Unix/BSD/Linux的口令机制初探

1.概述

早期U N I X系统把用户口令保存在一个纯文本可读的“口令文件”中，这可能在系统管理员注意不到的情况下被截取并暴露。它也可能在一次偶然事件中泄露。
从AT&T UNIX版本6开始，Thompson 等决定采用一个不同的方式： U N I X口令采用以美国军方M - 2 0 9密码机为模型的基于旋转的算法来进行编码。这种快速算法被证明对穷尽纯文本搜索有弱点并被AT&T UNIX版本7中出现的更先进的crypt ( )库代替。
现在Unix/Linux将口令以不可读的方式保存在机器中。系统使用名为cryptographic hash的算法将口令转换成文本字符串。这个串即称为散列或者散列值。使用的算法可以有多种，但它们都是不可逆的，也就是说不能从散列值中恢复出原始口令。不同的系统，所使用的密码文件以及加密算法都可能不同。管理、维护好这些密码文件是保证系统安全的首要任务。(未特别说明，本文所有命令均在csh下以root身份运行。)

2.加密算法简介

2.1---crypt()简介---key 和 salt

在Unix/Linux下存在多种散列算法。可以通过库函数crypt()调用这些系统支持的算法。crypt()有key和salt两个参数，并返回相应的散列值。salt亦即我们常说的“盐”，它只是简单的字符串，它的长度取决于所使用的算法，不同的散列算法它有不同的取值范围。所以，即使是相同的算法，相同的原始口令，使用不同的salt，也会得到不同的加密口令。salt的目的也就是为了加大口令破解的难度，当我们使用passwd命令来修改密码时，它会随机选择一个salt. s a l t使得使用预编译字典对加密口令进行攻击变得更困难。代替为字典中每个单词做一次单独加密，攻击者现在不得不对字典中每个单词的4 0 9 6种排列进行加密和储存。在2 0年前，s a l t是作为本质上的资源障碍引入的，但现在1 2位s a l t不再被认为是一种有效的防御方法。
crypt()可以在C程序中直接调用，甚至可以用perl直接调用，(详细信息请man 3 crypt),如下例：
%perl -e 'print crypt("mypass","s1"),"\n"'
s1tROevFyi.yQ

%perl -e 'print crypt("mypass","s2"),"\n"'
s2JQ85JElCMeU

以上两例中s1、s2分别为salt 值，可以看到，相同的口令（上例中为mypass）使用不同的salt将得到不同的散列值。以上两例使用的都是DES算法，加密后的散列值将salt值作为其前缀。

2.2DES算法

由美国政府和IBM研制。所有的Linux版本和几乎所有的Unix系统都支持DES.DES实际上为一个加密算法，但是crypt(3）将之做为散列算法。普通的DES算法容许的原始口令长度为8个字符，多余的口令也接受，但是多余部分会被系统自动摒弃。但有些系统（例如HP-UX)使用DES的多次迭代来解决此问题,这样就可以使用任意长度的密码。但是使用DES加密后的口令为13个字符长。

2.3MD5算法

它是真正的散列算法。允许无限长的口令。它使用的salt空间也别DES算法大得多，所以两口令相同的可能性更小。它也通过调用crypt(3)函数实现。MD5算法使用的 salt必须以$1$开头，并以$结尾。且salt长度为8个字符。例如要用abcdef为salt 散列mypass，那么如下：
%perl -e 'print crypt("mypass","\$1\$abcdef\$"),"\n"'
$1$abcdef$nRHvewzGzJoYskdQAIEQr

注：上例中的"\n"均为转义字符。salt值为$1$abcdef$,原始密码为mypass,散列值为：$1$abcdef$nRHvewzGzJoYskdQAIEQr
MD5算法得到的散列值为31个字符长，并且都以$1$开头。

2.4其他算法：

BSDI风格的DES和Blowfish使用也比较广泛，本文将在后面会有讨论。

2.5 BSD使用的加密机制：

各种D E S很长一段时间内一直是U N I X口令加密的主要算法，但还有其他算法可以代替D E S。现代B S D系统提供了一些其他算法的应用范例。缺省情况下， FreeBSD默认使用MD5加密机制，因为MD5没有出口限制，同时也更安全于DES。DES仍然可用，只不过DES存在的目的仅仅是为了和其他 UNIX系统所用的密码的向后兼容性。并且使用DES的系统也能鉴别出MD5，因为MD5所用的Hash也在DES中被使用。

O p e n B S D走得更远。其开发小组在加拿大，这样就不受美国的出口限制。O p e n B S D可以被配置成使用传统的UNIX crypt () 、比如“扩充加密”、M D 5或B l o w f i s h。M D 5由Ronald L.Rivest开发，它在RFC 1321中描述。F r e e B S D和O p e n B S D中基于M D 5的crypt ( ) 产生的口令条目包含版本号、s a l t和哈希口令，彼此之间用“ $”符号分隔。一个M D 5口令看起来如下：
$ 1 $ c a e i H Q w X $ h s K q O j r F R R N 6 K 3 2 O W K C B f 1

