Nodejs中crypto模块的安全知识讲解

互联网时代，网络上的数据量每天都在以惊人的速度增长。同时，各类网络安全问题层出不穷。在信息安全重要性日益凸显的今天，作为一名开发者，需要加强对安全的认识，并通过技术手段增强服务的安全性。

crypto模块是nodejs的核心模块之一，它提供了安全相关的功能，如摘要运算、加密、电子签名等。很多初学者对着长长的api列表，不知如何上手，因此它背后涉及了大量安全领域的知识。

本文重点讲解api背后的理论知识，主要包括如下内容：

摘要（hash）、基于摘要的消息验证码（hmac）

对称加密、非对称加密、电子签名

分组加密模式

摘要（hash）

摘要（digest）：将长度不固定的消息作为输入，通过运行hash函数，生成固定长度的输出，这段输出就叫做摘要。通常用来验证消息完整、未被篡改。

摘要运算是不可逆的。也就是说，输入固定的情况下，产生固定的输出。但知道输出的情况下，无法反推出输入。

伪代码如下。

digest = hash(message)

常见的摘要算法 与 对应的输出位数如下：

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);
// 输出如下：注意这里是16进制
// 5d41402abc4b2a76b9719d911017c592

备注：在各类文章或文献中，摘要、hash、散列 这几个词经常会混用，导致不少初学者看了一脸懵逼，其实大部分时候指的都是一回事，记住上面对摘要的定义就好了。

mac、hmac

mac（message authentication code）：消息认证码，用以保证数据的完整性。运算结果取决于消息本身、秘钥。

mac可以有多种不同的实现方式，比如hmac。

hmac（hash-based message authentication code）：可以粗略地理解为带秘钥的hash函数。

nodejs例子如下：

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

对称加密、非对称加密

加密/解密：给定明文，通过一定的算法，产生加密后的密文，这个过程叫加密。反过来就是解密。

encryptedtext = encrypt( plaintext )
plaintext = decrypt( encryptedtext )

秘钥：为了进一步增强加/解密算法的安全性，在加/解密的过程中引入了秘钥。秘钥可以视为加/解密算法的参数，在已知密文的情况下，如果不知道解密所用的秘钥，则无法将密文解开。

encryptedtext = encrypt(plaintext, encryptkey)
plaintext = decrypt(encryptedtext, decryptkey)

根据加密、解密所用的秘钥是否相同，可以将加密算法分为对称加密、非对称加密。

1、对称加密

加密、解密所用的秘钥是相同的，即encryptkey === decryptkey。

常见的对称加密算法：des、3des、aes、blowfish、rc5、idea。

加、解密伪代码：

encryptedtext = encrypt(plaintext, key); // 加密
plaintext = decrypt(encryptedtext, key); // 解密

2、非对称加密

又称公开秘钥加密。加密、解密所用的秘钥是不同的，即encryptkey !== decryptkey。

加密秘钥公开，称为公钥。解密秘钥保密，称为秘钥。

常见的非对称加密算法：rsa、dsa、elgamal。

加、解密伪代码：

encryptedtext = encrypt(plaintext, publickey); // 加密
plaintext = decrypt(encryptedtext, privitekey); // 解密

3、对比与应用

除了秘钥的差异，还有运算速度上的差异。通常来说：

对称加密速度要快于非对称加密。

非对称加密通常用于加密短文本，对称加密通常用于加密长文本。

两者可以结合起来使用，比如https协议，可以在握手阶段，通过rsa来交换生成对称秘钥。在之后的通讯阶段，可以使用对称加密算法对数据进行加密，秘钥则是握手阶段生成的。

备注：对称秘钥交换不一定通过rsa，还可以通过类似dh来完成，这里不展开。

数字签名

从签名大致可以猜到数字签名的用途。主要作用如下：

确认信息来源于特定的主体。

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：

发送方：生成签名。

接收方：验证签名。

1、发送方生成签名

计算原始信息的摘要。

通过私钥对摘要进行签名，得到电子签名。

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

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）

计算原始信息的摘要d2。

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。

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 < 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

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。

如果大家在学习的时候还有其他疑问可以在下方的留言区域讨论，感谢你对的支持。