在Nodejs中有關(guān)crypto模塊安全知識（詳細(xì)教程）

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量每天都在以驚人的速度增長。同時(shí)，各類網(wǎng)絡(luò)安全問題層出不窮。在信息安全重要性日益凸顯的今天，作為一名開發(fā)者，需要加強(qiáng)對安全的認(rèn)識，并通過技術(shù)手段增強(qiáng)服務(wù)的安全性。

crypto模塊是nodejs的核心模塊之一，它提供了安全相關(guān)的功能，如摘要運(yùn)算、加密、電子簽名等。很多初學(xué)者對著長長的API列表，不知如何上手，因此它背后涉及了大量安全領(lǐng)域的知識。

本文重點(diǎn)講解API背后的理論知識，主要包括如下內(nèi)容：

摘要（hash）、基于摘要的消息驗(yàn)證碼（HMAC）

對稱加密、非對稱加密、電子簽名

分組加密模式

摘要（hash）

摘要（digest）：將長度不固定的消息作為輸入，通過運(yùn)行hash函數(shù)，生成固定長度的輸出，這段輸出就叫做摘要。通常用來驗(yàn)證消息完整、未被篡改。

摘要運(yùn)算是不可逆的。也就是說，輸入固定的情況下，產(chǎn)生固定的輸出。但知道輸出的情況下，無法反推出輸入。

偽代碼如下。

digest = Hash(message)

常見的摘要算法 與 對應(yīng)的輸出位數(shù)如下：

MD5：128位

SHA-1：160位

SHA256 ：256位

SHA512：512位

nodejs中的例子：

var crypto = require('crypto');
var md5 = crypto.createHash('md5');
var message = 'hello';
var digest = md5.update(message, 'utf8').digest('hex'); 
console.log(digest);
// 

備注：在各類文章或文獻(xiàn)中，摘要、hash、散列 這幾個(gè)詞經(jīng)常會(huì)混用，導(dǎo)致不少初學(xué)者看了一臉懵逼，其實(shí)大部分時(shí)候指的都是一回事，記住上面對摘要的定義就好了。

MAC、HMAC

MAC（Message Authentication Code）：消息認(rèn)證碼，用以保證數(shù)據(jù)的完整性。運(yùn)算結(jié)果取決于消息本身、秘鑰。

MAC可以有多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，比如HMAC。

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）：可以粗略地理解為帶秘鑰的hash函數(shù)。

nodejs例子如下：

const crypto = require('crypto');
// 參數(shù)一：摘要函數(shù)
// 參數(shù)二：秘鑰
let hmac = crypto.createHmac('md5', '123456');
let ret = hmac.update('hello').digest('hex');
console.log(ret);
// 9c699d7af73a49247a239cb0dd2f8139

對稱加密、非對稱加密

加密/解密：給定明文，通過一定的算法，產(chǎn)生加密后的密文，這個(gè)過程叫加密。反過來就是解密。

encryptedText = encrypt( plainText )
plainText = decrypt( encryptedText )

秘鑰：為了進(jìn)一步增強(qiáng)加/解密算法的安全性，在加/解密的過程中引入了秘鑰。秘鑰可以視為加/解密算法的參數(shù)，在已知密文的情況下，如果不知道解密所用的秘鑰，則無法將密文解開。

encryptedText = encrypt(plainText, encryptKey)
plainText = decrypt(encryptedText, decryptKey)

根據(jù)加密、解密所用的秘鑰是否相同，可以將加密算法分為對稱加密、非對稱加密。

1、對稱加密

加密、解密所用的秘鑰是相同的，即encryptKey === decryptKey。

常見的對稱加密算法：DES、3DES、AES、Blowfish、RC5、IDEA。

加、解密偽代碼：

encryptedText = encrypt(plainText, key); // 加密
plainText = decrypt(encryptedText, key); // 解密

2、非對稱加密

又稱公開秘鑰加密。加密、解密所用的秘鑰是不同的，即encryptKey !== decryptKey。

加密秘鑰公開，稱為公鑰。解密秘鑰保密，稱為秘鑰。

常見的非對稱加密算法：RSA、DSA、ElGamal。

加、解密偽代碼：

encryptedText = encrypt(plainText, publicKey); // 加密
plainText = decrypt(encryptedText, priviteKey); // 解密

3、對比與應(yīng)用

除了秘鑰的差異，還有運(yùn)算速度上的差異。通常來說：

對稱加密速度要快于非對稱加密。

非對稱加密通常用于加密短文本，對稱加密通常用于加密長文本。

兩者可以結(jié)合起來使用，比如HTTPS協(xié)議，可以在握手階段，通過RSA來交換生成對稱秘鑰。在之后的通訊階段，可以使用對稱加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，秘鑰則是握手階段生成的。

