Nodejs中crypto模組的安全知識分享

網路時代，網路上的資料量每天都在以驚人的速度成長。同時，各類網路安全問題層出不窮。在資訊安全重要性日益凸顯的今天，作為一名開發者，需要加強對安全的認識，並透過技術手段增強服務的安全性。本文主要跟大家詳細介紹了Nodejs中crypto模組的安全知識的相關內容，需要的朋友跟著小編一下學習參考下吧，希望能幫助到大家。

crypto模組是nodejs的核心模組之一，它提供了安全相關的功能，如摘要運算、加密、電子簽章等。許多初學者對著長長的API列表，不知如何上手，因此它背後涉及了大量安全領域的知識。

本文重點介紹API背後的理論知識，主要包括如下內容：

摘要（hash）、基於摘要的訊息驗證碼（HMAC）

對稱加密、非對稱加密、電子簽章

分組加密模式

摘要（hash）

摘要（digest）：長度不固定的訊息作為輸入，透過運行hash函數，產生固定長度的輸出，這段輸出就叫做摘要。通常用來驗證訊息完整、未被竄改。

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

偽代碼如下。

digest = Hash(message)

常見的摘要演算法與對應的輸出位元數如下：

MD5：128位元

SHA -1：160位元

SHA256 ：256位元

SHA512：512位元

nodejs中的範例：

var crypto = require('crypto');
var md5 = crypto.createHash('md5');
var message = 'hello';
var digest = md5.update(message, 'utf8').digest('hex'); 
console.log(digest);
// 输出如下：注意这里是16进制
// 5d41402abc4b2a76b9719d911017c592

備註：在各類文章或文獻中，摘要、hash、散列這幾個詞經常會混用，導致不少初學者看了一臉懵逼，其實大部分時候指的都是一回事，記住上面對摘要的定義就好了。

MAC、HMAC

MAC（Message Authentication Code）：訊息認證碼，以確保資料的完整性。運算結果取決於訊息本身、秘鑰。

MAC可以有多種不同的實作方式，例如HMAC。

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）：可以粗略地理解為具有密碼金鑰的hash函數。

nodejs範例如下：

const crypto = require('crypto');
// 参数一：摘要函数
// 参数二：秘钥
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，透過一定的演算法，產生加密後的密文，這個過程叫加密。反過來就是解密。

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

秘鑰：為了進一步增強加/解密演算法的安全性，在加/解密的過程中引入了秘鑰。秘鑰可以視為加/解密演算法的參數，在已知密文的情況下，如果不知道解密所使用的秘鑰，則無法將密文解開。

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

根據加密、解密所使用的密碼金是否相同，可以將加密演算法分為對稱加密、非對稱加密。

1、對稱加密

加密、解密所使用的密碼金鑰是相同的，即encryptKey === decryptKey。

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

加上、解密偽代碼：

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

2、非對稱加密

#又稱為公開秘鑰加密。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。

常見的非對稱加密演算法：RSA、DSA、ElGamal。

加上、解密偽代碼：

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

3、比較與應用程式

除了密碼金鑰的差異，還有運算速度上的差異。通常來說：

對稱加密速度要快於非對稱加密。

非對稱加密通常用於加密短文本，對稱加密通常用於加密長文本。

兩者可以結合起來使用，例如HTTPS協議，可以在握手階段，透過RSA來交換產生對稱秘鑰。在之後的通訊階段，可以使用對稱加密演算法對資料進行加密，而秘鑰則是握手階段產生的。

備註：對稱秘鑰交換不一定透過RSA，還可以透過類似DH來完成，這裡不展開。

數位簽章

從簽章大致上可以猜到數位簽章的用途。主要作用如下：

確認資訊來自特定的主體。

確認資訊完整、未被竄改。

為了達到上述目的，需要有兩個過程：

發送方：產生簽章。

接收方：驗證簽章。

1、發送方產生簽章

計算原始資訊的摘要。

透過私鑰對摘要進行簽名，得到電子簽名。

將原始訊息、電子簽名，傳送給接收方。

附：簽名偽代碼

digest = hash(message); // 计算摘要
digitalSignature = sign(digest, priviteKey); // 计算数字签名

2、接收者驗證簽名

透過公鑰解開電子簽名，得到摘要D1。 （如果解不開，資訊來源主體校驗失敗）

計算原始資訊的摘要D2。

比較D1、D2，如果D1等於D2，表示原始資訊完整、未被竄改。

附：簽章驗證偽代碼

digest1 = verify(digitalSignature, publicKey); // 获取摘要
digest2 = hash(message); // 计算原始信息的摘要
digest1 === digest2 // 验证是否相等

3、對比非對稱加密

由于RSA算法的特殊性，加密/解密、签名/验证 看上去特别像，很多同学都很容易混淆。先记住下面结论，后面有时间再详细介绍。

加密/解密：公钥加密，私钥解密。

签名/验证：私钥签名，公钥验证。

分组加密模式、填充、初始化向量

常见的对称加密算法，如AES、DES都采用了分组加密模式。这其中，有三个关键的概念需要掌握：模式、填充、初始化向量。

搞清楚这三点，才会知道crypto模块对称加密API的参数代表什么含义，出了错知道如何去排查。

1、分组加密模式

所谓的分组加密，就是将（较长的）明文拆分成固定长度的块，然后对拆分的块按照特定的模式进行加密。

常见的分组加密模式有：ECB（不安全）、CBC（最常用）、CFB、OFB、CTR等。

以最简单的ECB为例，先将消息拆分成等分的模块，然后利用秘钥进行加密。

后面假设每个块的长度为128位

2、初始化向量：IV

为了增强算法的安全性，部分分组加密模式（CFB、OFB、CTR）中引入了初始化向量（IV），使得加密的结果随机化。也就是说，对于同一段明文，IV不同，加密的结果不同。

以CBC为例，每一个数据块，都与前一个加密块进行亦或运算后，再进行加密。对于第一个数据块，则是与IV进行亦或。

IV的大小跟数据块的大小有关（128位），跟秘钥的长度无关。

3、填充：padding

分组加密模式需要对长度固定的块进行加密。分组拆分完后，最后一个数据块长度可能小于128位，此时需要进行填充以满足长度要求。

填充方式有多重。常见的填充方式有PKCS7。

假设分组长度为k字节，最后一个分组长度为k-last，可以看到：

不管明文长度是多少，加密之前都会会对明文进行填充 （不然解密函数无法区分最后一个分组是否被填充了，因为存在最后一个分组长度刚好等于k的情况）

如果最后一个分组长度等于k-last === k，那么填充内容为一个完整的分组 k k k ... k （k个字节）

如果最后一个分组长度小于k-last

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

概括来说

分组加密：先将明文切分成固定长度的块（128位），再进行加密。

分组加密的几种模式：ECB（不安全）、CBC（最常用）、CFB、OFB、CTR。

填充(padding)：部分加密模式，当最后一个块的长度小于128位时，需要通过特定的方式进行填充。（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）会将 明文块 与 前一个密文块进行亦或操作。对于第一个明文块，不存在前一个密文块，因此需要提供初始化向量IV（把IV当做第一个明文块 之前的 密文块）。此外，IV也可以让加密结果随机化。

写在后面

crypto模块涉及的安全知识较多，篇幅所限，这里没办法一一展开。为了讲解方便，部分内容可能不够严谨，如有错漏敬请指出。

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