Node.js理论实践之《加解密与数字签名》

密码学基础

现代密码学主要包含以下几个方面：

• 对称加密（Symmetric Cryptography），以 DES，AES，RC4 为代表。
• 非对称加密（Asymmetric Cryptography），以 RSA，ElGamal，椭圆曲线加密ECC 为代表。
• 哈希函数（Hash Function），以 MD5，SHA-1，SHA-512 等为代表。
• 数字签名（Digital Signature），以 RSA 签名，ElGamal 签名，DSA签名，基于椭圆曲线密码的数字签名算法ECDSA 为代表。

对称加密

对信息进行明/密文变换时，加解和解密使用相同密钥的密码体制。

• 用途：信息量大的加密
• 优点：算法公开、速度快、保密强度高、占用空间小
• 缺点：1. 密钥的分发和管理非常复杂, 建立安全的信道之前，如何实现通信双方的加密密钥的交换; 2. 若接收方伪造一个消息并诬陷是发送方发送的，发送方无法辩解，也就是无法解决消息的确认问题

非对称加密

对信息进行明/密文变换时，加密和解密密钥不相同的密码体制。每个用户都具有一对密钥，一个用于加密，一个用于解密，其中加密密钥可以公开，称之为公钥， 解密密钥属于秘密，称之为私钥，只有用户一人知道。

用途：加密关键性的、核心的机密数据 优点：算法复杂，安全性高。通信双方不需要通过建立一个安全信道来进行密钥的交换，密钥空间小，降低了密钥管理的难度 缺点：1. 加解密速度慢，不适合通信负荷较重的情况 2. 如果一个人用自己的公钥加密数据发送给我，我无法断定是谁发送的； 3. 我用私钥加密的数据，任何知道我公钥的人都能解密我的数据。

混合加密

因为对称加密速度快，但很难保证密钥传输的安全性，非对称加密加解最大的优点是事先不需要传输密钥，但速度慢，因此实际应用中，经常采取混合密码体制。 即同时使用对称密码和非对称密码的体制。假如A要向B传输数据，工作过程如下：

1. A选取一个随机数，做为对称加密的密钥，即会话密钥；
2. A用上面的会话密钥加密通信内容，再用B的公钥加密会话密钥后，一并发送给B;
3. B收到数据后，先用自己的私钥解密出会话密钥，然后用会话密钥解密出通信内容。

哈希函数

通过一个函数，把任意长度的数据转换为一个长度固定的数据串（通常用16进制的字符串表示）。 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。

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

用途：检测消息或者密钥等信息对象中的任何微小的变化, 应用到数字签名中。还有一致性验证，安全访问认证等。 优点：单向加密算法，算法不可逆 缺点：可以通过碰撞法破解

数字签名

数字签名是指发送方以电子形式签名一个消息或文件，签名后的消息或文件能在网络中传输，并表示签名人对该消息或文件的内容负有责任。 数字签名综合使用了消息摘要和非对称加密技术，可以保证接受者能够核实发送者对报文的签名，发送者事后不抵赖报文的签名，接受者不能篡改报文内容和伪造对报文的签名。

过程如下：

1. 发送方要发送消息运用散列函数（MD5、SHA-1等）形成消息摘要；
2. 发送方用自己的私钥对消息摘要进行加密，形成数字签名；
3. 发送方将数字签名附加在消息后发送给接收方；
4. 接受方用发送方的公钥对签名信息进行解密，得到消息摘要；
5. 接收方以相同的散列函数对接收到的消息进行散列，也得到一份消息摘要；
6. 接收方比较两个消息摘要，如果完全一致，说明数据没有被篡改，签名真实有效；否则拒绝该签名。

Node.js中crypto模块

nodejs通过crypto模块实现加密解密。crypto 模块提供了加密功能，包括哈希、HMAC、加密、解密、签名、以及验证功能的以整套封装，利用了OpenSSL来实现其加密技术。

