Nodejs中crypto模塊的安全知識講解

互聯網時代，網絡上的數據量每天都在以驚人的速度增長。同時，各類網絡安全問題層出不窮。在信息安全重要性日益凸顯的今天，作為一名開發者，需要加強對安全的認識，并通過技術手段增強服務的安全性。

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

本文重點講解API背后的理論知識，主要包括如下內容：

摘要（hash）、基于摘要的消息驗證碼（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，通過運行hash函數，生成固定長度的輸出，這段輸出就叫做摘要。通常用來驗證消息完整、未被篡改。

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)

常見的摘要算法 與 對應的輸出位數如下：

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）：消息認證碼，用以保證數據的完整性。運算結果取決于消息本身、秘鑰。

MAC可以有多種不同的實現方式，比如HMAC。

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

nodejs例子如下：

const crypto = require('crypto');
// 參數一：摘要函數
// 參數二：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，產生加密后的密文，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，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、對比與應用

除了秘鑰的差異，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。

兩者可以結合起來使用，比如HTTPS協議，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據進行加密，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。

數字簽名

從簽名大致可以猜到數字簽名的用途。主要作用如下：

確認信息來源于特定的主體。

確認信息完整、未被篡改。

為了達到上述目的，需要有兩個過程：

發送方：生成簽名。

接收方：驗證簽名。

1、發送方生成簽名

計算原始信息的摘要。

通過私鑰對摘要進行簽名，得到電子簽名。

將原始信息、電子簽名，發送給接收方。

附：簽名偽代碼

digest = hash(message); // 計算摘要
digitalSignature = sign(digest, priviteKey); // 計算數字簽名

2、接收方驗證簽名

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

計算原始信息的摘要D2。

對比D1、D2，如果D1等于D2，說明原始信息完整、未被篡改。

附：簽名驗證偽代碼

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

3、對比非對稱加密

由于RSA算法的特殊性，加密/解密、簽名/驗證 看上去特別像，很多同學都很容易混淆。先記住下面結論，后面有時間再詳細介紹。

加密/解密：公鑰加密，私鑰解密。

簽名/驗證：私鑰簽名，公鑰驗證。

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，有三個關鍵的概念需要掌握：模式、填充、初始化向量。

搞清楚這三點，才會知道crypto模塊對稱加密API的參數代表什么含義，出了錯知道如何去排查。

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，然后利用秘鑰進行加密。

后面假設每個塊的長度為128位

2、初始化向量：IV

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

以CBC為例，每一個數據塊，都與前一個加密塊進行亦或運算后，再進行加密。對于第一個數據塊，則是與IV進行亦或。

IV的大小跟數據塊的大小有關（128位），跟秘鑰的長度無關。

3、填充：padding

分組加密模式需要對長度固定的塊進行加密。分組拆分完后，最后一個數據塊長度可能小于128位，此時需要進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。

假設分組長度為k字節，最后一個分組長度為k-last，可以看到：

不管明文長度是多少，加密之前都會會對明文進行填充 （不然解密函數無法區分最后一個分組是否被填充了，因為存在最后一個分組長度剛好等于k的情況）

如果最后一個分組長度等于k-last === k，那么填充內容為一個完整的分組 k k k ... k （k個字節）

如果最后一個分組長度小于k-last < k，那么填充內容為 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，當最后一個塊的長度小于128位時，需要通過特定的方式進行填充。（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）會將 明文塊 與 前一個密文塊進行亦或操作。對于第一個明文塊，不存在前一個密文塊，因此需要提供初始化向量IV（把IV當做第一個明文塊 之前的 密文塊）。此外，IV也可以讓加密結果隨機化。

寫在后面

crypto模塊涉及的安全知識較多，篇幅所限，這里沒辦法一一展開。為了講解方便，部分內容可能不夠嚴謹，如有錯漏敬請指出。

如果大家在學習的時候還有其他疑問可以在下方的留言區域討論，感謝你對腳本之家的支持。

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