備注：對稱秘鑰交換不一定通過RSA，還可以通過類似DH來完成，這里不展開。

數(shù)字簽名

從簽名大致可以猜到數(shù)字簽名的用途。主要作用如下：

確認(rèn)信息來源于特定的主體。

確認(rèn)信息完整、未被篡改。

為了達(dá)到上述目的，需要有兩個(gè)過程：

發(fā)送方：生成簽名。

接收方：驗(yàn)證簽名。

1、發(fā)送方生成簽名

計(jì)算原始信息的摘要。

通過私鑰對摘要進(jìn)行簽名，得到電子簽名。

將原始信息、電子簽名，發(fā)送給接收方。

附：簽名偽代碼

digest = hash(message); // 計(jì)算摘要
digitalSignature = sign(digest, priviteKey); // 計(jì)算數(shù)字簽名

2、接收方驗(yàn)證簽名

通過公鑰解開電子簽名，得到摘要D1。（如果解不開，信息來源主體校驗(yàn)失?。?/p>

計(jì)算原始信息的摘要D2。

對比D1、D2，如果D1等于D2，說明原始信息完整、未被篡改。

附：簽名驗(yàn)證偽代碼

digest1 = verify(digitalSignature, publicKey); // 獲取摘要
digest2 = hash(message); // 計(jì)算原始信息的摘要
digest1 === digest2 // 驗(yàn)證是否相等

3、對比非對稱加密

由于RSA算法的特殊性，加密/解密、簽名/驗(yàn)證 看上去特別像，很多同學(xué)都很容易混淆。先記住下面結(jié)論，后面有時(shí)間再詳細(xì)介紹。

加密/解密：公鑰加密，私鑰解密。

簽名/驗(yàn)證：私鑰簽名，公鑰驗(yàn)證。

分組加密模式、填充、初始化向量

常見的對稱加密算法，如AES、DES都采用了分組加密模式。這其中，有三個(gè)關(guān)鍵的概念需要掌握：模式、填充、初始化向量。

搞清楚這三點(diǎn)，才會(huì)知道crypto模塊對稱加密API的參數(shù)代表什么含義，出了錯(cuò)知道如何去排查。

1、分組加密模式

所謂的分組加密，就是將（較長的）明文拆分成固定長度的塊，然后對拆分的塊按照特定的模式進(jìn)行加密。

常見的分組加密模式有：ECB（不安全）、CBC（最常用）、CFB、OFB、CTR等。

以最簡單的ECB為例，先將消息拆分成等分的模塊，然后利用秘鑰進(jìn)行加密。

后面假設(shè)每個(gè)塊的長度為128位

2、初始化向量：IV

為了增強(qiáng)算法的安全性，部分分組加密模式（CFB、OFB、CTR）中引入了初始化向量（IV），使得加密的結(jié)果隨機(jī)化。也就是說，對于同一段明文，IV不同，加密的結(jié)果不同。

以CBC為例，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊，都與前一個(gè)加密塊進(jìn)行亦或運(yùn)算后，再進(jìn)行加密。對于第一個(gè)數(shù)據(jù)塊，則是與IV進(jìn)行亦或。

IV的大小跟數(shù)據(jù)塊的大小有關(guān)（128位），跟秘鑰的長度無關(guān)。

3、填充：padding

分組加密模式需要對長度固定的塊進(jìn)行加密。分組拆分完后，最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊長度可能小于128位，此時(shí)需要進(jìn)行填充以滿足長度要求。

填充方式有多重。常見的填充方式有PKCS7。

假設(shè)分組長度為k字節(jié)，最后一個(gè)分組長度為k-last，可以看到：

不管明文長度是多少，加密之前都會(huì)會(huì)對明文進(jìn)行填充 （不然解密函數(shù)無法區(qū)分最后一個(gè)分組是否被填充了，因?yàn)榇嬖谧詈笠粋€(gè)分組長度剛好等于k的情況）

如果最后一個(gè)分組長度等于k-last === k，那么填充內(nèi)容為一個(gè)完整的分組 k k k ... k （k個(gè)字節(jié)）

如果最后一個(gè)分組長度小于k-last < k，那么填充內(nèi)容為 k-last mod k

01 -- if lth mod k = k-1
02 02 -- if lth mod k = k-2
.
.
.
k k ... k k -- if lth mod k = 0

概括來說

分組加密：先將明文切分成固定長度的塊（128位），再進(jìn)行加密。

分組加密的幾種模式：ECB（不安全）、CBC（最常用）、CFB、OFB、CTR。

填充(padding)：部分加密模式，當(dāng)最后一個(gè)塊的長度小于128位時(shí)，需要通過特定的方式進(jìn)行填充。（ECB、CBC需要填充，CFB、OFB、CTR不需要填充）

初始化向量（IV）：部分加密模式（CFB、OFB、CTR）會(huì)將 明文塊 與 前一個(gè)密文塊進(jìn)行亦或操作。對于第一個(gè)明文塊，不存在前一個(gè)密文塊，因此需要提供初始化向量IV（把IV當(dāng)做第一個(gè)明文塊 之前的 密文塊）。此外，IV也可以讓加密結(jié)果隨機(jī)化。

上面是我整理給大家的，希望今后會(huì)對大家有幫助。

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