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Nodejs進(jìn)階:crypto模塊中你需要掌握的安全基礎(chǔ)知識(shí)

xzavier / 2786人閱讀

摘要:加解密偽代碼加密解密非對(duì)稱加密又稱公開秘鑰加密。常見的非對(duì)稱加密算法。通常來(lái)說(shuō)對(duì)稱加密速度要快于非對(duì)稱加密。在之后的通訊階段,可以使用對(duì)稱加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,秘鑰則是握手階段生成的。確認(rèn)信息完整未被篡改。

一、 文章概述

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(zhǎng)。同時(shí),各類網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)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(duì)安全的認(rèn)識(shí),并通過(guò)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(duì)著長(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)。

本文重點(diǎn)講解API背后的理論知識(shí),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(duì)稱加密、非對(duì)稱加密、電子簽名

分組加密模式

本文摘錄自《Nodejs學(xué)習(xí)筆記》,更多章節(jié)及更新,請(qǐng)?jiān)L問(wèn) github主頁(yè)地址。
二、摘要(hash)

摘要(digest):將長(zhǎng)度不固定的消息作為輸入,通過(guò)運(yùn)行hash函數(shù),生成固定長(zhǎng)度的輸出,這段輸出就叫做摘要。通常用來(lái)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(shuō),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(wú)法反推出輸入。

偽代碼如下。

digest = Hash(message)

常見的摘要算法 與 對(duì)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);
// 輸出如下:注意這里是16進(jìn)制
// 5d41402abc4b2a76b9719d911017c592
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(duì)摘要的定義就好了。
三、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
四、對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密

加密/解密:給定明文,通過(guò)一定的算法,產(chǎn)生加密后的密文,這個(gè)過(guò)程叫加密。反過(guò)來(lái)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(guò)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(wú)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(duì)稱加密、非對(duì)稱加密。

1、對(duì)稱加密

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

常見的對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)說(shuō):

對(duì)稱加密速度要快于非對(duì)稱加密。

非對(duì)稱加密通常用于加密短文本,對(duì)稱加密通常用于加密長(zhǎng)文本。

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

備注:對(duì)稱秘鑰交換不一定通過(guò)RSA,還可以通過(guò)類似DH來(lái)完成,這里不展開。
五、數(shù)字簽名

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(lái)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(guò)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(guò)私鑰對(duì)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(guò)公鑰解開電子簽名,得到摘要D1。(如果解不開,信息來(lái)源主體校驗(yàn)失敗)

計(jì)算原始信息的摘要D2。

對(duì)比D1、D2,如果D1等于D2,說(shuō)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(duì)比非對(duì)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。

六、分組加密模式、填充、初始化向量

常見的對(duì)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(duì)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(zhǎng)的)明文拆分成固定長(zhǎng)度的塊,然后對(duì)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(jiǎn)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。

圖片來(lái)源:這里,更多關(guān)于分組加密模式的介紹可以參考 wiki。

后面假設(shè)每個(gè)塊的長(zhǎng)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(shuō),對(duì)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(duì)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(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

如圖所示,圖片來(lái)源 這里

3、填充:padding

分組加密模式需要對(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)度可能小于128位,此時(shí)需要進(jìn)行填充以滿足長(zhǎng)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(zhǎng)度為k字節(jié),最后一個(gè)分組長(zhǎng)度為k-last,可以看到:

不管明文長(zhǎng)度是多少,加密之前都會(huì)會(huì)對(duì)明文進(jìn)行填充 (不然解密函數(shù)無(wú)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(zhǎng)度剛好等于k的情況)

如果最后一個(gè)分組長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)

分組加密:先將明文切分成固定長(zhǎng)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(zhǎng)度小于128位時(shí),需要通過(guò)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(duì)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。

七、寫在后面

crypto模塊涉及的安全知識(shí)較多,篇幅所限,這里沒(méi)辦法一一展開。為了講解方便,部分內(nèi)容可能不夠嚴(yán)謹(jǐn),如有錯(cuò)漏敬請(qǐng)指出。

有疑問(wèn)或感興趣的同學(xué)歡迎留言交流,也可留意我的github關(guān)注最新內(nèi)容更新《nodejs-learning-guide》。

八、相關(guān)鏈接

Nodejs學(xué)習(xí)筆記

Cryptographic hash function

Hash-based message authentication code

HMAC vs MAC functions

What is the difference between MAC and HMAC?

Block cipher mode of operation

RSA的公鑰和私鑰到底哪個(gè)才是用來(lái)加密和哪個(gè)用來(lái)解密? - 劉巍然-學(xué)酥的回答 - 知乎

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