node 的 crypto 模块

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/2022/11/node-%E7%9A%84-crypto-%E6%A8%A1%E5%9D%97/images/header.png

crypto 模块是对 OpenSSL 的封装，主要功能有哈希、对称加密以及非对称加密。

下面是一些介绍。

hash 通常给数据签名，它是不可逆的。 hash 算法有很多种，取决于当前机器 OpenSSL 的版本。

# 查看 openssl 版本（以 Ubuntu 18.04 为例）
openssl version

# out:
# OpenSSL 1.1.1  11 Sep 2018

使用 openssl list-message-digest-algorithms 可以查看支持哪些 hash 算法：

openssl list-message-digest-algorithms

# out:
# DSA
# DSA-SHA
# DSA-SHA1 => DSA
# DSA-SHA1-old => DSA-SHA1
# DSS1 => DSA-SHA1
# gost-mac
# streebog512
# streebog256
# md_gost94
# MD4
# MD5
# MD5-SHA1
# RIPEMD160
# RSA-MD4 => MD4
# RSA-MD5 => MD5
# RSA-RIPEMD160 => RIPEMD160
# RSA-SHA1 => SHA1
# RSA-SHA1-2 => RSA-SHA1
# RSA-SHA224 => SHA224
# RSA-SHA256 => SHA256
# RSA-SHA384 => SHA384
# RSA-SHA512 => SHA512
# SHA1
# SHA224
# SHA256
# SHA384
# SHA512
# ...

常用的 hash 算法有 md5、sha256、sha512，下面是一些运算例子：

const crypto = require("crypto");

function createHash(text, hashtype) {
  const hash = crypto.createHash(hashtype).update(text).digest("hex");
  console.log(hashtype, hash, hash.length);
}

["md5", "sha256", "sha512"].forEach((type) => {
  createHash("hello", type);
});

// out:
// md5 5d41402abc4b2a76b9719d911017c592 32
// sha256 2cf24dba5fb0a30e26e83b2ac5b9e29e1b161e5c1fa7425e73043362938b9824 64
// sha512 9b71d224bd62f3785d96d46ad3ea3d73319bfbc2890caadae2dff72519673ca72323c3d99ba5c11d7c7acc6e14b8c5da0c4663475c2e5c3adef46f73bcdec043 128

Hmac 算法也是一种哈希算法，它可以利用 MD5 或 SHA256 等哈希算法，不同的是，Hmac 还需要一个密钥（俗称加盐）。

参考一个例子：

const crypto = require("crypto");

const result = crypto.createHmac("md5", "123456").update("hello").digest("hex");

console.log(result);

// out:
// 9c699d7af73a49247a239cb0dd2f8139

为什么要加盐？因为相同密码的 hash 值是相同的，所以很容易通过彩虹表来破解密码（彩虹表可以简单理解为明文->密文的键值对），加盐后，破解的概率几乎为零。

对称加密和前面的 hash 不同，它是可逆的。对称加密算法也有很多种，取决于当前机器 OpenSSL 的版本。

使用 openssl list-cipher-commands 可以查看支持哪些对称加密算法：

openssl list-cipher-commands

# out:
# aes-128-cbc
# aes-128-ecb
# aes-192-cbc
# aes-192-ecb
# aes-256-cbc
# aes-256-ecb
# base64
# bf
# bf-cbc
# bf-cfb
# bf-ecb
# bf-ofb
# camellia-128-cbc
# camellia-128-ecb
# camellia-192-cbc
# camellia-192-ecb
# camellia-256-cbc
# camellia-256-ecb
# ...

