NodeJS之加解密Crypto

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模块的目的是为了提供通用的加密和哈希算法。用纯JavaScript代码实现这些功能不是不可能，但速度会非常慢。Nodejs用C/C 实现这些算法后，通过cypto这个模块暴露为JavaScript接口，这样用起来方便，运行速度也快。

编码方式

为什么信息传输需要编码？在开发加密解密数据的时候碰到需要把加密好的字节数组转换成 String 对象用于网络传输的需求，如果把字节数组直接转换成 UTF-8 等编码方式的话肯定会存在某些编码没有对应的字符(8bit只能表示128个字符)，在编码和解析过程中会出错，不能正确地表达信息。这时就可以通过常用的二进制数据编码方式 Base64 编码或者 Hex 编码来实现。

「hex编码」

编码原理

将一个8位的字节数据用两个16进制数表示出来

将8位二进制码重新分组成两个4位的字节
其中一个字节的低4位是原字节的高4位，另一个字节的低4位是原数据的低4位
高4位都补0，然后输出这两个字节对应的十六进制数字作为编码

例子

代码语言：javascript复制

ASCII码：A(65)

二进制码:0100 0001

重新分组: 00000100  00000001

十六进制: 4         1

Hex编码：41

就算原文件是纯英文内容，编码后内容也和原文完全不一样，普通人难以阅读但由于只有16个字符，听说一些程序员大牛能够记下他们的映射关系，从而达到读hex编码和读原文一样的效果。另外，数据在经过hex编码后，空间占用变成了原来的2倍。

「base64编码」

编码原理

Base64编码是通过64个字符来表示二进制数据，64个字符表示二进制数据只能表示6位，所以它可以通过4个 Base64字符来表示3个字节，如下是Base64的字符编码表

img

举个Base64编码的例子，图就很浅显易懂了

img

字符串长度不是3的倍数时补0，也就是“=”

img

由64个字符组成，比hex编码更难阅读，但由于每3个字节会被编码为4个字符。

所以，空间占用会是原来的4/3，比hex要节省空间。另外要注意的是，虽然Base64编码后的数据难以阅读，但不能将其作为加密算法使用，因为它解码都不需要你提供密钥啊

「urlencode编码」

编码原理

urlencode编码，看名字就就知道是设计给url编码的对于a-z，A-Z，0-9，.，-和_ ，urlencode都不会做任何处理原样输出，而其它字节会被编码为%xx(16进制)的形式，其中xx就是这个字节对应的hex编码。由于英文字符原样保留，对于以英文为主的内容，可读性最好，空间占用几乎不变，而对于非英文内容，每个字节会被编码为%xx的3个字符，空间占用是原来的3倍，所以urlencode是一个对英文友好的编码方案。

「Hash」

摘要：将不固定长度的消息作为输入Hash函数，生成固定长度的输出，这段输出称之为摘要适用场景：敏感信息的校验和存储、验证消息完整 & 未被篡改

「特点」

输出长度固定：输入长度不固定，输出长度固定（因算法而异，常见的有MD5、SHA系列）。
运算不可逆：已知运算结果的情况下，无法通过通过逆运算得到原始字符串。
高度离散：输入的微小变化，可导致运算结果差异巨大。
弱碰撞性：不同输入的散列值可能相同。

以MD5为例

MD5（Message-Digest Algorithm）是计算机安全领域广泛使用的散列函数（又称哈希算法、摘要算法），主要用来确保消息的完整和一致性。常见的应用场景：密码保护、下载文件校验等。

「应用场景」

文件完整性校验：比如从网上下载一个软件，一般网站都会将软件的md5值附在网页上，用户下载完软件后，可对下载到本地的软件进行md5运算，然后跟网站上的md5值进行对比，确保软件的完整性
密码保护：将md5后的密码保存到数据库，而不是保存明文密码，避免拖库等事件发生后，明文密码泄漏。
防篡改：比如数字证书的防篡改，就用到了摘要算法。（当然还要结合数字签名等手段）

简单的md5运算

hash.digest([encoding])