这里“$ 1”指明M D 5，“c a e i H Q w X”是s a l t。

B l o w f i s h由Bruce Schneier在1 9 9 3年开发，是D E S的一个快速、压缩、简单且免费的替代品]。虽然S c h n e i e r指出B l o w f i s h不适合产生单向哈希，但O p e n B S D就为这个目的使用它。B l o w f i s h版的crypt ( )使用1 2 8位s a l t，足够使最坚定的破坏者泄气。用所有可能的s a l t值进行预编译的字典将十分昂贵。其最大口令长度为7 2个字符。B l o w f i s h算法是一个由p i的十六进制数字组成的固定字符串进行初始化的。初始化的B l o w f i s h状态由s a l t和口令进行扩展，该过程重复一定的次数（该数值也被编入口令串中）。最后的B l o w f i s h口令条目是使用B l o w f i s h状态对字符串“ O r p h e a n B e h o l d e r S c r y D o u b t”加密6 4次而得到的。
加密的口令条目包含B l o w f i s h版本号、算法重复次数以及s a l t和哈希口令的连结—每个之间由“ $”字符隔开。一个编码“ 8”将声明2 5 6次循环。一个有效的B l o w f i s h口令看起来如下：
$2a$12$eIAq8PR8sIUnJlHaohxX209x9O1m2vk97LJ5dsXdmB.eXF42qjchC

在这个例子中，初始的扩展进行4 0 9 6次。给出了很大的重复次数和长的口令， B l o w f i s h加密的口令比其他基于传统D E S机制加密的口令更难被攻击。给出由这些算法改进所提供的额外安全措施后，它被应用在其他U N I X系统中只是一个时间问题了。

2.6----如何得知你的系统使用的加密算法

方法可以有很多，本人简单列举几个：

方法（1）你可以通过查看 libcrypt[._*]链接到/usr/lib下的哪些库文件来得知你的系统密码所使用的加密算法。如果链接到libcrypt*库，那么使用的为MD5,如果为libdescrypt*，就应该为DES了。具体操作如下：
%cd /usr/lib
%ls　-l　libcrypt[._]*
lrwxr-xr-x　　1　root　　wheel　　　　　　　11　Jun　　9　06:18　/usr/lib/libcrypt.a@　->
libscrypt.a
lrwxr-xr-x　　1　root　　wheel　　　　　　　12　Jun　　9　06:19　/usr/lib/libcrypt.so@　->
libscrypt.so
lrwxr-xr-x　　1　root　　wheel　　　　　　　14　Jun　　9　06:21　/usr/lib/libcrypt.so.2@　->
libscrypt.so.2
lrwxr-xr-x　　1　root　　wheel　　　　　　　13　Jun　　9　06:22　/usr/lib/libcrypt_p.a@　->
libscrypt_p.a
%

注意：在FreeBSD4.4中，从FreeBSD 4.4开始就完全由login.conf来控制所使用的加密算法，并且默认已经设置为MD5,要改为DES,只须将其中:password_format段的md5替换成des。任何使修改生效，本文后面有详细的说明。

附：我们强烈建议用户尽可能的使用MD5库而非DES.所以往往也很有必要将一些安装了DES加密算法的系统的DES库转换成MD5库，操作也很简单，只须先删除libcrypt[._*]链接，然后将它们重新链接到相应到md5库。（即以s代替des）:

Links DES MD5
----- --- ---

libcrypt.a libdescrypt.a libscrypt.a
libcrypt.so libdescrypt.so libscrypt.so
libcrypt.so.2 libdescrypt.so.2 libscrypt.so.2
libcrypt_p.a libdescrypt_p.a libscrypt_p.a

方法（2）查看/etc/login.conf中的password_format段。其值md5,des,blf分别对应MD5,DES和blowfish.
方法（3）查看密码文件/etc/passwd或者/etc/shadow(BSD 下相应为/etc/master.passwd),根据密码特征得知使用的加密算法。例如以$1$开头的为MD5,以$2$开头的为 blowfish.DES没有明显的特征，但它的密码段相对较短，且均为字母，没有$之类的字符，也很容易辨别！

3.密码文件

3.1概述：

正如大家所熟悉的，Unix下都存在一个/etc/passwd文件以存放用户的密码文件，但是在不同的Unix，Linux，BSD 中它们所起的作用也不尽相同。某些Unix和Linux还使用shadow文件，但FreeBSD中相应的却为/etc/master.passwd文件。下面将对这些文件进行详细说明。

