第一部分：PBKDF2基礎概念

1. 什么是PBKDF2？

PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2）是一種密鑰派生函數，由RSA實驗室的RSA公共密鑰加密標準（PKCS）系列中的第5號文檔《基于密碼的加密標準》（PKCS#5 v2.0）定義，并已成為Internet工程任務組（IETF）的RFC 2898標準。

簡單來說，PBKDF2是一種用于將用戶密碼安全地轉換為加密密鑰或散列值的算法，它專門設計用來抵抗暴力破解和字典攻擊。

2. 為什么需要PBKDF2？

在現代應用程序中，我們不應該以明文形式存儲用戶密碼，而應該存儲密碼的散列值。傳統的散列函數（如MD5或SHA-1）存在一些問題：

1. 速度太快：現代硬件可以快速計算這些散列值，使暴力破解成為可能
2. 缺乏鹽值（salt）：相同的輸入總是產生相同的輸出，這使預計算攻擊（彩虹表）成為可能
3. 并行計算：攻擊者可以使用GPU并行計算多個散列值

PBKDF2解決了這些問題：

• 它引入了計算成本因子（迭代次數），使計算過程變慢
• 它使用隨機鹽值，確保即使相同的密碼也會生成不同的散列值
• 它是順序計算的，難以并行化，這降低了GPU加速攻擊的效率

3. PBKDF2的工作原理

詳細步驟解析：

1. 輸入收集：獲取用戶密碼和隨機生成的鹽值
2. 偽隨機函數選擇：通常使用HMAC-SHA1、HMAC-SHA256或HMAC-SHA512
3. 應用PBKDF2函數：
   • 將密碼和鹽值作為輸入
   • 指定迭代次數（通常為至少10,000次，現代系統建議100,000次以上）
   • 指定所需的輸出長度（通常為256位或512位）
4. 輸出：生成最終的密鑰或散列值

數學上，PBKDF2可表示為：

DK = PBKDF2(PRF, Password, Salt, c, dkLen)

其中：

• DK：派生密鑰
• PRF：偽隨機函數（如HMAC-SHA256）
• Password：用戶密碼
• Salt：隨機鹽值
• c：迭代次數
• dkLen：派生密鑰的長度

4. PBKDF2與其他密碼散列函數的比較

函數	優點	缺點	安全性
MD5/SHA	速度快	無鹽值，計算成本低	極低
PBKDF2	有鹽值，可調整迭代次數	可以GPU并行化（相對Bcrypt和Argon2而言）	中高
Bcrypt	有鹽值，內置成本因子，抗GPU攻擊	內存需求固定，輸出長度固定為192位	高
Argon2	可調整時間、內存、并行度，2015年密碼散列競賽冠軍	相對較新，庫支持不如PBKDF2廣泛	非常高

何時選擇PBKDF2：

• 當你需要一個廣泛支持、經過時間考驗的算法
• 當你需要符合某些特定標準（如FIPS）
• 當你需要生成特定長度的密鑰而不僅僅是密碼散列

第二部分：在Java和SpringBoot中使用PBKDF2

1. Java內置的PBKDF2支持

從Java 8開始，JDK提供了內置的PBKDF2實現，位于javax.crypto包中：

import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.PBEKeySpec;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import java.security.spec.InvalidKeySpecException;
import java.security.spec.KeySpec;
import java.util.Arrays;
import java.util.Base64;public class PBKDF2Hasher {// 算法名稱private static final String ALGORITHM = "PBKDF2WithHmacSHA256";// 迭代次數private static final int ITERATIONS = 65536;// 密鑰長度private static final int KEY_LENGTH = 256;// 鹽值長度private static final int SALT_LENGTH = 16;// 生成鹽值public static byte[] generateSalt() {SecureRandom random = new SecureRandom();byte[] salt = new byte[SALT_LENGTH];random.nextBytes(salt);return salt;}// 使用PBKDF2生成散列值public static byte[] hash(char[] password, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {KeySpec spec = new PBEKeySpec(password, salt, ITERATIONS, KEY_LENGTH);SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance(ALGORITHM);return factory.generateSecret(spec).getEncoded();}// 驗證密碼public static boolean verify(char[] password, byte[] hash, byte[] salt) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {byte[] testHash = hash(password, salt);return Arrays.equals(hash, testHash);}// 生成散列值和鹽值，并編碼為Base64字符串public static String[] hashPassword(String password) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {byte[] salt = generateSalt();byte[] hash = hash(password.toCharArray(), salt);String hashString = Base64.getEncoder().encodeToString(hash);String saltString = Base64.getEncoder().encodeToString(salt);return new String[] { hashString, saltString };}// 從Base64字符串中驗證密碼public static boolean verifyPassword(String password, String hashString, String saltString) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeySpecException {byte[] hash = Base64.getDecoder().decode(hashString);byte[] salt = Base64.getDecoder().decode(saltString);return verify(password.toCharArray(), hash, salt);}
} 

