从源码分析 MySQL 身份验证插件的实现细节

吴剑凡

最近在分析ERROR 1045 (28000): Access denied for user 'root'@'localhost' (using password: YES)这个报错的常见原因。
在分析的过程中，不可避免会涉及到 MySQL 身份验证的一些实现细节。
加之之前对这一块就有很多疑问，包括：

• 一个明文密码，是如何生成 mysql.user 表中的 authentication_string？
  
• 在进行身份验证时，客户端是否会直接发送明文密码给 MySQL 服务端？
  
• MySQL 8.0 为什么要将默认的身份认证插件调整为 caching_sha2_password，mysql_native_password 有什么问题嘛？
  

所以，就从代码层面对 MySQL 身份验证插件（主要是 mysql_native_password）的一些实现细节进行了分析。
本文主要包括以下几部分：

• 服务端是如何对明文密码进行加密的？
  
• 服务端是如何进行客户端身份验证的？
  
• 客户端是如何处理明文密码的？会直接发送明文密码给服务端么？
  
• 服务端是如何验证客户端密码是否正确的？
  
• 为什么 MySQL 8.0 要将默认的身份认证插件调整为 caching_sha2_password？
  

服务端是如何对明文密码进行加密的？

在 mysql_native_password 中，对明文密码进行加密是在 my_make_scrambled_password_sha1函数中实现的。

1. // sql/auth/password.cc
   
2. void my_make_scrambled_password_sha1(char *to, const char *password,
   
3.                                      size_t pass_len) {
   
4.   uint8 hash_stage2[SHA1_HASH_SIZE];
   
5. 
   
6.   /* Two stage SHA1 hash of the password. */
   
7.   compute_two_stage_sha1_hash(password, pass_len, (uint8 *)to, hash_stage2);
   
8. 
   
9.   /* convert hash_stage2 to hex string */
   
10.   *to++ = PVERSION41_CHAR;
    
11.   octet2hex(to, (const char *)hash_stage2, SHA1_HASH_SIZE);
    
12. }
    
13. 
    
14. // sql/auth/password.cc
    
15. inline static void compute_two_stage_sha1_hash(const char *password,
    
16.                                                size_t pass_len,
    
17.                                                uint8 *hash_stage1,
    
18.                                                uint8 *hash_stage2) {
    
19.   /* Stage 1: hash password */
    
20.   compute_sha1_hash(hash_stage1, password, pass_len);
    
21. 
    
22.   /* Stage 2 : hash first stage's output. */
    
23.   compute_sha1_hash(hash_stage2, (const char *)hash_stage1, SHA1_HASH_SIZE);
    
24. }

复制代码

实现其实非常简单：

• 使用 OpenSSL 库中的函数对输入的密码进行 SHA-1 哈希，生成 hash_stage1。
  
• 对生成的 hash_stage1 进行二次 SHA-1 哈希，生成 hash_stage2。
  
• 将 hash_stage2 转换为十六进制表示。
  

最后生成的字符串即我们在mysql.user中看到的authentication_string。
相同的功能用下面这段 Python 代码很容易就能实现出来。

1. import hashlib
   
2. 
   
3. def compute_sha1_hash(data):
   
4.     sha1 = hashlib.sha1()
   
5.     sha1.update(data)
   
6.     return sha1.digest()
   
7. 
   
8. password = "123456".encode('utf-8')
   
9. hash_stage1 = compute_sha1_hash(password)
   
10. hash_stage2 = compute_sha1_hash(hash_stage1)
    
11. print('*%s'%hash_stage2.hex().upper())

复制代码

密码是123456，最后打印的结果是 *6BB4837EB74329105EE4568DDA7DC67ED2CA2AD9。
同mysql.user中的authentication_string的值完全一样。

1. mysql> create user u1@'%' identified with mysql_native_password by '123456';
   
2. Query OK, 0 rows affected (0.04 sec)
   
3. 
   
4. mysql> select user,host,authentication_string from mysql.user where user='u1';
   
5. +------+------+-------------------------------------------+
   
6. | user | host | authentication_string                     |
   
7. +------+------+-------------------------------------------+
   
8. | u1   | %    | *6BB4837EB74329105EE4568DDA7DC67ED2CA2AD9 |
   
9. +------+------+-------------------------------------------+
   
10. 1 row in set (0.00 sec)

复制代码

有木有一种很简单的感觉？
服务端是如何进行客户端身份验证的？

在 mysql_native_password 中，对客户端进行身份验证是在 native_password_authenticate函数中实现的。

1. static int native_password_authenticate(MYSQL_PLUGIN_VIO *vio,
   
2.                                         MYSQL_SERVER_AUTH_INFO *info) {
   
3.   uchar *pkt;
   
4.   int pkt_len;
   
5.   MPVIO_EXT *mpvio = (MPVIO_EXT *)vio;
   
6. 
   
