【探索】无形验证码 —— PoW 算力验证

先来思考一个问题：如何写一个能消耗对方时间的程序？

消耗时间还不简单，休眠一下就可以了：

Sleep(1000)

这确实消耗了时间，但并没有消耗 CPU。如果对方开了变速齿轮，这瞬间就能完成。

不过要消耗 CPU 也不难，写一个大循环就可以了：

for i = 0 to 1000000000
end

但这和 Sleep 并无本质区别。对方究竟有没有运行，我们从何得知？

所以，我们需要一个返回结果 —— 只有完整运行才有正确答案。

result = 0
for i = 0 to 1000000000
	result = result + i
end
return result

通过返回结果，我们就能校验，对方是否完整运行了我们的程序。

不过上面这个问题，毕竟还是 too simple。小学生都知道，用数列公式就可以直接算出结果，根本不用花时间去跑循环。

有什么函数，是无法用公式推测的？也就是说，必须老老实实运行函数，才能得出结果。而找不到一种更快的算法，也能算出相同的结果。

显然「单向散列函数」就是。例如，一个经典的问题：

MD5(X) == X

就无法用公式来解决了。要找出答案，只能一个个试过去，需要大量的时间。

但对于验证者，是非常轻松的 —— 只需将收到的答案，计算一次就可判断对错。

Hashcash

当然，上面的那个例子太困难了，一时间根本找不到答案。但可以做一些改进，例如只要求结果前几位是 0 就可以：

Hash(X) == "0000......"

这样 0 的数量越少，满足条件的 X 就越容易找到。

同时，为了防止答案重复使用，还可以再增加一个盐值：

Hash(X, Salt) == "0000......"

盐可以由验证者提供，这样就可以充当一个「问题」。符合条件的 X，则可以当做问题的「答案」，提交给验证者鉴定。

这就是所谓的 PoW（Proof-of-Work），一种鉴定对方是否投入计算工作的机制。并且只需花费少量的资源，即可鉴定大量的工作。

使用散列函数实现的 PoW，就叫做 Hashcash。现实中比特币使用了类似的原理，它使用了 SHA-256 作为散列函数。有权威的密码学算法作为保障，因此只能暴力穷举，而无法使用投机取巧的方法获得结果，保障了挖矿工作的价值。

传统应用

当然，Hashcash 早不是新鲜事，很久以前就用在反垃圾邮件中。

例如，用户写完邮件时，客户端将「收件地址 + 邮件内容」作为 Salt，然后计算符合条件的答案：

Hash(X, Salt) == "000000..."

最后将找到的 X 附加在邮件中并发送。

服务端收到后，即可鉴定发送这封邮件，是否花费了计算工作。

对于正常用户来说，额外的几秒计算并不影响使用；但对于制造垃圾邮件的人，就大幅增加了成本。

传统的限制策略，大多通过 IP、账号，攻击者可以用大量的马甲和代理，来绕过这些限制；而使用了 PoW，就把瓶颈限制在硬件上 —— 计算有多快，操作才能多快。

Web 应用

同样，Hashcash 也能用于 Web。例如论坛，增加机器发帖的计算成本。

在发帖时，计算：

Hash(X, 帖子内容) == "000000..."

提交时，带上额外的参数 X。

后端即可判断，用户发这条帖子，是否付出了计算工作。

Web 改进

然而，网页不同于客户端。

例如写邮件的例子：

邮件写完后，客户端可以隐藏在后台自动计算，然后再发送。但网页就大不相同了。如果发帖时，网页卡上好几秒，将大幅降低用户体验。

因此，不能像邮件那样，拿「帖子内容」、「标题」等这些用户输入的内容来计算。而是选择一个始终固定的参数。

例如，可以参考传统验证码的方式：

# 后端 - 生成随机问题
ques = rand()
session["pow_ques"] = ques

echo(ques)

