生成具有最低特殊字符要求的Java安全随机密码

何安宜

2023-03-14

问题内容：

如何使用Java创建符合系统长度和字符集要求的随机密码？

我必须创建一个随机密码，密码长度为10-14个字符，并且至少具有一个大写字母，一个小写字母和一个特殊字符。不幸的是，某些特殊字符太
特殊而无法使用，因此我不能仅使用打印的ASCII。

该站点上的许多示例都会生成一个随机的密码或会话密钥，而在字符中没有足够的熵，或者在像上面给出的那样的商业环境中没有现实的要求，因此，我想提出更明确的问题以获得更好的答案。

我的字符集，标准美国键盘上的每个特殊字符（空格除外）：

A-Z
a-z
0-9
~`!@#$%^&*()-_=+[{]}\|;:'",<.>/?

问题答案：

我最近了解了Passay。它在PasswordGenerator类中提供所需的必需功能。它会随机生成满足以下要求的密码，这些密码类似于使用CharacterRules而不是我下面所做的PasswordCharacterSets所写的内容。它不保留用于随机字符插入的未使用索引的列表，而只是在插入符合要求的字符后才重新洗改字符缓冲区。

以下是以前遗留下来的内容，如果您的许可允许，我建议您使用Passay，否则此代码应该可以正常工作，并详细说明了为什么生成的密码具有极高的密码强度

我最终两次编写了这段代码。曾经获得随机字符结果，但事实证明，字符的分布取决于字符集的大小（哇！）。我重写了它，现在您应该只复制/粘贴代码并将Main.java更改为所需的字符集。尽管可以采取不同的方法，但我认为这是获得正确结果的相对简单的方法，我鼓励重用，评论，批评和周密的编辑。

PasswordGenerator代码的控件如下：

最小/最大长度 ：使用随机数设置
PasswordCharacterSet ：假定传递给PasswordGenerator的所有PasswordCharacterSet都由唯一字符集组成，如果不是，则随机字符将朝着重复字符倾斜。
PasswordCharacterSet最小字符 ：用于此字符集的最小字符。

实际密码生成的主要位：

随机性 ：我们使用的是SecureRandom，它由加密功能强的PRNG支持，而不是不是由Random类支持。
密码的随机字符顺序 ：pw char数组的所有索引均添加到剩余索引数组中。当我们调用addRandomCharacters时，它会随机删除索引，然后使用删除的索引填充数组。
随机字符 ：在addRandomCharacters中，从我们正在使用的字符索引中选择一个随机索引，并将其添加到pw数组中。
设置每种类型 的最小字符数：我们只需首先确定最小字符数即可。我们从每个字符集中选择最小数量的随机值，然后继续。
剩余字符的随机分布 ：设置最小值后，我们希望使其余字符在所有字符集中随机分布。所有字符都添加到单个数组中。其余的插槽使用与先前字符集相同的策略填充。

密码复杂度的描述：密码复杂度通常用熵来谈论。以下是您的键空间的可能数量：

计算可能性数的方式至少有一个大写字母字符（26个中的一个），一个小写字母字符（26个中的一个），一个数字（10个中的一个）和一个特殊字符（32个中的一个），这是您计算可能性的方式是每个字符的可能性数乘以字符数，因为它们被随机放置在字符串中。因此，我们知道其中四个字符的可能性是：

Required Characters = 26*26*10*32=216,320

其余所有角色每个都有94（26 + 26 + 10 + 32）个可能性

我们的计算是：

Characters  Possibilities                                       Bits of Entropy
10 chars    216,320*94^6  = 149,232,631,038,033,920             ~2^57
11 chars    216,320*94^7  = 14,027,867,317,575,188,480          ~2^63
12 chars    216,320*94^8  = 1,318,619,527,852,067,717,120       ~2^70
13 chars    216,320*94^9  = 123,950,235,618,094,365,409,280     ~2^76
14 chars    216,320*94^10 = 11,651,322,148,100,870,348,472,320  ~2^83

考虑到这一点，如果您想要最安全的密码，则应始终选择尽可能多的字符，在这种情况下为14。

Main.java

package org.redtown.pw;

import java.util.EnumSet;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

import org.redtown.pw.PasswordGenerator.PasswordCharacterSet;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Set<PasswordCharacterSet> values = new HashSet<PasswordCharacterSet>(EnumSet.allOf(SummerCharacterSets.class));
        PasswordGenerator pwGenerator = new PasswordGenerator(values, 10, 14);
        for(int i=0; i < 10; ++i) {
            System.out.println(pwGenerator.generatePassword());
        }
    }

    private static final char[] ALPHA_UPPER_CHARACTERS = { 'A', 'B', 'C', 'D',
            'E', 'F', 'G', 'H', 'I', 'J', 'K', 'L', 'M', 'N', 'O', 'P', 'Q',
            'R', 'S', 'T', 'U', 'V', 'W', 'X', 'Y', 'Z' };
    private static final char[] ALPHA_LOWER_CHARACTERS = { 'a', 'b', 'c', 'd',
            'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'k', 'l', 'm', 'n', 'o', 'p', 'q',
            'r', 's', 't', 'u', 'v', 'w', 'x', 'y', 'z' };
    private static final char[] NUMERIC_CHARACTERS = { '0', '1', '2', '3', '4',
            '5', '6', '7', '8', '9' };
    private static final char[] SPECIAL_CHARACTERS = { '~', '`', '!', '@', '#',
            '$', '%', '^', '&', '*', '(', ')', '-', '_', '=', '+', '[', '{',
            ']', '}', '\\', '|', ';', ':', '\'', '"', ',', '<', '.', '>', '/',
            '?' };