Hash算法

示例：

const crypto = require('crypto')
const hash = crypto.createHash('md5')

// 指定要摘要的原始内容,可以在摘要被输出之前使用多次update方法来添加摘要内容
hash.update('Hello, world!')
hash.update('Hello, nodejs!')

console.log(hash.digest('hex'))

// 摘要输出，在使用digest方法之后不能再向hash对象追加摘要内容。
hash.update('Hello, error!') // Error [ERR_CRYPTO_HASH_FINALIZED]: Digest already called

Hmac算法

哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code）,HMAC 运算利用哈希算法，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。

示例：

const crypto = require('crypto')
const hmac = crypto.createHmac('sha256', 'secret-key')

hmac.update('Hello, world!')
hmac.update('Hello, nodejs!')

console.log(hmac.digest('hex')) // 80f7e22570...

对称加密

AES是一种常用的对称加密算法，加解密都用同一个密钥。crypto模块提供了AES支持，但是需要自己封装好函数，便于使用。

示例：

var crypto = require('crypto');
//加密
function encrypt(str,secret){
	var cipher = crypto.createCipher('aes192',secret);  //
	var enc = cipher.update(str,'utf8','hex');
	enc += cipher.final('hex');

	return enc;
}

//解密
function decrypt(str,secret){
	var decipher = crypto.createDecipher('aes192',secret);
	var dec = decipher.update(str,'hex','utf8');
	dec += decipher.final('utf8');
	return dec;
}

var data = 'Hello, this is a secret message!'
var key = 'Password!'
var encrypted = encrypt(data, key)
var decrypted = decrypt(encrypted, key)

console.log('Plain text: ' + data)
console.log('Encrypted text: ' + encrypted)
console.log('Decrypted text: ' + decrypted)

输了结果如下：

> Plain text: Hello, this is a secret message!
> Encrypted text: 8a944d97bdabc157a5b7a40cb180e713f901d2eb454220d6aaa1984831e17231f87799ef334e3825123658c80e0e5d0c
> Decrypted text: Hello, this is a secret message!

非对称加密

RSA算法是一种非对称加密算法，即由一个私钥和一个公钥构成的密钥对，通过私钥加密，公钥解密，或者通过公钥加密，私钥解密。其中，公钥可以公开，私钥必须保密。我们借助openssl准备好私钥和公钥。

1. 命令行执行以下命令以生成一个RSA密钥对

$ openssl genrsa -aes256 -out rsa-key.pem 2048

根据提示输入密码，这个密码是用来加密RSA密钥的，加密方式指定为AES256，生成的RSA的密钥长度是2048位。执行成功后，我们获得了加密的rsa-key.pem文件。

2. 通过上面的rsa-key.pem加密文件，我们可以导出原始的私钥

$ openssl rsa -in rsa-key.pem -outform PEM -out rsa-prv.pem

输入第一步的密码，我们获得了解密后的私钥。类似的，我们用下面的命令导出原始的公钥：

$ openssl rsa -in rsa-key.pem -outform PEM -pubout -out rsa-pub.pem

这样，我们就准备好了原始私钥文件rsa-prv.pem和原始公钥文件rsa-pub.pem，编码格式均为PEM。

示例：

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

// 从文件加载key:
function loadKey(file) {
    // key实际上就是PEM编码的字符串:
    return fs.readFileSync(file, 'utf8');
}

let
    prvKey = loadKey('./rsa-prv.pem'),
    pubKey = loadKey('./rsa-pub.pem'),
    message = 'Hello, world!';

// 使用私钥加密:
let enc_by_prv = crypto.privateEncrypt(prvKey, Buffer.from(message, 'utf8'));
console.log('encrypted by private key: ' + enc_by_prv.toString('hex'));

// 使用公钥解密
let dec_by_pub = crypto.publicDecrypt(pubKey, enc_by_prv);
console.log('decrypted by public key: ' + dec_by_pub.toString('utf8'));

