0x00 前言

验证码的初衷是人机识别。不过大多时候，只是用来增加一些时间成本，降低频率而已。

如果仅仅是为了消耗时间，能否不用图片，完全用程序来实现？

0x01 如何消耗时间

先来思考一个问题：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：

#!cpp
Sleep(1000)

这确实消耗了时间，但并没有消耗 CPU。如果开了变速齿轮，瞬间就能完成。

要消耗 CPU 也不难，写一个大循环就可以了：

#!cpp
for i = 0 to 1000000000
end

不过这和 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。

#!cpp
result = 0
for i = 0 to 1000000000
    result = result + i
end
return result

通过返回的结果，我们就能判断对方是否完整的运行了程序。

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。

那么有什么算法，是无法用公式推测的？

显然，单向散列函数就是。例如一个经典的问题：

#!cpp
MD5(X) == X

就无法用公式来解决了。要找出答案，只能一个个穷举过去，从而花费大量时间。

但对于验证者，只需将收到的答案，计算一次就可判断对错，因此可轻易校验。

这就是 PoW（Proof-of-Work），用来证明对方投入工作的方法。

当然，上面的例子太困难了，而且答案可以重复使用，所以还需改进。例如：

#!cpp
MD5("问题" + X) == "0000......"

我们只要求散列结果的前几位是 0 就可以。这样位数越小，答案就越容易找到。同时增加一个盐值，让答案不能重复使用。

事实上，比特币就用到了类似的方式，使用了 SHA-256 作为散列函数。这样只能穷举，无法用更快的方法投机取巧，体现了挖矿工作的价值。

用散列函数实现的 PoW，就叫 Hashcash。

0x02 传统应用

Hashcash 早不是新鲜事，曾经在反垃圾邮件中就已使用。

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：

#!cpp
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。

传统策略，大多通过 IP、账号等限制。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。

0x03 Web 应用

同样的，Hashcash 也能用于 Web。例如论坛，可在发帖时计算：

#!cpp
Hash(X, 帖子内容) == "000000..."

不过，不同于邮件客户端可在后台自动计算，发帖时如果卡上好几秒，将会大幅降低用户体验。

因此不能选择 帖子内容、标题 等这些用户输入作为盐值。而是用传统验证码的方式，后端下发一个随机数。

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。

#!cpp
# 后端 - 分配
session["pow_code"] = rand()

# 前端 - 挖矿
while Hash(X, pow_code) == "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，用户发帖前就已计算完成。提交时，将其附带上。

如果提交时还未算出，则等待计算完成。（发帖太快，有灌水嫌疑）

#!cpp
# 前端 - 提交
wait X
submit(..., X)

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

这样，就实现了一个「测试机器算力」的验证码。

目前已有提供 hashcash 第三方验证的网站，例如 hashcash.io。

0x04 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；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：）

0x05 致命缺陷

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
• 代码混淆
• 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。

0x06 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。

0x07 代码混淆

上回讨论慢加密时，曾提到为什么要性能优化。因为自己创造加密算法是不推荐的，所以得优化现有的算法。

不过，相比账号安全，验证码的要求则低得多，而且随时可以更换算法，因此不妨自己来创造一个。

自创的加密算法，强度显然没有保障。但我们可以从「隐蔽性」上着手 —— 将代码混淆到难以读懂，这时，考验对方的则是逆向能力了。

这和之前写的《对抗假人 —— 前后端结合的 WAF》有点类似。不过，如果混淆能做到足够好，还需要 PoW 机制吗？

有胜于无。因为浏览器指纹、用户行为等信息，都是可以通过沙盒模拟的。而工作量计算，必须消耗硬件资源，才能得出结果。

因此，使用了 PoW 就能增加攻击者一些硬件成本。

0x08 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。例如之前讨论的 slowhash：

#!cpp
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。

但在现实中，只要设计得当，还是可以尝试的 —— 我们使用类似 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。利用在线的用户，来生成问题和答案。

#!cpp
# 隐蔽的脚本
Q = rand()
A = slowhash(Q)

submit(Q, A)

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，后端从题库中随机抽取一个问题，安排给前端计算：

#!cpp
# 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，即可判断答案是否正确：

#!cpp
# 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，避免了繁重的鉴定工作。同时，把计算交给用户来完成，可大幅节省硬件成本。

当然，这种模式还有很多需要考虑的地方，这里只是介绍下基本思路，以后再详细讨论。

相比 hashcash 题解时间有一定的随机性，slowhash 的时间是固定的，因此难度更可控。

0x09 演示

因为 Hashcash 比较简单，所以这里演示一个 md5 版的，使用 asm.js 和 flash 实现，并对算法做了一定优化。

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

如果想看详细的算力速度，可以查看这个 Demo：

http://www.etherdream.com/FunnyScript/hashcash/js/test.html

看起来好像不慢，不过对比 GPU 的速度 就相形见绌了。所以，使用经典算法的 Hashcash，简直就是不堪一击的。

至于串行模式的 PoW，涉及到很多策略和数据积累，本文就演示了，下回单独讨论。

0x0A 总结

最后来对比下，算力验证和传统图形验证的区别。

论效果，当然还是传统的图形验证更好，但这是以牺牲用户体验为代价的。

硬件在不断的发展，识图软件会越来越强大。而人脑始终是有限的，优势会越来越小，最终导致验证码越来越复杂。

但是算力验证则不同。硬件的发展，也会带动浏览器的算力提升，最终只需将问题难度调高即可。

当然，安全防御涉及的领域越多越好。每一个方案都不是无敌的，都只是为了增加一些攻击成本而已。

所以算力验证，结合传统防御方案，才能出发挥价值。