3.2/etc/passwd文件

传统的Unix中均使用该文件来存放用户密码。该文件以加密的方式保存口令，其中的口令必须通过passwd口令来生成（如果使用NIS，相应的为ypasswd）,或者从另一账号中复制过来。
P a s s w d文件中的每个条目看起来如下：
n a m e : c o d e d - p a s s w d : U I D : G I D : u s e r - i n f o : h o m e - d i r e c t o r y : s h e l l
7个域中的每一个由冒号隔开。空格是不允许的，除非在u s e r- i n f o域中使用。下面总结了
每个域的含义：

①name—给用户分配的用户名，这不是私有信息。
② c o d e d - p a s s w d—经过加密的用户口令。如果一个系统管理员需要阻止一个用户登录，则经常用一个星号（ : * :）代替。该域通常不手工编辑。用户应该使用p a s s w d命令修改他们的口令。值得注意的一点是许多最近的U N I X 产品依赖“影子口令” — 不在/ e t c / p a s s w d中保存的口令。
③ UID—用户的唯一标识号。习惯上，小于1 0 0的U I D是为系统帐号保留的。
④ G I D—用户所属的基本分组。通常它将决定用户创建文件的分组拥有权。在Red Hat L i n u x中，每个用户帐号被缺省赋予一个唯一分组。
⑤ u s e r- i n f o—习惯上它包括用户的全名。邮件系统和f i n g e r这样的工具习惯使用该域中的信息。该域也被称作G E C O S域。
⑥ home-directory—该域指明用户的起始目录，它是用户登录进入后的初始工作目录。
⑦ s h e l l—该域指明用户登录进入后执行的命令解释器所在的路径。有好几种流行的S h e l l，包括Bourne Shell (/bin/sh)，C Shell (/bin/csh)，Korn Shell (/bin/ksh)和Bash Shell( / b i n / b a s h )。注意可以为用户在该域中赋一个/ b i n / f a l s e值，这将阻止用户登录。

注意：当编辑/etc/passwd文件来建立一个新账号时，应在密码字段放一个"*"，（一些伪用户，例如daemon也如此）以避免用户未经权而使用该账号。直到你为此新建账号设置了真实密码。

3.2/etc/shadow文件

传统上，/ e t c / p a s s w d文件在很大范围内是可读的，因为许多程序需要用它来把U I D转换为用户名。例如，如果不能访问/ e t c / p a s s w d，那么ls -l命令将显示数字U I D而不是用户名。不幸的是，使用口令猜测程序，具有加密口令的可读/ e t c / p a s s w d文件表现出巨大的安全危险。多数近来的U N I X产品支持一个变通方法：影子口令文件。影子口令系统把口令文件分成两部分： / e t c / p a s s w d和影子口令文件。影子口令文件保存加密的口令；/ e t c / p a s s w d中的c o d e d - p a s s w o r d域都被置为“X”或其他替代符号。影子口令文件只能被r o o t或像p a s s w d这样的s e t _ u i d程序在需要合法访问时读取，其他所有非授权用户都被拒绝访问。习惯上，影子口令文件保存在/ e t c / s h a d o w中，尽管有些系统使用可选的路径和文件名。例如B S D系统把加密的口令保存在/ e t c / m a s t e r. p a s s w d。

/etc/shadow剖析
/ e t c / s h a d o w文件包含用户名和加密口令以及下面一些域：
(1) 上一次修改口令的日期，以从1 9 7 0年1月1日开始的天数表示。
(2) 口令在两次修改间的最小天数。口令在建立后必须更改的天数。
(3)口令更改之前向用户发出警告的天数。
(4)口令终止后帐号被禁用的天数。
(5)自从1 9 7 0年1月1日起帐号被禁用的天数。
(6)保留域。
下面是一个Red Hat Linux系统中/ e t c / s h a d o w文件的例子：
root:mGqwuvdF41bc:10612:0:99999:7:::
bin:*:10612:0:99999:7:::
daemon*:10612:0:99999:7:::
adm:*:10612:0:99999:7:::
lp*:10612:0:99999:7:::
sync:*:10612:0:99999:7:::
shutdown:*:10612:0:99999:7:::
halt:*:10612:0:99999:7:::
mail:*:10612:0:99999:7:::
news:*:10612:0:99999:7:::
uucp:*:10612:0:99999:7:::
operator:*:10612:0:99999:7:::
freebird:sdfaBh45ZiQn1llfa:10612:0:99999:7:::

缺省情况下，口令更新并不开启。于是没有口令更改前的最小天数，也没有口令必须更改的日期。口令在99 999天内必须更换的声明几乎无用，因为从现在起几乎还有2 5 0年。在口令终止前7天警告用户的声明也没用，除非选择使用口令更新。在本例中没有声明，还可以在口令终止和帐号禁用之间设置一个时间段。