在页面初始化时，后端生成一个随机数，并下发到前端。

前端使用这个随机数作为盐值 —— 这样页面打开时，就可以开始计算了。

# 前端 - 挖矿
while Hash(X, ques) != "000000..."
	X = X + 1
end

我们选择一个适中的难度，例如 10 秒。通过多线程，还可以更快的完成计算任务，同时不影响用户体验。

正常情况下，用户发帖前已完成计算。提交时，将答案 X 带上。

如果提交时答案还未算出，则等待计算完成。。。（发帖太快，有灌水嫌疑）

# 前端 - 提交
wait X
submit(..., X)

# 后端 - 校验
if hash(X, session["pow_ques"]) == "000000..."
	ok
else
	fail
end

这样，一个「测试机器算力」的验证码实现了。

目前也有不少 hashcash 的实际应用。例如 WordPress 的 hashcash 插件。甚至还有第三方的验证服务 hashcash.io。

Web 性能

当然在 Web 中使用，性能也是一大问题。如果 10 秒的脚本计算，用本地程序只需 1 秒，那攻击者就可以使用本地版的外挂了。

好在如今有 asm.js，可接近原生性能，让用户的劳动不至于贬值；对于较老的浏览器，也可以使用 Flash 作后补。在上一篇文章 0x08 节中已详细讲解。

如果算力实在不够，也可以使用后备方案 —— 传统图形验证码。

这样，高性能用户可享受更好的体验，低性能用户也能保障基本功能。

这也算是鼓励大家使用现代浏览器吧：）

Hashcash 缺陷

不过，语言上的性能差距还是有限的，外挂不会纠结于此，而是使用更强力的武器 —— GPU。

Hashcash 的本质就是跑 hash，这是 GPU 最擅长的。例如著名的 oclHashcat，和 CPU 完全不在一个数量级。

对抗硬件的并行计算，大致有如下方案和思路：

硬件瓶颈
移植难度
CPU 算法
以暴制暴
自创加密
串行模式

前 3 个在上一篇文章 0x09 节提到了，下面讨论一些不同的。

以暴制暴

如果我们也能在 Web 中调用显卡计算，那 GPU 版的外挂就毫无优势了。

不过，这个想法似乎有些遥远。尽管目前主流浏览器都支持 WebGL，但都只局限于渲染加速上，并未提供通用计算接口。

当然，也可以通过一些 hack 的方式，例如曾有人尝试用 WebGL 挖比特币，但效率并不高。

如果未来 WebCL 成为标准，或许还能考虑。

自创加密

不要自创加密算法 —— 这似乎是一条真理。

在账号安全里，这固然正确。但在对抗的场合下，就未必如此了。

经典的加密算法固然权威，但研究的人也多，破解的工具也多。

自创的算法，虽然在密码学上很弱，但可以把逻辑实现的很长很复杂，并且加以混淆，就可以在「隐蔽性」上占优势了。

这样，要将其移植到 GPU 上，就困难了。

同时还可以制作模板，定期变幻代码。在攻击者破解之前，逻辑又变化了。

在对抗中，随机应变的弱算法，显然比一成不变的强算法更好。

串行模式

Hashcash 的原理，决定了它是可以并行计算的。有什么样的算法，是无法并行计算的？

如果每次计算都依赖上次结果，就无法并行了。例如 slowhash：

function slowhash(x)
	for i = 0 to 1000000000
		x = hash(x)
	end
	return x
end

这种串行的计算，自然是无法拆分的。

但这能用到 PoW 上吗？显然不行！

因为 PoW 虽然计算困难，但得 容易鉴定。而这种方式，鉴定时也得重复算一遍，成本太大了。

但发挥一下想象：如果能够设计得当，这还是可以尝试的 —— 我们可以使用 UGC 的模式，让用户来贡献算力！

首先，需要一个访问量较大的网站，在其中悄悄放置一个脚本：

# 隐蔽的脚本
Q = rand()
A = slowhash(Q)

submit(Q, A)

我们利用在线的用户，来生成问题和答案！！

当然，这项工作必须足够隐蔽，防止被好奇的用户发现，提交错误的答案。

当后端题库有一定的积累时，就可以使用验证码的模式了。

用户访问时，后端从题库中抽取一个问题，安排给前端计算：

# 后端 - 分配问题
Q = select_key_from_db()
session["pow_ques"] = Q

# 前端 - 计算问题
A = slowhash(Q)

用户提交时，后端无需任何计算，直接通过查表，判断答案是否正确：

# 前端 - 提交
submit(..., A)

# 后端 - 鉴定
Q = session["pow_ques"]
if A == db[Q]
	ok
else
	fail
end

使用预先计算的方式，避免了耗时的鉴定工作。同时，把让用户来出题，可大幅节省硬件成本。

回顾之前的 hashcash，因为散列结果是不确定的，题解时间有一定的随机性。

但 slowhash 这种方式，只是重复执行散列函数 N 次，所以解题的时间更固定。

演示

出于简单，这里演示一个 hashcash-md5 版的：

https://github.com/EtherDream/proof-of-work-hashcash

如果想看算力速度，可以查看这里：

看起来好像不慢，不过对比 GPU 的速度就相形见绌了。

所以 hashcash 如果使用经典算法，简直就是不堪一击的。或许自己写的「隐蔽式加密」算法，反而更能对抗一些。

至于 slowhash 那种串行模式的 PoW，涉及到较多策略和数据积累，本文就不演示了，下回再讨论。

（2017/03/01 补充）现在 WebGL2 出来了，着色器支持整数以及位运算，因此非常适合 PoW 计算：

Demo：https://www.etherdream.com/FunnyScript/glminer/glminer.html

用我的笔记本核显，每秒都能计算 2700 万次 SHA256 算法。换成好点的显卡例如泰坦，每秒可以 5 亿以上的 hash 计算~ （注意 SHA256 比 MD5 慢多了）

总结

最后来对比下，算力验证和传统图形验证的区别。

	验证方式	验证对象	用户体验	拦截假人	实际意义
传统验证	图像识别	人脑	有交互	部分拦截	杜绝假人
算力验证	问题解答	电脑	无感知	无法拦截	减少滥用

论效果，当然还是传统验证码更好；论体验，计算对于用户是透明的，无需任何交互。

简单来说，传统验证码是防止机器「不能使用」；而 PoW 防止的则是「不能滥用」。

当然上述提到发帖那个案例，并不恰当。即使用上 PoW，限制每 5 秒发一帖，那么一分钟仍有 12 贴 —— 这速度显然还是有点太快。更适合 PoW 的场合，应该类似找回密码、或者接收短信等功能，比较容易在短时间内被大量滥用，用于增加攻击者刷接口的成本。

posted @ 2015-12-29 16:49 EtherDream 阅读(9051) 评论(18) 编辑收藏举报

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