7.   DBUG_TRACE;
   
8. 
   
9.   // 生成盐值（Salt）。
   
10.   if (mpvio->scramble[SCRAMBLE_LENGTH])
    
11.     generate_user_salt(mpvio->scramble, SCRAMBLE_LENGTH + 1);
    
12. 
    
13.   // 将盐值发送给客户端
    
14.   if (mpvio->write_packet(mpvio, (uchar *)mpvio->scramble, SCRAMBLE_LENGTH + 1))
    
15.     return CR_AUTH_HANDSHAKE;
    
16. 
    
17.   // 读取客户端的响应，其中pkt用来存储响应包的内容，pkt_len是包的长度。
    
18.   if ((pkt_len = mpvio->read_packet(mpvio, &pkt)) < 0) return CR_AUTH_HANDSHAKE;
    
19.   DBUG_PRINT("info", ("reply read : pkt_len=%d", pkt_len));
    
20. 
    
21.   ...
    
22.   // 如果响应包的长度为0，则意味着客户端没有指定密码
    
23.   if (pkt_len == 0) {
    
24.     info->password_used = PASSWORD_USED_NO;
    
25.     return mpvio->acl_user->credentials[PRIMARY_CRED].m_salt_len != 0
    
26.                ? CR_AUTH_USER_CREDENTIALS
    
27.                : CR_OK;
    
28.   } else
    
29.     info->password_used = PASSWORD_USED_YES;
    
30.   bool second = false;
    
31.   // 如果响应包的长度等于盐值的长度，则会验证密码是否正确。
    
32.   if (pkt_len == SCRAMBLE_LENGTH) {
    
33.     if (!mpvio->acl_user->credentials[PRIMARY_CRED].m_salt_len ||
    
34.         check_scramble(pkt, mpvio->scramble,
    
35.                        mpvio->acl_user->credentials[PRIMARY_CRED].m_salt)) {
    
36.       second = true;
    
37.       // 如果验证失败，则会验证第二个密码是否设置且正确。
    
38.       // 在 MySQL 8.0 中，一个账户可以设置两个密码。
    
39.       if (!mpvio->acl_user->credentials[SECOND_CRED].m_salt_len ||
    
40.           check_scramble(pkt, mpvio->scramble,
    
41.                          mpvio->acl_user->credentials[SECOND_CRED].m_salt)) {
    
42.         return CR_AUTH_USER_CREDENTIALS;
    
43.       } else {
    
44.         if (second) {...}
    
45.         return CR_OK;
    
46.       }
    
47.     } else {
    
48.       return CR_OK;
    
49.     }
    
50.   }
    
51. 
    
52.   my_error(ER_HANDSHAKE_ERROR, MYF(0));
    
53.   return CR_AUTH_HANDSHAKE;
    
54. }

复制代码

该函数的主要作用如下：

• 通过generate_user_salt生成一个 20 位的盐值（Salt）。
  "盐值"（Salt）是密码学中一个常用的概念。它是一个随机生成的数据块，通常与密码一同进行哈希。
  相同的密码，由于盐值的不同，生成的哈希值也会不同。
  引入盐值可有效防止彩虹表攻击和碰撞攻击，提高密码的安全性。
  
• 将盐值发送给客户端。客户端会基于盐值对明文密码进行加密（具体的加密细节后面会介绍），然后将加密后的结果返回给服务端。
  
• 读取客户端的响应。
  
• 如果响应包的长度等于盐值的长度，则会调用 check_scramble验证客户端返回的加密密码是否与数据库中存储的加密密码相匹配（具体的匹配细节后面会介绍）。
  

客户端是如何处理明文密码的？

这里以 JDBC 驱动为例，客户端在接受到 MySQL 服务端发送的盐值后，会调用Security类中的scramble411方法对明文密码进行加密。
下面我们看看具体的实现细节。
[code]// src/main/core-impl/java/com/mysql/cj/protocol/Security.java
public static byte[] scramble411(byte[] password, byte[] seed) {
    MessageDigest md;
    try {
        md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
    } catch (NoSuchAlgorithmException ex) {
        throw new AssertionFailedException(ex);
    }

    byte[] passwordHashStage1 = md.digest(password);
    md.reset();

    byte[] passwordHashStage2 = md.digest(passwordHashStage1);
    md.reset();

    md.update(seed);
    md.update(passwordHashStage2);

    byte[] toBeXord = md.digest();

    int numToXor = toBeXord.length;

    for (int i = 0; i