2. SpringBoot中集成PBKDF2

在Spring Security中，從5.0版本開始，提供了內置的PBKDF2密碼編碼器Pbkdf2PasswordEncoder。以下是在SpringBoot項目中集成PBKDF2的方法：

2.1 添加依賴

首先，確保你的SpringBoot項目中包含Spring Security依賴：

<dependency><groupId>org.springframework.boot</groupId><artifactId>spring-boot-starter-security</artifactId>
</dependency>

2.2 配置PBKDF2密碼編碼器

在Spring Security配置類中配置Pbkdf2PasswordEncoder：

package com.example.pbkdf2demo.config;import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.security.config.annotation.web.builders.HttpSecurity;
import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.EnableWebSecurity;
import org.springframework.security.crypto.password.PasswordEncoder;
import org.springframework.security.crypto.password.Pbkdf2PasswordEncoder;
import org.springframework.security.web.SecurityFilterChain;@Configuration
@EnableWebSecurity
public class SecurityConfig {@Beanpublic SecurityFilterChain securityFilterChain(HttpSecurity http) throws Exception {http.authorizeRequests().antMatchers("/public/**").permitAll().anyRequest().authenticated().and().formLogin().loginPage("/login").permitAll().and().logout().permitAll();return http.build();}@Beanpublic PasswordEncoder passwordEncoder() {// 創建PBKDF2密碼編碼器// 參數分別是：密鑰迭代次數、密鑰長度（比特）// Spring Security 5.x 版本return new Pbkdf2PasswordEncoder("", 185000, 256);// Spring Security 6.x 及更高版本// return Pbkdf2PasswordEncoder.defaultsForSpringSecurity_v5_8();}
}

2.3 自定義PBKDF2編碼器參數

如果需要更精細地控制PBKDF2參數，可以這樣配置：

@Bean
public PasswordEncoder passwordEncoder() {// SpringBoot 2.x 和 Spring Security 5.xString secret = "your-secret"; // 可選的密鑰int iterations = 210000; // 迭代次數int hashWidth = 512; // 哈希長度（比特）return new Pbkdf2PasswordEncoder(secret,iterations,hashWidth);// SpringBoot 3.x 和 Spring Security 6.x/*return Pbkdf2PasswordEncoder.defaultsForSpringSecurity_v5_8().secret("your-secret").iterations(210000).hashWidth(512).algorithm(Pbkdf2PasswordEncoder.SecretKeyFactoryAlgorithm.PBKDF2WithHmacSHA512).build();*/
}

2.4 在用戶服務中使用PBKDF2編碼器

package com.example.pbkdf2demo.service;import com.example.pbkdf2demo.model.User;
import com.example.pbkdf2demo.repository.UserRepository;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.security.crypto.password.PasswordEncoder;
import org.springframework.stereotype.Service;@Service
public class UserService {@Autowiredprivate UserRepository userRepository;@Autowiredprivate PasswordEncoder passwordEncoder;public User registerUser(String username, String password) {// 判斷用戶名是否已存在if (userRepository.findByUsername(username).isPresent()) {throw new IllegalArgumentException("用戶名已存在");}// 使用PBKDF2編碼密碼String encodedPassword = passwordEncoder.encode(password);// 創建新用戶User user = new User();user.setUsername(username);user.setPassword(encodedPassword); // 存儲PBKDF2編碼后的密碼user.setEnabled(true);return userRepository.save(user);}public boolean authenticate(String username, String password) {return userRepository.findByUsername(username).map(user -> passwordEncoder.matches(password, user.getPassword())