计算摘要。encoding可以是hex、base64或其他。如果声明了encoding，那么返回字符串。否则，返回Buffer实例。注意，调用hash.digest()后，hash对象就作废了，再次调用就会报错。

hash.update(data[, input_encoding])

input_encoding可以是utf8、ascii或者其他。如果data是字符串，且没有指定 input_encoding，则默认是utf8。注意，hash.update()方法可以调用多次。

代码语言：javascript复制

const crypto = require('crypto');
const fs = require('fs');

const FILE_PATH = './index.txt'
const ENCODING = 'hex';

const md5 = crypto.createHash('md5');
const content = fs.readFileSync(FILE_PATH);
const result = md5.update(content).digest(ENCODING);
console.log(result);

// f62091d58876a322864f5a522eb05052

密码保护

前面提到，将明文密码保存到数据库是很不安全的最不济也要进行md5后进行保存比如用户密码是123456，md5运行后，得到输出：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e

这样至少有两个好处：

防内部攻击：网站开发者也不知道用户的明文密码，避免开发者拿着用户明文密码干坏事，以这种形式来保护用户的隐私
防外部攻击：如网站被黑客入侵，黑客也只能拿到md5后的密码，而不是用户的明文密码，保证了密码的安全性

代码语言：javascript复制

const crypto = require('crypto');

const cryptPwd = (password) => {
    const md5 = crypto.createHash('md5');
    return md5.update(password).digest('hex');
}

const password = '123456';
const cryptPassword = cryptPwd(password);
console.log(cryptPassword);

// e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e

前面提到，通过对用户密码进行md5运算来提高安全性。
- 但实际上，这样的安全性是很差的，为什么呢？
- 稍微修改下上面的例子，可能你就明白了。相同的明文密码，md5值也是相同的。
也就是说当攻击者知道算法是md5，且数据库里存储的密码值为e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e时，理论上可以可以猜到，用户的明文密码就是123456。
事实上，彩虹表就是这么进行暴力破解的：事先将常见明文密码的md5值运算好存起来，然后跟网站数据库里存储的密码进行匹配，就能够快速找到用户的明文密码。

那么有什么办法可以进一步提升安全性呢？答案是：密码加盐。

「密码加盐」

“加盐”这个词看上去很玄乎，其实原理很简单就是在密码特定位置插入特定字符串后，再对修改后的字符串进行md5运算。

同样的密码，当“盐”值不一样时，md5值的差异非常大

通过密码加盐，可以防止最初级的暴力破解，如果攻击者事先不知道”盐“值，破解的难度就会非常大

代码语言：javascript复制

const crypto = require('crypto');

const cryptPwd = (password, salt) => {
    const saltPassword = `${password}:${salt}`;
    console.log(`原始密码：${password}`);
    console.log(`加盐密码：${saltPassword}`);

    const md5 = crypto.createHash('md5');
    const result = md5.update(password).digest('hex');
    console.log(`加盐密码的MD5值：${result}`)
}



const password = '123456';
const salt = 'abc'
cryptPwd(password, salt);
/*
原始密码：123456
加盐密码：123456:abc
加盐密码的MD5值：e10adc3949ba59abbe56e057f20f883e
*/

「密码加盐：随机盐值」

通过密码加盐，密码的安全性已经提高了不少但其实上面的例子存在不少问题

假设字符串拼接算法、盐值已外泄，上面的代码至少存在下面问题：

短盐值：需要穷举的可能性较少，容易暴力破解，一般采用长盐值来解决。
盐值固定：类似的，攻击者只需要把常用密码盐值的hash值表算出来。

短盐值自不必说，应该避免
- 对于为什么不应该使用固定盐值，这里需要多解释一下。很多时候，我们的盐值是硬编码到我们的代码里的（比如配置文件），一旦攻击者通过某种手段获知了盐值，那么，只需要针对这串固定的盐值进行暴力穷举就行了
比如上面的代码，当你知道盐值是abc时，立刻就能猜到51011af1892f59e74baf61f3d4389092对应的明文密码是123456。

