极客大学架构师训练营 系统安全架构 系统稳定高可用 PBKDF2加密算法 第11次作业

1. 导致系统不可用的原因有哪些？保障系统稳定高可用的方案有哪些？请分别列举并简述。

引起故障的原因

  • 硬件故障
  • 软件 bug
  • 系统发布
  • 并发压力
  • 网络攻击
  • 外部灾害

解决方案如下：

解耦

  • 高内聚、低耦合的组件设计原则
  • 面向对象基本设计原则
  • 面向对象设计模式
  • 领域驱动设计建模

隔离

  • 业务与子系统隔离
  • 微服务与中台架构
  • 生产者消费者隔离
  • 虚拟机与容器隔离

异步

  • 多线程编程
  • 反应式编程
  • 异步通信网络编程
  • 事件驱动异步架构

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备份

  • 集群设计
  • 数据库复制：CAP原理
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    任何情况下都不能只用一台服务器提供服务，任何服务都要提供2个以上的服务器。
    都要考虑当一台服务器不可用的时候，其它服务器可以替代使用。架构师在系统架构设计的时候，都要考虑这种异常情况。

Failover （失效转移）

  • 数据库主主失效转移。
  • 负责均衡失效转移。

如何确认失效，需要转移？

设计无状态的服务。

幂等

应用调用服务失败后，会将调用请求重新发送到其它服务器，但是这个失败可能是虚假的失败。比如服务以及处理成功，但是因为网络故障应用没有收到响应，这时应用重新提交请求就导致服务重复调用，如果这个服务是一个转账操作，就会产生严重的后果。

服务重复调用有时候是无法避免的，必须保证服务重复调用和调用一次产生的结果相同，即服务具有幂等性。有些服务天然具有幂等性，比如将用户性别设置为女性，不管设置多少次，结果都一样。但是对于交易等操作，问题就会比较复杂，需要通过交易编号等信息进行服务调用有效性校验，只有有效的操作才继续执行。

事务补偿

  • 传统事务的 ACID：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation，又称独立性）、持久性（Durability）。
  • 分布式事务的 BASE：基本可用（Basic Availability）、软状态（Soft-State）、最终一致性（Eventual Consistency）。

事务补偿：通过执行业务逻辑逆操作，使事务回滚到事务前状态。

重试

远程服务可能会由于线程阻塞、垃圾回收或者网络抖动，而无法及时返还响应，调用者可以通过重试的方式修复单词调用的故障。

  • 上游调用者超时时间要大于下游调用者超时时间之和。

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熔断

当某个服务出现故障，响应延迟或者失败率增加，继续调用这个服务会导致调用者请求阻塞，资源消耗增加，进而出现服务级联失效，这种情况下使用断路器阻断对故障服务的调用。

  • 断路器三种状态：关闭，打开，半开。
  • Spring Cloud 断路器实现：Hystrix

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限流

在高并发场景下，如果系统的访问量超过了系统的承受能力，可以通过限流对系统进行保护。限流是指对系统的用户请求进行流量限制，如果访问量超过了系统的最大处理能力，就会丢弃一部分的用户请求，保证整个系统可用，保证大部分用户是可以访问系统的。这样虽然有一部分用户的请求被丢弃，产生了部分不可用，但还是好过整个系统崩溃，所有的用户都不可用要好。

限流的几种方法：

  • 计数器算法（固定窗口，滑动窗口）
  • 令牌桶算法
  • 漏桶算法

降级

有一些系统功能是非核心的，但是它也给系统产生了非常大的压力，比如说在电商系统中又确认收货这个功能，即便我们不去确认收货，系统也会超时自动确认收货。

但是实际上确认收货这个操作是一个非常重的操作，因为它会对数据库产生很大的压力：它要进行更改订单状态，完成支付确认，并进行评价等一系列操作。如果在系统高并发的时候去完成这些操作，那么会对系统雪上加霜，使系统的处理能力更加恶化。

解决办法就是在系统高并发的时候，比如说像淘宝双11 的时候，当前可能整天系统都处于一种极限的高并发访问压力之下，这时候就可以将确认收货、评价这些非核心的功能关闭，将宝贵的系统资源留下来，给正在购物的人，让他们去完成交易。

异地多活

如果整个数据中心都不可用，比如说数据中心所在城市遭遇了地震，机房遭遇了火灾或者停电，这样的话，不管我们的设计和系统多么的高可用，系统依然是不可用的。

为了解决这个问题，同时也为了提高系统的处理能力和改善用户体验，很多大型互联网应用都采用了异地多活的多机房机构策略，也就是说数据中心分布在多个不同地点的机房里，这些机房都可以对外提供服务，用户可以连接任何一个机房进行访问，这样每个机房都可以提供完整的系统服务，即使某一个机房不可使用，机房也不会宕机，依然保持可用。

异地多活的难点是数据一致。

2. 请用你熟悉的编程语言写一个用户密码验证函数，Boolean checkPW（String 用户 ID，String 密码明文，String 密码密文）返回密码是否正确 boolean 值，密码加密算法使用你认为合适的加密算法。

在基于哈希加密的帐号系统中，用户注册和认证的大致流程如下。

  1. 用户创建自己的帐号。
  2. 密码经过哈希加密后存储在数据库中。密码一旦写入到磁盘，任何时候都不允许是明文形式。
  3. 当用户试图登录时，系统从数据库取出已经加密的密码，和经过哈希加密的用户输入的密码进行对比。
  4. 如果哈希值相同，用户将被授予访问权限。否则，告知用户他们输入的登陆凭据无效。
  5. 每当有人试图尝试登陆，就重复步骤 3 和 4。

