深度理解Nodejs中crypto模块的安全知识

原创 年树先生 随笔 node 19718阅读 24 天前 举报

本篇文章给大家详细介绍了Nodejs中crypto模块的安全知识的相关内容,写的十分的全面细致,具有一定的参考价值,对此有需要的朋友可以参考学习下。如有不足之处,欢迎批评指正。

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:
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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:

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。

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。

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:

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:

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

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

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

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。

结语

感谢您的观看,如有不足之处,欢迎批评指正。

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