那么，该怎么优化呢？答案是：随机盐值。

可以看到，密码同样是123456，由于采用了随机盐值，前后运算得出的结果是不同的

这样带来的好处是，多个用户，同样的密码，攻击者需要进行多次运算才能够完全破解

同样是纯数字3位短盐值，随机盐值破解所需的运算量 >> 固定盐值

示例代码如下

代码语言：javascript复制

const crypto = require('crypto');

const getRandomSalt = () => {
    return Math.random().toString().slice(2,5);
}

const cryptPwd = (password, salt) => {
    const saltPassword = `${password}:${salt}`;
    console.log(`原始密码：${password}`);
    console.log(`加盐密码：${saltPassword}`);

    const md5 = crypto.createHash('md5');
    const result = md5.update(saltPassword).digest('hex');
    console.log(`加盐密码的MD5值：${result}`)
}

const password = '123456';

cryptPwd(password, getRandomSalt());

/*
原始密码：123456
加盐密码：123456:126
加盐密码的MD5值：3aeb1848ff63aa32b262bc3f8dd5bd82
*/

cryptPwd(password, getRandomSalt());

/*
原始密码：123456
加盐密码：123456:232
加盐密码的MD5值：21a427268a5094322146e18e47b135fb
*/

「HMAC功能」

HMAC的全称是Hash-based Message Authentication Code，也即在hash的加盐运算。具体到使用的话，跟hash模块差不多，选定hash算法，指定“盐”即可。和上面的例子的区别是一个是手动拼盐值，一个是利用HMAC模块

代码语言：javascript复制

const crypto = require("crypto")
const fs = require("fs")

const FILE_PATH = "./index.txt"
const SECRET = 'secret'
const content = fs.readFileSync(FILE_PATH,{encoding:'utf8'})
const hmac = crypto.createHmac('sha256', SECRET);

hmac.update(content)
const output = hmac.digest('hex')
console.log(`Hmac: ${output}`)

// Hmac: 6f438ef66d3806ae14d6692d9610e55c41ebb4eb3ee73911a4d512bd1cade976

注：大文件可流式处理

加密 / 解密

加解密主要用到下面两组方法：

加密：
- crypto.createCipher(algorithm, password)
- crypto.createCipheriv(algorithm, key, iv)
解密：
- crypto.createDecipher(algorithm, password)
- crypto.createDecipheriv(algorithm, key, iv)

「crypto.createCipher / crypto.createDecipher」

先来看下 crypto.createCipher(algorithm, password)，两个参数分别是加密算法、密码

algorithm：加密算法，比如aes192
- 具体有哪些可选的算法，依赖于本地openssl的版本

可以通过openssl list-cipher-algorithms命令查看支持哪些算法

password：用来生成密钥(key)、初始化向量(IV)

crypto.createDecipher(algorithm, password)可以看作 crypto.createCipher(algorithm, password) 逆向操作

代码语言：javascript复制

const crypto = require("crypto")

const SECRET = 'secret'
const ALGORITHM = 'aes192'
const content = 'Hello Node.js'
const encoding = 'hex'

// 加密
const cipher = crypto.createCipher(ALGORITHM, SECRET)
cipher.update(content)
const output = cipher.final(encoding)
console.log(output)
// 944e6e3c21d6eb8568bd6a9716631e、e

// 解密
const decipher = crypto.createDecipher(ALGORITHM, SECRET)
decipher.update(output, encoding)
const input = decipher.final('utf8')
console.log(input)

// Hello Node.js

「crypto.createCipheriv / crypto.createDecipheriv」

相对于 crypto.createCipher() 来说，crypto.createCipheriv() 需要提供key和iv，而 crypto.createCipher() 是根据用户提供的 password 算出来的 key、iv 可以是Buffer，也可以是utf8编码的字符串，这里需要关注的是它们的长度：

key：根据选择的算法有关
- 比如 aes128、aes192、aes256，长度分别是128、192、256位（16、24、32字节）
iv：初始化向量，都是128位（16字节），也可以理解为密码盐的一种