在步骤 4 中，永远不要告诉用户输错的究竟是用户名还是密码。就像通用的提示那样，始终显示：“无效的用户名或密码。”就行了。这样可以防止攻击者在不知道密码的情况下枚举出有效的用户名。

应当注意的是，用来保护密码的哈希函数，和数据结构课学到的哈希函数是不同的。例如，实现哈希表的哈希函数设计目的是快速查找，而非安全性。只有加密哈希函数（ cryptographic hash function）才可以用来进行密码哈希加密。像 SHA256 、 SHA512 、 RIPEMD 和 WHIRLPOOL 都是加密哈希函数。

人们很容易认为，Web 开发人员所做的就是：只需通过执行加密哈希函数就可以让用户密码得以安全。然而并不是这样。有很多方法可以从简单的哈希值中快速恢复出明文的密码。有几种易于实施的技术，使这些“破解”的效率大为降低。网上有这种专门破解 MD5 的网站，只需提交一个哈希值，不到一秒钟就能得到破解的结果。显然，单纯的对密码进行哈希加密远远达不到我们的安全要求。下一节将讨论一些用来破解简单密码哈希常用的手段。

有些黑客创建一个网站，用户注册的时候把密码的明文和密文都收集起来。把别的网站的密文密码拖库了以后，直接拿之前的对照表，就可以反向查询到明文。

解决方案：加盐，密码加某些特定的字符，或者用户id等。

PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function Version 2 ）算法，该算法原理大致相当于在HASH算法基础上增加随机盐，并进行多次HASH运算，随机盐使得彩虹表的建表难度大幅增加，而多次HASH也使得建表和破解的难度都大幅增加。使用PBKDF2算法时，HASH算法一般选用sha1或者sha256，随机盐的长度一般不能少于8字节，HASH次数至少也要1000次，这样安全性才足够高。
一次密码验证过程进行1000次HASH运算，对服务器来说可能只需要1ms，但对于破解者来说计算成本增加了1000倍，而至少8字节随机盐，更是把建表难度提升了N个数量级，使得大批量的破解密码几乎不可行，该算法也是美国国家标准与技术研究院推荐使用的算法。
在这里插入图片描述

package pwd;import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
import java.math.BigInteger;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;public class PBKDF2 {public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {String originalPassword = "password";String encryptedPassword = generateStorngPasswordHash(originalPassword);System.out.println(encryptedPassword);String originalPassword2 = "123456";System.out.println("origin pwd: " + originalPassword + "  ; result > " + checkPW("userId", originalPassword, encryptedPassword));System.out.println("origin pwd: " + originalPassword2 + "  ; result > " + checkPW("userId", originalPassword2, encryptedPassword));//Output://1000:14cc179bf6c2b8acb3daaca45b9d2f75:2e81f5220266cdddd13f98c458ae6388abe563a63244d0e4c8d0738a2bfa0fd2bfcfcbffab9cf2ec596c64d3f1db7468b95785f5adb21ed5580972fd87f2e854//origin pwd: password  ; result > true//origin pwd: 123456  ; result > false}public static Boolean checkPW(String userId, String originalPassword, String encryptedPassword)  throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {return validatePassword(originalPassword, encryptedPassword);}private static boolean validatePassword(String originalPassword, String storedPassword) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {String[] parts = storedPassword.split(":");int iterations = Integer.parseInt(parts[0]);byte[] salt = fromHex(parts[1]);byte[] hash = fromHex(parts[2]);PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(originalPassword.toCharArray(), salt, iterations, hash.length * 8);SecretKeyFactory skf = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");byte[] testHash = skf.generateSecret(spec).getEncoded();int diff = hash.length ^ testHash.length;for(int i = 0; i < hash.length && i < testHash.length; i++) {diff |= hash[i] ^ testHash[i];}return diff == 0;}private static byte[] fromHex(String hex) throws NoSuchAlgorithmException {byte[] bytes = new byte[hex.length() / 2];for(int i = 0; i<bytes.length ;i++) {bytes[i] = (byte)Integer.parseInt(hex.substring(2 * i, 2 * i + 2), 16);}return bytes;}private static String generateStorngPasswordHash(String password) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {int iterations = 1000;char[] chars = password.toCharArray();byte[] salt = getSalt();PBEKeySpec spec = new PBEKeySpec(chars, salt, iterations, 64*8);SecretKeyFactory skf = SecretKeyFactory.getInstance("PBKDF2WithHmacSHA1");byte[] hash = skf.generateSecret(spec).getEncoded();return iterations + ":" + toHex(salt) + ":" + toHex(hash);}private static byte[] getSalt() throws NoSuchAlgorithmException {SecureRandom sr = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");byte[] salt = new byte[16];sr.nextBytes(salt);return salt;}private static String toHex(byte[] array) throws NoSuchAlgorithmException {BigInteger bi = new BigInteger(1, array);String hex = bi.toString(16);int paddingLength = (array.length * 2) - hex.length();if (paddingLength > 0) {return String.format("%0" + paddingLength + "d", 0) + hex;}return hex;}
}

参考

https://www.infoq.cn/article/how-to-encrypt-the-user-password-correctly

https://cloud.tencent.com/developer/article/1186925

https://blog.csdn.net/qq_37939251/article/details/83153941

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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平