常见的对称加密算法有 aes-256-cbc。

crypto 模块中提供了 createCipheriv 和 createDecipheriv 来进行加密和解密的功能:

crypto.createCipheriv(algorithm, key, iv)
crypto.createDecipheriv(algorithm, key, iv)

这两个方法都接收 3 个参数：

algorithm：加密解密的类型
key: 加密解密的密钥
iv: 初始向量

下面是一个例子：

const crypto = require("crypto");

// 生成符合规范长度的密钥
function genkey(secret, length = 32) {
  return crypto
    .createHash("sha256")
    .update(String(secret))
    .digest("base64")
    .substr(0, length);
}

// 加密字符串
function encryptByAes256(content, secretkey, iv) {
  const cipher = crypto.createCipheriv(
    "aes-256-cbc",
    genkey(secretkey),
    genkey(iv, 16)
  );
  let enc = cipher.update(content, "utf8", "hex");
  enc += cipher.final("hex");
  return enc;
}

// 解密字符串
function decryptByAes256(content, secretkey, iv) {
  const decipher = crypto.createDecipheriv(
    "aes-256-cbc",
    genkey(secretkey),
    genkey(iv, 16)
  );
  let dec = decipher.update(content, "hex", "utf8");
  dec += decipher.final("utf8");
  return dec;
}

const encContent = encryptByAes256("hello", "a", "b");

console.log(encContent);

const decContent = decryptByAes256(encContent, "a", "b");

console.log(decContent);

注意 createCipheriv 和 createDecipheriv 对 key 和 iv 的长度有要求，所以上例子中用 genkey 做了一次转换。下面是 AES 算法对长度的具体要求（以 key 和 iv 都是字符串类型为例）：

算法类型	key	iv
aes128	16	16
aes192	24	16
aes256	32	16

另外，细心的同学会看到 aes256 具体有 aes-256-cbc 和 aes-256-ecb 两种算法。aes-256-cbc 算法相对更加安全，下面的图看出它们的区别：

./images/01.png

非对称加密

我们刚才了解了下对称加密，即加密和解密用的都是相同的密钥。

非对称加密不一样，它有一对密钥，公钥和私钥。公钥用来加密内容，然后私钥解密加密的内容。非对称加密有避免了私钥的传输，大大增加了安全性。

常见的非对称加密算法有 RSA。

下面是 node 使用非对称性加密的例子：

1、创建一个私钥：

openssl genrsa -out rsa_private.key 1024

2、根据私钥创建对应的公钥：

openssl rsa -in rsa_private.key -pubout -out rsa_public.key

在 node 中使用

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

const pub_key = fs.readFileSync("./rsa_public.key");
const priv_key = fs.readFileSync("./rsa_private.key");

const text = "hello";

const crypted_buffer = crypto.publicEncrypt(pub_key, Buffer.from(text));

const crypted_text = crypted_buffer.toString("base64");

const decryptd_buffer = crypto.privateDecrypt(
  priv_key,
  Buffer.from(crypted_text, "base64")
);

const decryptd_text = decryptd_buffer.toString();

console.log(crypted_text);
console.log(decryptd_text);

或者使用 node-rsa 模块：

const NodeRSA = require("node-rsa");
const fs = require("fs");

const pub_key = fs.readFileSync("./rsa_public.key");
const priv_key = fs.readFileSync("./rsa_private.key");
const key = new NodeRSA(pub_key + priv_key);

const text = "admin@123456";

const crypted_text = key.encrypt(text, "base64");
console.log("encrypted: ", crypted_text);

const decrypted_text = key.decrypt(crypted_text, "utf8");
console.log("decrypted: ", decrypted_text);

跨语言 RSA 加解密问题

实际工作过程中，遇到 node 端公钥加密， python 端私钥解密的场景；

python 端用的是 rsa 模块，具体代码如下：

import rsa
import base64

f1 = open("./rsa_public.key",encoding = "utf-8")
pubkey_text = f1.read()
f1.close()

f2 = open("./rsa_private.key",encoding = "utf-8")
prikey_text = f2.read()
f2.close()

prikey = rsa.PrivateKey.load_pkcs1(prikey_text)
pubkey = rsa.PublicKey.load_pkcs1(pubkey_text)

text = "admin@123456"

# 公钥加密
cipher_text = rsa.encrypt(text.encode('utf-8'), pubkey)
encode_text = base64.b64encode(cipher_text).decode('utf-8')

print('encode_text:',encode_text)

# 私钥解密
decrypt_text = rsa.decrypt(base64.b64decode(encode_text.encode('utf-8')),prikey)
decode_text = decrypt_text.decode('utf-8')
print(decode_text)

