Железо для хешкрекинга. Разбираем аппаратные основы подбора хешей

Хеш­кре­кинг (от англий­ско­го hash cracking — бук­валь­но «рас­калыва­ние хешей») — это область крип­тоана­лиза (или информа­цион­ной безопас­ности, смот­ря с какой сто­роны подой­ти), где цель — най­ти зна­чение сооб­щения, которое было про­пуще­но через хеш‑фун­кцию. Для нас хеш­кре­кинг акту­ален имен­но из‑за того, что самый рас­простра­нен­ный спо­соб хра­нения паролей имен­но в хешах. Поэто­му его час­то называ­ют вос­ста­нов­лени­ем паролей.

Сра­зу отме­тим, что хеш­кре­кинг — это тема стро­го офлай­новая, она никак не свя­зана со спре­ингом паролей (password spraying) или брут­форсом (brute force) при ата­ках на сис­темы аутен­тифика­ции.

Для хеш­кре­кин­га нуж­но иметь некий хеш, для которо­го мы будем под­бирать исходное зна­чение. Вооб­ще, сам тер­мин вво­дит нас в заб­лужде­ние: в реаль­нос­ти ник­то хеши не рас­калыва­ет. Хеш‑фун­кция необ­ратима, и наша задача — переби­рать потен­циаль­ные пароли и счи­тать хеши от них, а потом срав­нивать с тем хешем, что у нас есть.

На­ши шан­сы край­не малы, но есть методы, которые помогут начать сис­темати­чес­ки выиг­рывать в этом бою. Но, как ни кру­ти, нам при­дет­ся вычис­лять хеши, сот­ни или даже сот­ни тысяч хешей.

В девянос­тые и начале нулевых никому бы и в голову не приш­ло спо­рить о том, что явля­ется вычис­литель­ным сер­дцем компь­юте­ра, ответ был бы оче­виден — цен­траль­ный про­цес­сор (он же ЦП или CPU). Но сегод­ня все не так однознач­но: гра­фичес­кие про­цес­соры (ГП или GPU) ста­ли такими мощ­ными, что в некото­рых задачах ЦП уже слож­но кон­куриро­вать.

Как работает CPU?

Сов­ремен­ный ЦП — это крем­ниевая плас­тина, на которой в пер­вую оче­редь раз­меща­ются вычис­литель­ные ядра, а осталь­ное прос­транс­тво отда­но под мно­гоуров­невую кеш‑память, модули безопас­ности (они сле­дят, что­бы раз­ные ядра не занима­лись одним и тем же и не перег­ревались) и шины соеди­нения с перифе­рий­ными устрой­ства­ми.

Здесь важ­но понять, что ЦП — это прос­то машина для выпол­нения написан­ных людь­ми инс­трук­ций. Сам он не зна­ет, что дела­ет, и в конеч­ном ито­ге прос­то перек­люча­ет сос­тояние яче­ек по слож­ным пра­вилам. При этом немалая часть чипа занята не кон­крет­но вычис­лени­ями, а их адми­нис­три­рова­нием.

Внут­ри ядра про­цес­сы под­чинены архи­тек­туре фон Ней­мана: извле­чение из памяти → декоди­рова­ние → выпол­нение → запись в память. За пер­вые два эта­па отве­чает фрон­тенд ядра (он, помимо про­чего, содер­жит еще и модули вет­вле­ния и парал­лелиза­ции команд) и модуль вне­оче­ред­ного выпол­нения команд.

Даль­ше в бой всту­пает ядер­ный бэкенд, где инс­трук­ции попада­ют в вычис­литель­ное сер­дце ЦП — ариф­метико‑логичес­кое устрой­ство (ALU). Одно ALU может выпол­нять одну или нес­коль­ко опе­раций сме­щения или перехо­да, ариф­метичес­ких или логичес­ких опе­раций, а иног­да и целые выраже­ния (FMA, DIV, MUL). Так­же ALU может работать с целыми чис­лами (прис­тавка INT), с десятич­ными (FPU или прис­тавка FP) и с чис­лами раз­ных раз­меров (FP32, FP64, ...).

Пред­став­ляешь, какое количес­тво раз­ношерс­тных ALU дол­жно умес­тить­ся в одно малень­кое ядро? Но в ядре есть еще и раз­ные уров­ни памяти, а так­же дорож­ки ком­муника­ции меж­ду всем этим доб­ром.

Пос­коль­ку ЦП дол­жен раз за разом выпол­нять любые инс­трук­ции, то его ядра боль­шие и уни­вер­саль­ные: с гро­моз­дким фрон­тендом и ALU всех типов. Пло­щадь на крис­талле огра­ниче­на, поэто­му чис­ло таких ядер тоже огра­ниче­но.

Великий и могучий GPU

Компь­юте­ры про­дол­жали бы весело молотить чис­ла на сво­их про­цес­сорах, но в семиде­сятые начали появ­лять­ся дис­плеи для вывода гра­фики. Прос­чет геомет­рии сна­чала выпол­няли пол­ностью на ЦП, но пос­тепен­но он ста­новил­ся узким гор­лышком при работе с гра­фикой. Поэто­му ста­ли появ­лять­ся отдель­ные чипы для уско­рения 2D- и 3D-гра­фики.

В 1984 году ком­пания IBM выпус­тила PGC, который сос­тоял из трех отдель­ных плат, каж­дая — со сво­им чипом и памятью. По сути, это был пер­вый GPU. А раз­работ­чики компь­юте­ра Amiga 1000 в 1985 году пол­ностью сня­ли с ЦП вычис­ление гра­фики. Впер­вые тер­мин GPU появил­ся толь­ко в 1994 году в докумен­тации к пер­вой PlayStation, а популя­ризи­рова­ла тер­мин Nvidia, выпус­тив GeForce 256, которая счи­тает­ся пер­вым GPU, каким мы его зна­ем сегод­ня. То есть сов­ремен­ный GPU — это доволь­но молодое изоб­ретение.

В общем, ЦП спо­собен счи­тать гра­фику, но ГП дела­ет это быс­трее и эффектив­нее, давая ЦП боль­ше вре­мени занимать­ся дру­гими задача­ми.

Важ­но понять, что GPU не выпол­няет работу CPU, а выс­тупа­ет соп­роцес­сором. При получе­нии задачи ЦП делеги­рует ее на внеш­ний для себя GPU, при этом про­дол­жая кон­тро­лиро­вать ее исполне­ние.