在可选影子口令功能的系统中，用一条相对简单的命令设置并更新影子口令文件：p w c o n v。该命令在影子口令文件不存在的情况下创建一个新的。如果已存在一个影子文件，p w c o n v把/ e t c / p a s s w d中的新用户添加到/ e t c / s h a d o w中，把/ e t c / p a s s w d中没有的用户从影子文件中删去，并把口令从/ e t c / p a s s w d移到影子文件中。在Red Hat Linux中，p w c o n v把新的/ e t c / p a s s w d文件写到一个名为n p a s s w d的文件中，把新影子文件写到n s h a d o w中。这些新文件需要手工进行重命名或拷贝。用户可以用p w u n c o n v命令返回到不使用影子文件的情况下，它把影子文件中的信息合并回传统的口令文件中。

提示：早期的L i n u x不支持影子口令。
注意：在solaris下，必须使用隐蔽口令文件，在Linux下，如果用户安装了shadow软件也可以使用。

3.2/etc/master.passwd

在BSD下，实际的口令文件是/etc/master.passwd.,这里的密码都是简单的文本数据库，每个用户占一行，行中字段用":"隔开。 /etc/master.passwd权限为0600，而/etc/passwd为0644，这就意味着任何人都人存取/etc/passwd.但只有 root才能读取/etc/master.passwd.
在BSD中，/etc/master.passwd是/etc/passwd的超集，它直接生成/etc/passwd文件。所以在BSD中 /etc/passwd文件总是不需要直接进行编辑。一旦运行vipw,passwd,chfn,chsh或者chpass这些命令,也是对 /etc/master.passwd进行修改。并且修改后会自动生成/etc/passwd.(一同生成的还有由pwd_mkdb工具生成的 /etc/master.passwd的散列表形式。)
平面文件数据库(/etc/passwd,/etc/master.passwd)都只对少量用户合适，用户一多，查找速度就慢。因此在BSD 下相应的还有两个数据库格式的散列表/etc/pwd.db和/etc/spwd.db,其权限也和上面两文件对应。每次运行chfn,passwd等命令后,pwd_mkdb都会自动修改这两个文件。

提示：若希望根据另一个FreeBSD重新构件用户列表或者从另一个FreeBSD机器移植一个用户列表，只须简单的把新的master.passwd(比如master.passwd.new)文件置于/etc/下（或/ 下），然后运行如下命令（注意先备份）：
%cp /etc/master.passwd /etc/master.passwd.bak
%pwd_mkdb -p /etc/master.passwd.new

这样/etc/master.passwd文件将被覆盖，其他三个文件也得以重建。（-p即为生成新的/etc/passwd）

注意：/etc/master.passw文件和shadow文件形式和功能都相同，但是和/etc/master.passwd不同的是,Linux下（或其他系统）使用的/etc/shadow文件并非/etc/passwd文件的超集。/etc/passwd文件也并非由/etc/shadow文件产生，需要手工维护这两个文件。

4.BSD下使用“密码过期机制”
“密码过期”意即超过规定的时间密码无效，用户必须在此之前修改密码。要实现此功能，需要修改/etc/login.conf文件，在default段中加入passwordtime=90d(或者2y,6w,24h之类的)如：
default:\
　　　　:password_format=md5:\
　　　　:copyright=/etc/COPYRIGHT:\
　　　　:welcome=/etc/motd:\
　　　　:passwordtime=24h:\

因为/etc/login.conf数据库必须编译成一个散列表，所以必须运行cap_mkdb程序，以生成此散列表，然后才能使修改生效。如下操作：
%cap_mkdb /etc/login.conf

这样，若24小时内未修改密码，登陆时将提示输入新的密码。

注意：在设置passwordtime属性时，passwd会在/etc/master.passwd的第六字段写入最后一次修改密码的时间。
/etc/login.conf在密码及其他设置方面还有很多值得使用的地方，不妨man 看看。

后记

本文只简要的说明了一下Unix/Linux特别是BSD的口令机制，要也因本人水平，不能在此文深入的论述此问题。关于密码的安全性，以及密码破解和任何使用更安全的加密机制等问题，本人会在以后撰文论述。

参考资料：
man 5 passwd
man 3 crypt
man md5
man des
man login.conf
DES-to-MD5-(mini)HOWTO
《Hacking Linux Exposed》
《Unix System Administrator Handbook》

作者简介：
Freebird,姓名：匡萃彪。CNFUG核心成员。Unix/Linux/BSD的狂热追随者，熟悉BSD,Linux， Solaris，C，Shell。主要研究方向：各种服务器架设、系统和网络安全、内核源码分析以及英文文档翻译。欢迎您通过 与本人联系。