Nodejs crypto模組中安全基礎知識分享

本文主要跟大家分享Nodejs進階：crypto模組中你需要掌握的安全基礎知識，希望能幫助大家。在網路時代，網路上的數據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。

crypto模組是nodejs的核心模組之一，它提供了安全相關的功能，例如摘要運算、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：

1. 摘要（hash）、基於摘要的訊息驗證碼（HMAC）

2. 對稱加密、非對稱加密、電子簽章

3. 分組加密模式

本文摘錄自《Nodejs學習筆記》，更多章節及更新，請造訪github主頁網址。

二、摘要（hash）

摘要（digest）：將長度不固定的訊息當作輸入，透過執行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數如下：

• MD5：128位元

• SHA-1：160位元

• SHA256 ：256位元

• ##SHA512：512位元

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);
// 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。

三、MAC、HMAC

MAC（Message Authentication Code）：訊息認證碼，用來確保資料的完整性。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

四、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，這個過程叫做加密。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、解密所使用的秘鑰是否相同，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、解密所使用的秘鑰是相同的，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

又稱公開秘鑰加密。加密、解密所使用的秘鑰是不同的，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

1. ############################################################################################################ #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。 ######五、數位簽章######從###簽章###大致可以猜到###數位簽章###的用途。主要功能如下：############確認資訊來自特定的主體。 ###

2. 确认信息完整、未被篡改。

为了达到上述目的，需要有两个过程：

1. 发送方：生成签名。

2. 接收方：验证签名。

1、发送方生成签名

1. 计算原始信息的摘要。

2. 通过私钥对摘要进行签名，得到电子签名。

3. 将原始信息、电子签名，发送给接收方。

附：签名伪代码

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

2、接收方验证签名

1. 通过公钥解开电子签名，得到摘要D1。（如果解不开，信息来源主体校验失败）

2. 计算原始信息的摘要D2。

3. 对比D1、D2，如果D1等于D2，说明原始信息完整、未被篡改。

附：签名验证伪代码

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、对比非对称加密

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。

1. 加密/解密：公钥加密，私钥解密。

2. 签名/验证：私钥签名，公钥验证。

六、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。

图片来源：这里，更多关于分组加密模式的介绍可以参考 wiki。

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。

如图所示，图片来源 这里

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：

1. 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）

2. 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）

3. 如果最后一个分组长度小于k-last < k，那么填充内容为 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

概括来说

1. 分组加密：先将明文切分成固定长度的块（128位），再进行加密。

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

3. 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）

4. 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。

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