// 使用公钥加密:
let enc_by_pub = crypto.publicEncrypt(pubKey, Buffer.from(message, 'utf8'));
console.log('encrypted by public key: ' + enc_by_pub.toString('hex'));

// 使用私钥解密:
let dec_by_prv = crypto.privateDecrypt(prvKey, enc_by_pub);
console.log('decrypted by private key: ' + dec_by_prv.toString('utf8'));

通过输出结果，我们可以看出，无论是私钥加密，公钥解密，还是公钥加密，私钥解密，解密后的消息都与原始消息相同。

数字签名

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

// 从文件加载key:
function loadKey(file) {
    // key实际上就是PEM编码的字符串:
    return fs.readFileSync(file, 'utf8');
}

let
    prvKey = loadKey('./rsa-prv.pem'),
    pubKey = loadKey('./rsa-pub.pem'),
    message = 'Hello, world!';

let sign = crypto.createSign('RSA-SHA256');
sign.update(message);
let signature = sign.sign(prvKey, 'hex');  //生成签名（私钥加密）

let verify = crypto.createVerify('RSA-SHA256');
verify.update(message);
let verifyResult = verify.verify(pubKey,signature,'hex'); //验证签名（公钥解密）
console.log(verifyResult) //true

椭圆曲线加密

椭圆曲线加密算法，即：Elliptic Curve Cryptography，简称ECC，是基于椭圆曲线数学理论实现的一种非对称加密算法。 相比RSA，ECC优势是可以使用更短的密钥，来实现与RSA相当或更高的安全。

原理

椭圆曲线加解密原理： 公开密钥算法总是要基于一个数学上的难题。比如RSA依据的是：给定两个素数p、q 很容易相乘得到n，而对n进行因式分解却相对困难。 那椭圆曲线上有什么难题呢？考虑如下等式：

K=kG [其中K,G为Ep(a,b)上的点，k为小于n（n是点G的阶）的整数]

给定k和G，根据加法法则，计算K很容易；但给定K和G，求k就相对困难了。这就是椭圆曲线加密算法采用的难题。

我们把点G称为基点（base point），k（k<n，n为基点G的阶）称为私有密钥（privte key），K称为公开密钥（public key)。

k = 2，K为G的2倍点; k = 3，K为G的3倍点; k = 4，K为G的4倍点; ...

如果给定椭圆曲线上K为G的一个倍点，如何计算K为G的多少倍？ 直观上理解，正向计算一个倍点是容易的，反向计算一个点K是G的几倍点则困难的多。 因此在椭圆曲线算法中，将倍数k做为私钥，将K做为公钥。

椭圆曲线数字签名原理:椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）是使用椭圆曲线密码（ECC）对数字签名算法（DSA）的模拟。

secp256k1曲线

比特币使用椭圆曲线算法生成公钥和私钥，选择的是secp256k1曲线。 具体使用过程是，先随机生成一个私钥，然后通过椭圆曲线加密算法算法（ECC）得到一个公钥，然后再使用椭圆曲线签名算法（ECDSA）和私钥结合进行签名

示例：

const { randomBytes } = require('crypto');
const secp256k1 = require('secp256k1');
const ecdsa = require('ecdsa');

// 随机生成一个数, 作为通信内容
const data = randomBytes(32);
console.log(data);

// 随机产生一个私钥
let privKey
do {
  privKey = randomBytes(32);
  console.log(privKey);
} while (!secp256k1.privateKeyVerify(privKey));

// 根据私钥导出公钥
const pubKey = secp256k1.publicKeyCreate(privKey);
console.log(pubKey);

// 签名
const signature = ecdsa.sign(data, privKey);
console.log(sig);

// 验签
console.log(ecdsa.verify(data, signature, pubKey));//核查签名是否正确
// => true

以上示例代码是椭圆曲线加密算法最简单的使用了，关于复杂的应用案例，这里推荐国产公链ultrain的u3.js，有兴趣的同学可以参考一下它的实现。