此操作，它会创建一个.Clone() of your byte array。
它也是clears the array on disposal calling the base method。阵列虽然没有固定。通过返回DeriveKey，您可以根据需要生成任意数量的字节。我在powershell中测试了返回rfc2898，它似乎工作。使用固定盐更改密码会提供不同的密钥，这意味着密码被克隆并且不会被归零。

【解决方案2】：

显然，您可以违反SecureString 和expose its internal state via the Marshal.SecureStringToBSTR() function. 提供的保护

与其从结果中创建String，不如将内容复制到Byte[] 以传递给Rfc2898DeriveBytes。创建String 可以防止您破坏密码信息，使其无限期地挂在堆中，或被分页到磁盘，这反过来又增加了攻击者找到它的机会。相反，您应该在使用完密码后立即销毁密码，方法是用零填充数组。出于同样的原因，您还应该在将BSTR 的每个元素复制到Byte[] 时为其分配一个零。

应该为每个散列密码随机选择盐，而不是一个固定的、可预测的值，否则可能会发生预先计算的字典攻击。您应该迭代数万次以防止暴力攻击。

【讨论】：

谢谢，但我需要在一台机器上用密码加密文件，然后在另一台机器上用相同的密码解密。因此我认为盐必须相同，否则第二台机器将无法解密它。我说的对吗？
我选择另一个作为答案，因为它更“正式”，但我真的很感谢你的棘手建议
@NoobTom 是的，当然两台机器上的盐必须相同。当使用密码散列进行身份验证时，应存储散列、盐和迭代次数，以便在出现密码时重新计算散列，以查看新散列是否与存储的散列匹配。永远不要使用硬编码的哈希进行密码验证。
注意：这也取决于 API 负责管理和归零它自己的潜在密钥副本。查看Reference Source：只要密码字节数组为64 字节或更少，那么Rfc2898DeriveBytes 对象内部的HMACSHA1 对象就有它自己的密码字节数组的克隆副本。值得庆幸的是，HMACSHA1 是一个 KeyedHashAlgorithm，它在对 Dispose 的调用中提供了它的密钥副本的归零。
我还要补充一点，固定byte[] 也很重要。如果byte[] 没有固定，那么 GC 可以在收集期间重新定位它，让我们无法将原始数组归零。

【解决方案3】：

在进行了一些研究并查看了 stackoverflow 上提到 SecureString 的先前答案之后，该答案几乎肯定是：“否”。只有 API 的创建者可以接受SecureString 并在内部正确处理它。他们只能在平台的帮助下做到这一点。

如果您 - 作为用户 - 可以检索纯文本 String，那么您首先会否定使用 SecureString 的大部分优势。这甚至会有点危险，因为您会创建看起来安全的代码，实际上根本不安全（编辑：至少在保护内存数据方面不是）。

【讨论】：