{
  "topic": "crypto-basics",
  "type": "code_reading",
  "schema_version": "1.0.0",
  "generated": "2026-09-17T00:00:00+08:00",
  "questions": [
    {
      "id": "cr-001",
      "type": "code_reading",
      "difficulty": 2,
      "tags": [
        "密码学",
        "哈希",
        "加密",
        "数字签名"
      ],
      "question": "阅读以下 Python 代码，回答问题。",
      "code": "import hashlib\nimport hmac\nimport secrets\n\n# ========== 第一部分：哈希计算 ==========\ndef compute_sha256(message: str) -> str:\n    \"\"\"计算字符串的 SHA-256 哈希值\"\"\"\n    return hashlib.sha256(message.encode('utf-8')).hexdigest()\n\n# ========== 第二部分：HMAC 认证 ==========\ndef generate_hmac(key: bytes, message: str) -> str:\n    \"\"\"使用 HMAC-SHA256 生成消息认证码\"\"\"\n    return hmac.new(key, message.encode('utf-8'), hashlib.sha256).hexdigest()\n\ndef verify_hmac(key: bytes, message: str, expected_mac: str) -> bool:\n    \"\"\"验证 HMAC，使用 compare_digest 防止时序攻击\"\"\"\n    computed_mac = generate_hmac(key, message)\n    return hmac.compare_digest(computed_mac, expected_mac)\n\n# ========== 第三部分：简单密码哈希 ==========\ndef hash_password(password: str) -> str:\n    salt = secrets.token_hex(16)  # 32 字符的随机盐\n    salted = salt + password\n    hash_val = compute_sha256(salted)\n    return f\"{salt}${hash_val}\"\n\ndef check_password(stored: str, password: str) -> bool:\n    salt, hash_val = stored.split('$', 1)\n    return compute_sha256(salt + password) == hash_val\n\n# ========== 主程序 ==========\nif __name__ == '__main__':\n    msg = \"Hello, Cryptography!\"\n    print(f\"SHA-256: {compute_sha256(msg)}\")\n\n    key = secrets.token_bytes(32)\n    mac = generate_hmac(key, msg)\n    print(f\"HMAC:    {mac}\")\n    print(f\"Verify:  {verify_hmac(key, msg, mac)}\")\n\n    stored = hash_password(\"my_secret_123\")\n    print(f\"Stored:  {stored}\")\n    print(f\"Check:   {check_password(stored, 'my_secret_123')}\")",
      "language": "python",
      "sub_questions": [
        {
          "index": 1,
          "type": "short_answer",
          "question": "函数 generate_hmac 与直接对消息做 SHA-256 哈希相比，核心区别是什么？为什么 verify_hmac 中使用 hmac.compare_digest 而不是普通的 == 运算符？",
          "answer": "核心区别：generate_hmac 使用 HMAC（基于密钥的哈希消息认证码），除了保证消息完整性外，还提供了消息认证（即只有持有共享密钥的人才能生成合法的 MAC）；而普通 SHA-256 哈希不涉及密钥，任何人都可以计算，仅能用于完整性校验，无法验证消息来源。使用 hmac.compare_digest 是因为它执行恒定时间的字符串比较，可以防止时序攻击（timing attack）——如果使用 ==，Python 的字符串比较会在发现第一个不匹配字符时立即返回，攻击者可以通过测量响应时间逐字节猜测正确的 MAC 值。",
          "explanation": "HMAC 是密码学中最常用的消息认证码构造方式，由 Bellare 等人于 1996 年提出。它将密钥与消息结合进行哈希，安全性可归约到底层哈希函数的性质。时序攻击是侧信道攻击的一种，compare_digest 是 Python 标准库提供的安全比较函数。"
        },
        {
          "index": 2,
          "type": "single_choice",
          "question": "函数 hash_password 中使用 secrets.token_hex(16) 生成盐值。以下关于盐（salt）在密码哈希中作用的描述，哪一项最准确？",
          "options": {
            "A": "盐的主要作用是增加密码的熵，使暴力破解单个密码所需时间大幅增加",
            "B": "盐的主要作用是确保即使两个用户使用相同密码，其存储的哈希值也不同，从而防止彩虹表攻击",
            "C": "盐的主要作用是对密码进行加密，使攻击者无法直接读取原始密码",
            "D": "盐的主要作用是缩短哈希值长度，节省存储空间"
          },
          "answer": "B",
          "explanation": "盐是一个随机值，与密码拼接后再哈希。其核心目的是打消预计算攻击（彩虹表攻击）：因为每个用户的盐不同，攻击者无法为常见密码预先计算哈希表。即使两个用户使用相同密码，由于盐不同，最终哈希值也完全不同。选项 A 描述不准确——盐不增加密码本身的熵；选项 C 混淆了哈希与加密的概念；选项 D 与盐的功能无关。"
        },
        {
          "index": 3,
          "type": "short_answer",
          "question": "当前 hash_password 的实现使用了单次 SHA-256 哈希加盐。请指出这种实现的一个主要安全缺陷，并提出具体的改进建议。",
          "answer": "主要安全缺陷：SHA-256 计算速度极快（现代 GPU 可达每秒数十亿次哈希），这使得暴力破解和字典攻击非常高效。即使有盐，攻击者获得哈希值后仍可对单个目标进行高速离线破解。改进建议：应使用专用的慢哈希算法替代单次 SHA-256，如 bcrypt、scrypt 或 Argon2。这些算法内置了盐处理、可调节的工作因子（迭代次数/内存消耗/并行度），能显著增加离线破解的成本。例如使用 Python 的 bcrypt 库：import bcrypt; hashed = bcrypt.hashpw(password.encode(), bcrypt.gensalt(rounds=12))。",
          "explanation": "这是密码存储领域的经典考点。NIST 等标准机构不推荐使用普通哈希函数（即使是加盐的）存储密码。bcrypt 是最广泛采用的方案，Argon2 是 2015 年密码哈希竞赛（PHC）的获胜算法，被认为是目前最佳选择。"
        }
      ],
      "explanation": "本题通过一段真实的 Python 密码学代码，考察学生对哈希、HMAC 和密码存储三个核心概念的理解。第一部分是基础哈希计算；第二部分引入密钥和消息认证；第三部分模拟密码存储场景，故意使用不安全的实现来考察学生的安全分析能力。三个子题从概念理解、原理辨析到实际安全评估，难度递进。",
      "source": null,
      "related": []
    }
  ]
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