得物技术浅谈MySQL 8.0:新的身份验证插件(caching_sha2_password)

得物技术
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从 MySQL 8.0.4 开始,默认身份验证插件从 mysql_native_password 更改为 caching_sha2_password。相应地,现在的 libmysqlclient 将使用 caching_sha2_password 作为默认的验证机制。

为什么这样做呢?

MySQL 5.6/5.7 的默认密码插件一直以来都是 mysql_native_password。其优点是它支持 challenge-response 机制,这是非常快的验证机制,无需在网络中发送实际密码,并且不需要加密的连接。然而,mysql_native_password 依赖于 SHA1 算法,但 NIST(美国国家标准与技术研究院)已建议停止使用 SHA1 算法,因为 SHA1 和其他哈希算法(例如 MD5)已被证明非常容易破解。

此外,由于 mysql_native_password 在 mysql.user 表中 authentication_string 字段存储的是两次哈希 SHA1(SHA1(password)) 计算的值 ,也就是说如果两个用户帐户使用相同的密码,那么经过 mysql_native_password 转换后在 mysql.user 表得到的哈希值相同。尽管有 hash 值也无法得到实际密码信息,但它仍然告诉这两个用户使用了相同的密码。为了避免这种情况,应该给密码加盐(salt),salt 基本上是被用作输入,用于转换用户密码的加密散列函数。由于 salt 是随机的,即使两个用户使用相同的密码,转换后的最终结果将发生较大的变化。

从 MySQL 5.6 开始支持 sha256_password 认证插件。它使用一个加盐密码(salted password)进行多轮 SHA256 哈希(数千轮哈希,暴力破解更难),以确保哈希值转换更安全。然而,它需要要么在安全连接或密码使用 RSA 秘钥对加密。所以,虽然密码的安全性更强,但安全连接和多轮 hash 转换需要在认证过程中的时间更长。

为了克服这些限制,从 MySQL 8.0.3 开始,引入了一个新的身份验证插件 caching_sha2_password。从 MySQL 8.0.4 开始,此插件成为 MySQL 服务器的新默认身份验证插件。caching_sha2_password 尝试一个两全其美的结合,既解决安全性问题又解决性能问题。

首先,是 caching_sha2_password 对用户密码的处理,其实主要是 sha256_password 的机制:

  • 使用 SHA2 算法来转换密码。具体来说,它使用 SHA256 算法。
  • 保存在 authentication_string 列中的哈希值为加盐后的值,由于盐是一个 20-byte 的随机数,即使两个用户使用相同的密码,转换后的最终结果也将完全不同。
  • 为了使使用暴力破解机制更难以猜测密码,在将最终转换存储在 mysql.user 表中之前,对密码和盐进行了 5000 轮 SHA2 散列。

为了实现加盐机制,列 authentication_string 需保存保存盐值,因此 authentication_string 值的长度变为了 70 个字节:

mysql> select user, host, authentication_string, length(authentication_string), plugin from mysql.user limit 1;
+------+------+------------------------------------------------------------------------+-------------------------------+-----------------------+
| user | host | authentication_string                                                  | length(authentication_string) | plugin                |
+------+------+------------------------------------------------------------------------+-------------------------------+-----------------------+
| root | %    | $A$005$1%h5f1OdZ0'46}M[uz5Di5wW2WWg8eeLWynsg2h3xnzHwQLmm39bEqLBxB0   |                            70 | caching_sha2_password |
+------+------+------------------------------------------------------------------------+-------------------------------+-----------------------+
1 row in set (0.00 sec)

新 caching_sha2_password 认证机制下,authentication_string 中的字节,例如上面的字符串$A$005$1%h5f1OdZ0'46}M[uz5Di5wW2WWg8eeLWynsg2h3xnzHwQLmm39bEqLBxB0,其中分别保存如下内容:

内容字节数说明
哈希算法2字节目前仅为 $A,表示 SHA256 算法
哈希轮转次数4字节目前仅为 $005,表示 5*1000=5000 次
盐(salt)21字节用于解决相同密码相同哈希值问题
哈希值43字节

从 MySQL 8.0.24 开始,提供了 caching_sha2_password_digest_rounds 系统变量,默认值和最小值是 5000,最大值 4095000;用于 caching_sha2_password 认证插件密码存储的哈希轮转次数。

