引言

自 MySQL 8.0.4 版本起，默认身份验证插件由 mysql_native_password 更改为 caching_sha2_password。这一变更同时影响了 libmysqlclient 库，使其也采用 caching_sha2_password 作为默认的身份验证机制。

认证机制的演变

传统认证方式

在 MySQL 5.6/5.7 版本中，默认使用的密码插件是 mysql_native_password。此插件的主要特点是无需加密连接即可工作，验证速度非常快。然而，其安全性存在明显缺陷，因为它使用 SHA1 算法进行密码验证。美国国家标准与技术研究院（NIST）早已建议停止使用 SHA1 算法，因为该算法与 MD5 等哈希算法一样，存在被破解的风险。

实际上，从 MySQL 5.6 开始，就引入了更为安全的认证机制： sha256_password 认证插件。该插件采用加盐密码进行多轮 SHA256 哈希（通常执行数千轮哈希运算，大大增加了暴力破解的难度）。然而，这种安全性的提升是以性能为代价的——建立安全连接和执行多轮哈希加密会消耗较多时间，导致验证速度较慢。

新认证机制的诞生

为了兼顾安全性和性能，MySQL 在 8.0.3 版本中引入了 caching_sha2_password 认证插件，作为 sha256_password 的替代方案。新插件在保留原有安全特性的基础上进行了优化，有效解决了性能问题。同时，MySQL 官方也宣布将在未来版本中移除 sha256_password 插件，建议使用该插件进行身份验证的账户迁移至 caching_sha2_password。

实际影响

由于默认身份验证机制的变更，许多用户在使用 MySQL 8.0 时遇到了连接问题。例如，使用旧版本客户端连接时可能会出现以下错误：

shell> mysql -uroot -p
ERROR 2059 (HY000): Authentication plugin 'caching_sha2_password' cannot be loaded

尽管网络上有许多教程建议将认证方式改回 mysql_native_password，但从安全角度考虑，对于需要公网访问的 MySQL 服务，建议继续使用 caching_sha2_password 作为认证插件。

认证机制详解

mysql_native_password 工作原理

mysql_native_password 作为 MySQL 5.6/5.7 的默认密码插件，支持挑战-响应（challenge-response）机制，这是一种快速的验证方式，无需在网络中传输实际密码，也不需要加密连接。

其工作流程如下：

1. 客户端连接到 MySQL 实例时，首先从服务器获取一个 20 字节的随机数（称为 nonce）
2. 对于用户密码，系统通过 SHA1(SHA1(password)) 进行两次哈希计算，结果存储在 mysql.user 表的 authentication_string 列中
3. 密码哈希值未使用盐值（salt），相同密码会产生相同的哈希值

尽管这种方式在当时相对安全，但随着计算能力的提升，现在面临两种主要风险：SHA1 算法已变得容易被破解，且相同密码会产生相同哈希值，增加了彩虹表攻击的可能性。

caching_sha2_password 工作原理

caching_sha2_password 认证机制在多个方面进行了改进：

• 存储在 authentication_string 中的哈希值为加盐后的值，即使用户密码相同，不同用户的哈希值也不同
• 哈希算法升级为更安全的 SHA256 算法
• 哈希计算轮数从原来的两次提升至 5000 次，增加了暴力破解的难度
• 使用 TLS 加密连接或 RSA 密钥对进行密码传输

通信过程解析

1. 快速认证模式（有缓存时）

当密码的哈希值已缓存在服务器内存中时，验证过程基于 SHA256 的挑战-响应机制，流程如下：

1. 客户端发起连接请求
2. 服务器生成并发送一个 20 字节的随机数据（nonce）给客户端
3. 客户端使用公式 XOR(SHA256(password), SHA256(SHA256(SHA256(password)), nonce)) 生成 Scramble 并发送给服务器
4. 服务器检查用户名和 SHA256(SHA256(user_password)) 是否存在于内存缓存中，若存在则验证通过
5. 服务器发送 fast_auth_success 包给客户端
6. 服务器发送 OK 包，进入命令阶段