代码语言：javascript复制

const crypto = require("crypto")

const key = crypto.randomBytes(192 / 8)
const iv = crypto.randomBytes(128 / 8)
const algorithm = 'aes192'
const encoding = 'hex'

const encrypt = (text) => {
    const cipher = crypto.createCipheriv(algorithm, key, iv)
    cipher.update(text)
    return cipher.final(encoding)
}

const decrypt = (encrypted) => {
    const decipher = crypto.createDecipheriv(algorithm, key, iv)
    decipher.update(encrypted, encoding)
    return decipher.final('utf8')
}

const content = 'Hello Node.js'
const crypted = encrypt(content)
console.log(crypted)

// db75f3e9e78fba0401ca82527a0bbd62

const decrypted = decrypt(crypted)
console.log(decrypted)

// Hello Node.js

「数字签名」「/ 签名校验」

假设：
- 服务端原始信息为M，摘要算法为Hash，Hash(M)得出的摘要是H
- 公钥为Pub，私钥为Piv，非对称加密算法为Encrypt，非对称解密算法为Decrypt
- Encrypt(H)得到的结果是S
- 客户端拿到的信息为M1，利用Hash(M1)得出的结果是H1
数字签名的产生、校验步骤分别如下：
- 数字签名的产生步骤：
  - 利用摘要算法Hash算出M的摘要，即Hash(M) == H
  - 利用非对称加密算法对摘要进行加密Encrypt( H, Piv )，得到数字签名S
- 数字签名的校验步骤：
  - 利用解密算法D对数字签名进行解密，即Decrypt(S) == H
  - 计算M1的摘要 Hash(M1) == H1，对比 H、H1，如果两者相同，则通过校验

私钥如何生成不是这里的重点，这里采用网上的服务来生成。

了解了数字签名产生、校验的原理后，相信下面的代码很容易理解：

代码语言：javascript复制

const crypto = require('crypto');
const fs = require('fs');
const privateKey = fs.readFileSync('./private-key.pem');  // 私钥
const publicKey = fs.readFileSync('./public-key.pem');  // 公钥
const algorithm = 'RSA-SHA256';  // 加密算法 vs 摘要算法
const encoding = 'hex'

// 数字签名
function sign(text){
    const sign = crypto.createSign(algorithm);
    sign.update(text);
    return sign.sign(privateKey, encoding);
}

// 校验签名
function verify(oriContent, signature){
    const verifier = crypto.createVerify(algorithm);
    verifier.update(oriContent);
    return verifier.verify(publicKey, signature, encoding);
}

// 对内容进行签名
const content = 'hello world';
const signature = sign(content);
console.log(signature);

// 校验签名，如果通过，返回true
const verified = verify(content, signature);
console.log(verified);

DH(DiffieHellman)

DiffieHellman：Diffie–Hellman key exchange，缩写为D-H，是一种安全协议，常用于密钥交换，让通信双方在预先没有对方信息的情况下，通过不安全通信信道，创建一个密钥。这个密钥可以在后续的通信中，作为对称加密的密钥加密传递的信息。

原理解析

假设客户端、服务端挑选两个素数a、p（都公开），然后

客户端：选择自然数Xa，Ya = a^Xa mod p，并将Ya发送给服务端；
服务端：选择自然数Xb，Yb = a^Xb mod p，并将Yb发送给客户端；
客户端：计算 Ka = Yb^Xa mod p
服务端：计算 Kb = Ya^Xb mod p

Ka = Yb^Xa mod p = (a^Xb mod p)^Xa mod p = a^(Xb * Xa) mod p = (a^Xa mod p)^Xb mod p = Ya^Xb mod p = Kb 可以看到，尽管客户端、服务端彼此不知道对方的Xa、Xb，但算出了相等的secret

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const crypto = require('crypto');

const primeLength = 1024;  // 素数p的长度
const generator = 5;  // 素数a

// 创建客户端的DH实例
const client = crypto.createDiffieHellman(primeLength, generator);
// 产生公、私钥对，Ya = a^Xa mod p
const clientKey = client.generateKeys();

// 创建服务端的DH实例，采用跟客户端相同的素数a、p
const server = crypto.createDiffieHellman(client.getPrime(), client.getGenerator());
// 产生公、私钥对，Yb = a^Xb mod p
const serverKey = server.generateKeys();