其次,caching_sha2_password 是在服务器端通过缓存解决性能问题。caching_sha2_password 插件使用内存缓存来为曾经连接过的客户端进行快速验证。内存缓存条目由username/SHA256(SHA256(user_password))对组成。缓存的工作原理是这样的:

  1. 当客户端连接,caching_sha2_password 检查 username/SHA256(SHA256(user_password)) 是否匹配了缓存条目。如果匹配,验证成功。
  2. 如果没有匹配的缓存条目,插件会继续与客户端交换数据包,尝试使用 mysql.user 系统表的凭证验证客户端。如果成功,caching_sha2_password 增加对客户端的散列条目。否则,认证失败,连接被拒绝。

这样,当客户端第一次连接,使用 mysql.user 系统表的凭据进行认证。当客户端连接之后,使用缓存进行快速认证。

对于大多数的连接尝试,当内存缓存中存在于的密码哈希的副本时,它采用了基于 SHA256 的 challenge-response 机制认证客户端(mysql_native_password 是基于 SHA1 的 challenge-response 机制)。这样会更快,并且允许通过未加密的通道进行安全认证。

下面总结基于 challenge-response 的认证模式(也称之为 Fast authentication 模式):

  1. 客户端连接服务端
  2. 服务端给客户端发送 Nonce(20 字节长的随机数据)
  3. 客户端使用 XOR(SHA256(password), SHA256(SHA256(SHA256(password)), nonce)) 生成 Scramble 发送给服务端
  4. 服务端检查 username/SHA256(SHA256(user_password)) 是否在内存缓存条目中存在,存在则证明合法;发送 fast_auth_success 包到客户端
  5. 服务端发送 OK 包到客户端
  6. 进入命令阶段

Note

在信息安全中,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(salt),以避免暴力攻击。

由于 caching_sha2_password 插件在使用缓存的情况下可以快速认证,但在以下情况下是无效的,对于某些或所有用户:

  • 当用户的密码被更改时,用户缓存的密码哈希值都被从内存中删除。密码可以通过 ALTER USER/SET PASSWORD/GRANT 改变。
  • 当用户被删除时,或证书、或认证插件改变;用户缓存的密码哈希值都被从内存中删除。
  • 当用户使用 RENAME USER 重命名时,用户缓存的密码哈希值都被从内存中删除。
  • 当执行 FLUSH PRIVILEGES 时,所有缓存的密码哈希值都被从内存中删除,影响所有用户。\
    服务器关闭时会清空缓存。

在缓存失效的情况下会影响后续的客户端连接验证要求。caching_sha2_password 需要用户第一客户端连接必须使用安全连接(TCP 连接使用 TLS、Unix 套接字文件、或共享内存)或使用 RSA 加密密码进行交换。

考虑到用户的密码变化和 FLUSH PRIVILEGES 是不经常执行的操作,所以在大多数情况下,基于 challenge-response 认证就足够了。下面总结了基于完整认证模式(perform_full_authentication)的机制(也称之为 Complete authentication 模式)。

  1. 客户端连接服务端
  2. 服务端给客户端发送 Nonce(20 字节长的随机数据)
  3. 客户端使用 XOR(SHA256(password), SHA256(SHA256(SHA256(password)), nonce)) 生成 Scramble 发送给服务端
  4. 服务端检查 username/SHA256(SHA256(user_password)) 是否在内存缓存条目中存在,不存在则发送 perform_full_authentication 包到客户端继续认证
  5. 客户端收到 perform_full_authentication 包,可以进行如下处理
  6. 如果连接已经建立基于 SSL 的安全通道,则可以直接发送明文密码到服务端\
    向服务端发起获取公钥的请求(或者指定服务端公钥文件),使用公钥+Nonce加密密码,发送加密后的密码到服务端\
    服务器通过 SHA256 算法计算得到哈希值,判断是否用户认证通过,通过则发送 OK 包到客户端\
    进入命令阶段

总结来说 caching_sha2_password 插件工作机制分为两个阶段,Complete authentication 和 Fast authentication。各自认证机制上面已经阐述了。更加详细的过程,以及服务端和客户端状态的转换,官方在源码文档里面提供有一张图和说明可以参考,地址在文末。

改变了什么呢?