2. 完整认证模式（无缓存时）

当服务器内存中没有密码哈希缓存时，caching_sha2_password 需要使用安全连接进行密码交换：

1. 客户端发起连接请求
2. 服务器生成并发送一个 20 字节的随机数据（nonce）给客户端
3. 客户端使用公式 XOR(SHA256(password), SHA256(SHA256(SHA256(password)), nonce)) 生成 Scramble 并发送给服务器
4. 服务器检查用户名和 SHA256(SHA256(user_password)) 是否存在于内存缓存中，若不存在则发送 perform_full_authentication 包
5. 客户端收到 perform_full_authentication 包后，根据连接安全情况进行处理：
   • 如果已建立安全连接（如 TLS），则直接发送明文密码
   • 否则，请求获取服务器公钥或使用指定公钥文件，用公钥和 nonce 加密密码后发送
6. 服务器使用私钥解密密码（如适用），通过 SHA256 算法计算哈希值并验证
7. 验证通过后，服务器发送 OK 包，进入命令阶段

RSA 加密通信过程

在非安全连接中，caching_sha2_password 使用 RSA 非对称加密算法保护密码传输：

1. 服务器生成 RSA 密钥对，并将公钥发送给客户端
2. 客户端使用服务器公钥对密码进行加密
3. 客户端将加密后的密码发送给服务器
4. 服务器使用对应的私钥解密密码

由于只有服务器拥有私钥，即使加密数据被截获，攻击者也无法解密获取原始密码。

实施注意事项

默认身份验证插件的变更意味着在 MySQL 8.0.4 之后创建的所有新用户将默认使用 caching_sha2_password 作为身份验证插件。可以通过以下查询查看用户认证插件：

mysql> SELECT USER,PLUGIN FROM mysql.`user` ;
+------------------+-----------------------+
| USER             | PLUGIN                |
+------------------+-----------------------+
| root             | caching_sha2_password |
| mysql.infoschema | caching_sha2_password |
| mysql.session    | caching_sha2_password |
| mysql.sys        | caching_sha2_password |
+------------------+-----------------------+

对于使用 caching_sha2_password 插件的客户端，连接服务器时密码传输方式取决于连接是否安全：

• 安全连接：包括使用 TLS 加密的 TCP 连接、Unix 套接字文件和共享内存连接。密码以明文格式发送，但由于连接本身是加密的，密码不会被窃听。
• 非安全连接：包括未使用 TLS 加密的 TCP 连接和命名管道连接。系统使用 RSA 密钥对对密码进行加密，防止密码被截取。服务器接收到加密密码后，使用私钥解密。加密过程中使用随机字符串，防止重放攻击。

在 MySQL 8.0.3 以上版本中，RSA 密钥对的生成和交换过程是自动完成的。

主从复制环境中的配置

MySQL 8.0.4 添加了对复制场景中 RSA 加密的支持。如果用于复制的用户使用了 caching_sha2_password 身份验证插件，且未启用安全连接，MySQL 将使用 RSA 密钥对进行密码交换。

对于传统复制，可以通过以下参数启用基于 caching_sha2_password 的 RSA 密钥交换：

# 指定 RSA 公钥路径
CHANGE MASTER TO MASTER_PUBLIC_KEY_PATH = "/path/to/public_key.pem";

# 从服务端获取 RSA 公钥
CHANGE MASTER TO GET_MASTER_PUBLIC_KEY = 1;

对于组复制（Group Replication），可以通过以下参数配置：

# 指定 RSA 公钥路径
–-group-replication-recovery-public-key-path="/path/to/public_key.pem"

# 从服务端获取 RSA 公钥
–-group-replication-recovery-get-public-key=1

数据库升级考虑

当数据库升级到 MySQL 8.0.4 或更高版本时，需要注意以下几点：

• 升级前创建的用户，其身份认证插件不会自动更改
• 升级后创建的用户默认使用 caching_sha2_password 身份验证插件
• 可以通过 --default-authentication-plugin 参数手动指定认证插件
• 旧版本客户端仍可连接升级前创建的用户账户

建议升级 libmysqlclient 到 MySQL 8.0.4 或更高版本，以支持新的身份验证插件。同时，出于安全考虑，建议逐步将用户账户迁移至 caching_sha2_password 认证方式。