    private enum SummerCharacterSets implements PasswordCharacterSet {
        ALPHA_UPPER(ALPHA_UPPER_CHARACTERS, 1),
        ALPHA_LOWER(ALPHA_LOWER_CHARACTERS, 1),
        NUMERIC(NUMERIC_CHARACTERS, 1),
        SPECIAL(SPECIAL_CHARACTERS, 1);

        private final char[] chars;
        private final int minUsage;

        private SummerCharacterSets(char[] chars, int minUsage) {
            this.chars = chars;
            this.minUsage = minUsage;
        }

        @Override
        public char[] getCharacters() {
            return chars;
        }

        @Override
        public int getMinCharacters() {
            return minUsage;
        }
    }
}

PasswordGenerator.java

package org.redtown.pw;

import java.security.SecureRandom;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.Collection;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.Random;

public class PasswordGenerator {

    private final List<PasswordCharacterSet> pwSets;
    private final char[] allCharacters;
    private final int minLength;
    private final int maxLength;
    private final int presetCharacterCount;

    public PasswordGenerator(Collection<PasswordCharacterSet> origPwSets, int minLength, int maxLength) {
        this.minLength = minLength;
        this.maxLength = maxLength;

        // Make a copy of the character arrays and min-values so they cannot be changed after initialization
        int pwCharacters = 0;
        int preallocatedCharacters = 0;
        List<PasswordCharacterSet> pwSets = new ArrayList<PasswordCharacterSet>(origPwSets.size());
        for(PasswordCharacterSet origpwSet : origPwSets) {
            PasswordCharacterSet newPwSet = new PwSet(origpwSet);
            pwSets.add(newPwSet);
            pwCharacters += newPwSet.getCharacters().length;
            preallocatedCharacters += newPwSet.getMinCharacters();
        }
        this.presetCharacterCount = preallocatedCharacters;
        this.pwSets = Collections.unmodifiableList(pwSets);

        if (minLength < presetCharacterCount) {
            throw new IllegalArgumentException("Combined minimum lengths "
                    + presetCharacterCount
                    + " are greater than the minLength of " + minLength);
        }

        // Copy all characters into single array so we can evenly access all members when accessing this array
        char[] allChars = new char[pwCharacters];
        int currentIndex = 0;
        for(PasswordCharacterSet pwSet : pwSets) {
            char[] chars = pwSet.getCharacters();
            System.arraycopy(chars, 0, allChars, currentIndex, chars.length);
            currentIndex += chars.length;
        }
        this.allCharacters = allChars;
    }


    public char[] generatePassword() {
        SecureRandom rand = new SecureRandom();

        // Set pw length to minLength <= pwLength <= maxLength
        int pwLength = minLength + rand.nextInt(maxLength - minLength + 1);
        int randomCharacterCount = pwLength - presetCharacterCount;


        // Place each index in an array then remove them randomly to assign positions in the pw array
        List<Integer> remainingIndexes = new ArrayList<Integer>(pwLength);
        for(int i=0; i < pwLength; ++i) {
            remainingIndexes.add(i);
        }

        // Fill pw array
        char[] pw = new char[pwLength];
        for(PasswordCharacterSet pwSet : pwSets) {
            addRandomCharacters(pw, pwSet.getCharacters(), pwSet.getMinCharacters(), remainingIndexes, rand);
        }
        addRandomCharacters(pw, allCharacters, randomCharacterCount, remainingIndexes, rand);
        return pw;
    }

    private static void addRandomCharacters(char[] pw, char[] characterSet,
            int numCharacters, List<Integer> remainingIndexes, Random rand) {
        for(int i=0; i < numCharacters; ++i) {
            // Get and remove random index from the remaining indexes
            int pwIndex = remainingIndexes.remove(rand.nextInt(remainingIndexes.size()));

            // Set random character from character index to pwIndex
            int randCharIndex = rand.nextInt(characterSet.length);
            pw[pwIndex] = characterSet[randCharIndex];
        }
    }

    public static interface PasswordCharacterSet {
        char[] getCharacters();
        int getMinCharacters();
    }

    /**
     * Defensive copy of a passed-in PasswordCharacterSet
     */
    private static final class PwSet implements PasswordCharacterSet {
        private final char[] chars;
        private final int minChars;

        public PwSet(PasswordCharacterSet pwSet) {
            this.minChars = pwSet.getMinCharacters();
            char[] pwSetChars = pwSet.getCharacters();
            // Defensive copy
            this.chars = Arrays.copyOf(pwSetChars, pwSetChars.length);
        }

        @Override
        public char[] getCharacters() {
            return chars;
        }

        @Override
        public int getMinCharacters() {
            return minChars;
        }
    }
}

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