在 MySQL 8.0.4 之后创建的所有新用户将默认使用 caching_sha2_password 作为他们的身份验证插件。

mysql> CREATE USER 'sha2user'@'localhost' IDENTIFIED BY '42';
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

mysql> SHOW CREATE USER 'arthurdent'@'localhost'\G
CREATE USER for sha2user@localhost: CREATE USER 'sha2user'@'localhost' IDENTIFIED WITH 'caching_sha2_password' AS '$Afnka//BGe\d3h\n<:MTEFNZ3U40FRyPrdT5V14x526MHPENmY5Tn0RbjwA16' REQUIRE NONE PASSWORD EXPIRE DEFAULT ACCOUNT UNLOCK PASSWORD HISTORY DEFAULT PASSWORD REUSE INTERVAL DEFAULT
1 row in set (0.01 sec)

libmysqlclient 使用 caching_sha2_password 作为默认选择连接到 MySQL 服务器。请注意,这只是在默认值的变化,libmysqlclient 能够支持所有现有的身份验证插件。 MySQL 的 server-client 协议会负责切换每个用户的帐户所需要的认证插件。

如果你不想使用默认的 caching_sha2_password 插件,也可以使用一些其他的插件创建帐户,你必须明确指定插件。例如,使用 mysql_native_password 插件,使用此语句:

CREATE USER 'nativeuser'@'localhost'
IDENTIFIED WITH mysql_native_password BY 'password';

caching_sha2_password 支持安全连接传输,如果你按照下面给出的 RSA 配置过程,它同样也支持在未加密的连接上使用 RSA 加密密码进行交换。RSA 支持以下特性:

  • 在服务器端,两个系统变量命名 RSA 私钥和公钥对的文件:caching_sha2_password_private_key_path 和 caching_sha2_password_public_key_path。如果想改变其默认值,则必须在服务器启动时设置变量。
  • 服务器使用 auto_generate_certs、sha256_password_auto_generate_rsa_keys 和 caching_sha2_password_auto_generate_rsa_keys 系统变量,以确定是否自动生成 RSA 密钥对文件。这些变量默认情况下启用。他们可以在服务器启动时启用和检查,但不是在运行时设置。详情参见“Creating SSL and RSA Certificates and Keys”
  • 状态变量 Caching_sha2_password_rsa_public_key 显示由 caching_sha2_password 认证插件使用的 RSA 公钥值。
  • 客户端持有 RSA 公钥时可以在连接过程中执行与服务器 RSA 密钥对进行密码交换,如后所述。
  • 对于使用 caching_sha2_password 和 RSA 密钥进行身份验证的帐户的连接,服务器默认是不会发送 RSA 公钥给客户端。客户端可以使用所需的公钥的副本,或从服务端发起请求公钥。需要说明的是,本地使用受信任的公钥的副本,使得客户端能够避免在 client/server 协议的往返,比从服务器请求的公钥更安全。在另一方面,从服务器请求公钥更方便(它不需要在客户端管理文件),在安全的网络环境是可以接受的。

对于使用 caching_sha2_password 插件的客户端,连接到服务器时,密码不会暴露为明文。密码传输是如何进行的取决于是否使用安全连接或 RSA 对密码加密:

  • 如果连接是安全的,RSA 密钥对是不必要的。这适用于使用 TLS 加密的 TCP 连接,以及 Unix 套接字文件和共享内存连接。密码以明文格式发送,但不能被窃听,因为连接是安全的。
  • 如果连接不是安全的,使用了 RSA 密钥对。这适用于未使用 TLS 加密的 TCP 连接和 named-pipe 连接。RSA 仅用于客户端和服务器之间的密码交换,防止密码被截取。当服务器接收到使用公钥加密的密码后,它使用私钥解密。一个随机字符串用在加密中,防止重放攻击(repeat attacks)。

要让客户端在连接过程中能够使用 RSA 密钥对进行密码交换,请使用以下步骤(MySQL 8.0.3 以上版本默认自动完成):