// 计算 Ka = Yb^Xa mod p
const clientSecret = client.computeSecret(server.getPublicKey());
// 计算 Kb = Ya^Xb mod p
const serverSecret = server.computeSecret(client.getPublicKey());

// 由于素数p是动态生成的，所以每次打印都不一样
// 但是 clientSecret === serverSecret
console.log(clientSecret.toString('hex'));
console.log(serverSecret.toString('hex'));
// 39edfedad4f1be731977436936ca844e50ebc90953ad208c71d7f2dc1772409962ec3eb90eaf99db5948f089e1d4951f148bd7ff76c18b53ff6be32f267fc54535928ce4acf15d923cfd0caec45db95b206e7636128210ea6813a20fb09cbfb06214b2f488716fea32788023d98cb4cb7fe39b68bd3563b3b34257e37f6b7fb7

// 39edfedad4f1be731977436936ca844e50ebc90953ad208c71d7f2dc1772409962ec3eb90eaf99db5948f089e1d4951f148bd7ff76c18b53ff6be32f267fc54535928ce4acf15d923cfd0caec45db95b206e7636128210ea6813a20fb09cbfb06214b2f488716fea32788023d98cb4cb7fe39b68bd3563b3b34257e37f6b7fb7

ECDH(Elliptic Curve Diffie-Hellma)

ECDH和DH原理类似，都是安全密钥协商协议。相对于DH协议，结合椭圆曲线密码学ECC加速，运算更节省CPU资源

ECDH（「Elliptic Curve Diffie-Hellman」 ）原理如下

img

代码语言：javascript复制

const crypto = require('crypto');

const G = 'secp521r1';
const encoding = 'hex'

const server = crypto.createECDH(G);
const serverKey = server.generateKeys();

const client = crypto.createECDH(G);
const clientKey = client.generateKeys();

const serverSecret = server.computeSecret(clientKey);
const clientSecret = client.computeSecret(serverKey);

console.log(serverSecret.toString(encoding));
console.log(clientSecret.toString(encoding));
// 01c418be1b479f936397d4c1653ad77fa28fade67ff058dc18264a72bd1fc208ea6cac4dad996fda55bf271e84f0faef085173257b67bf21f95b09acee4d0a204517

// 01c418be1b479f936397d4c1653ad77fa28fade67ff058dc18264a72bd1fc208ea6cac4dad996fda55bf271e84f0faef085173257b67bf21f95b09acee4d0a204517

ECDHE(Elliptic Curve Diffie-Hellma Ephemeral)

普通的ECDH算法也存在一定缺陷，比如密钥协商的时候有一方的私钥总是一样的，一般都是Server方固定，Client方私钥随机生成。随着时间的延长，黑客可以截获到海量的密钥协商过程（有些数据是公开的），黑客就可以依据这些数据暴力破解出Server的私钥，然后就可以计算出会话密钥了，加密的数据也会随之被破解。固定一方的私钥会有被破解的风险，那么就让双方的私钥在每次密钥交换通信时，都是随机生成的、临时的，这个算法就是ECDH的增强版：ECDHE， E 全称是 Ephemeral（临时性的）。

扩展

学习这块儿知识的同时也学习了很多密码学相关知识，发现越挖越深快陷进去了
数据加密服务专用宿主机编程算法

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NodeJS之加解密Crypto

编码方式

「hex编码」

「base64编码」

「urlencode编码」

「Hash」

「特点」

以MD5为例

「应用场景」

简单的md5运算

密码保护

「密码加盐」

「密码加盐：随机盐值」

「HMAC功能」

加密 / 解密

「crypto.createCipher / crypto.createDecipher」

「crypto.createCipheriv / crypto.createDecipheriv」

「数字签名」 「/ 签名校验」

DH(DiffieHellman)

ECDH(Elliptic Curve Diffie-Hellma)

ECDHE(Elliptic Curve Diffie-Hellma Ephemeral)

扩展

「数字签名」「/ 签名校验」