  1. 创建 RSA 私钥和公钥对文件
  2. 如果私钥和公钥文件都位于数据目录中,名为 private_key.pem 和 public_key.pem(是 caching_sha2_password_private_key_path 和 caching_sha2_password_public_key_path 系统变量的默认值),服务器在启动时自动使用它们。否则需要在配置文件中指定私钥和公钥文件的位置。
  3. 重新启动服务器后,检查 Caching_sha2_password_rsa_public_key 状态变量的值。该值将与这里所示的不同,但应非空:
mysql> SHOW STATUS LIKE 'Caching_sha2_password_rsa_public_key'\G
Variable_name: Caching_sha2_password_rsa_public_key
Value: -----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDO9nRUDd+KvSZgY7cNBZMNpwX6
MvE1PbJFXO7u18nJ9lwc99Du/E7lw6CVXw7VKrXPeHbVQUzGyUNkf45Nz/ckaaJa
aLgJOBCIDmNVnyU54OT/1lcs2xiyfaDMe8fCJ64ZwTnKbY2gkt1IMjUAB5Ogd5kJ
g8aV7EtKwyhHb0c30QIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

如果该值为空,检查错误日志中的诊断信息。

服务器已经配置了 RSA 密钥文件之后,用户在使用 caching_sha2_password 插件进行身份验证,这些密钥文件连接到服务器的选项。如前面提到的,这时候用户可以使用安全连接(在这种情况下不使用 RSA)或者在未加密的连接下使用 RSA 执行密码交换。假设使用未加密的连接时,例如:

shell> mysql --ssl-mode=DISABLED -u sha2user -p
Enter password: password

尝试通过 sha2user 用户连接,服务器确认 caching_sha2_password 认证插件对 sha2user 是合适的并调用它。插件查找到该连接未被加密,因此需要使用 RSA 加密被发送的密码。但是,服务端不会发送公钥给客户端,由于客户端没有提供公钥,所以它不能加密密码,连接失败:

ERROR 2061 (HY000): Authentication plugin 'caching_sha2_password'
reported error: Authentication requires secure connection.

为了从服务器请求的 RSA 公共密钥,指定--get-server-public-key选项:

shell> mysql --ssl-mode=DISABLED -u sha2user -p --get-server-public-key
Enter password: password

在这种情况下,服务器发送的 RSA 公钥给客户端,客户端使用它来加密密码,并将结果返回到服务器。该插件使用服务器端的 RSA 私钥来解密密码,并根据密码是否正确来决定接受或拒绝连接。

另外,如果客户端具有服务器所需的 RSA 公钥文件,可以使用--server-public-key-path选项指定文件:

shell> mysql --ssl-mode=DISABLED -u sha2user -p --server-public-key-path=file_name
Enter password: password

在这种情况下,客户端使用公钥来加密密码并将结果返回到服务器。该插件使用服务器端的 RSA 私钥来解密密码,并根据密码是否正确来决定接受或拒绝连接。

由--server-public-key-path选项指定的文件中的公钥值应该与caching_sha2_password_public_key_path系统变量命名的服务器端文件的键值相同。如果密钥文件包含一个有效的公钥值,但该值不正确,会出现拒绝访问错误。但如果密钥文件不包含一个有效的公钥值,客户端程序不能使用它(这是因为客户端做过公钥正确性校验)。

客户端用户可以得到 RSA 公钥的两种方式:

  • 数据库管理员可以提供公钥文件的副本。
  • 可以连接到服务器的客户端用户,可以使用SHOW STATUS LIKE "Caching_sha2_password_rsa_public_key"语句返回公钥值,并保存在一个文件中。

对复制的影响?

复制本身是支持加密的连接。在 MySQL 8.0.4,复制也进行了 RSA 密钥对的支持。

  • CHANGE MASTER 现在支持了两个参数来启用基于 caching_sha2_password RSA 密钥来交换密码

    • MASTER_PUBLIC_KEY_PATH ="key_file_path",指定 RSA 公钥路径
    • GET_MASTER_PUBLIC_KEY = {0 | 1},从服务端获取 RSA 公钥
  • Group Replication 现在支持了两个参数来启用基于 caching_sha2_password RSA 密钥来交换密码

    • ––group-replication-recovery-public-key-path,指定 RSA 公钥路径
    • ––group-replication-recovery-get-public-key,从服务端获取 RSA 公钥

Note

如果复制通道是安全的,那么自然也就不需要使用 RSA 公钥来交换密码。

<参考>

https://mp.weixin.qq.com/s/He...

https://mp.weixin.qq.com/s/jf...

https://dev.mysql.com/doc/ref...

https://dev.mysql.com/doc/dev...

https://mysqlserverteam.com/m...

文/东青

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