对接过程中发现：同一套公私钥下，node 加密的密文， python 无法解密；反之也是这样。

后来排查发现是默认 padding 不同，python 默认是 pkcs1，node 默认是 pkcs1_oaep;

需要在 publicEncrypt 和 privateDecrypt 函数中添加 padding 选项，将上面的 node 代码改成如下即可：

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

const pub_key = fs.readFileSync("./rsa_public.key");
const priv_key = fs.readFileSync("./rsa_private.key");

const text = "admin@123456";

const crypted_buffer = crypto.publicEncrypt(
  {
    key: pub_key,
    padding: crypto.constants.RSA_PKCS1_PADDING,
  },
  Buffer.from(text)
);

const crypted_text = crypted_buffer.toString("base64");

const decryptd_buffer = crypto.privateDecrypt(
  {
    key: priv_key,
    padding: crypto.constants.RSA_PKCS1_PADDING,
  },
  Buffer.from(crypted_text, "base64")
);

const decryptd_text = decryptd_buffer.toString();

console.log(crypted_text);
console.log(decryptd_text);

在 node-rsa 中则是添加 setOptions({encryptionScheme: 'pkcs1'}) 即可；

`pkcs1` 和 `pkcs8`

rsa 有 pkcs1 和 pkcs8 两种格式

pkcs1 以 ‘—–BEGIN RSA PUBLIC KEY—–’ 或者 ‘—–BEGIN RSA PRIVATE KEY—–’ 开头
pkcs8 以 ‘—–BEGIN PUBLIC KEY—–’ 或者 ‘—–BEGIN PRIVATE KEY—–’ 开头

其他 RSA 注意点

加密出来的文本

对于一段文本，RSA 共钥每次加密出来的密文都不一样

openssl 导出的公钥格式

默认 openssl 生成的 publickey 是 pkcs8 格式，这就导致 python 的 rsa 模块无法使用（rsa 只支持 pkcs1）

可以用 openssl 将 pkcs8 公钥转换为 pkcs1 公钥，命令是 openssl rsa -pubin -in public.pem -RSAPublicKey_out，其他转换可以参考 openssl RSA 密钥格式 PKCS1 和 PKCS8 相互转换这篇文章

Diffie-Hellman

DH 算法是一种密钥交换协议，它可以让双方在不泄漏密钥的情况下协商出一个密钥来。

DH 算法的数学基础如下：

假设 A = K^X mod M，已知 X 的情况下，很容易算出 A；已知道 A 的情况下，很难算出 X；
(K^X mod M)^Y mod M = K^(X * Y) mod M

用 node 模拟 HD 算法过程

X 先选一个素数和一个底数：素数 M=97，底数 K=31（底数可以任选），再选择一个秘密整数 X=5，计算 A=K^X mod M=86，然后告诉 Y：K=31，M=97，A=86； Y 收到 X 发来的 K，M，A 后，也选一个秘密整数 Y=7，然后计算 B=K^Y mod M=2，并告诉 X：B=2；

X 自己计算出 key=B^Y mod M=32; Y 也自己计算出 key=A^Y mod M=32;

因此，最终协商的密钥 key 为 32。

const K = 31; // 底数
const M = 97; // 取模（需要是质数）

const X = 5; // X 的私钥
const A = Math.pow(K, X) % M; // 86

const Y = 7; // Y 的私钥
const B = Math.pow(K, Y) % M; // 2

console.log(Math.pow(B, X) % M); // X 计算出的密钥：32
console.log(Math.pow(A, Y) % M); // Y 计算出的密钥：32

使用 crypto 中的 DH 算法

const crypto = require("crypto");

// X 生成 key
const X = crypto.createDiffieHellman(512);

const prime = X.getPrime(); // 公开的随机数
console.log("Prime: " + prime.toString("hex"));

const X_PublicKey = X.generateKeys(); // X 生成用于交换的 key
const X_PrivateKey = X.getPrivateKey(); // X 自己的私钥

console.log("X_PublicKey", X_PublicKey.toString("hex"));
console.log("X_PrivateKey", X_PrivateKey.toString("hex"));

// Y 生成 keys
const Y = crypto.createDiffieHellman(prime); // 根据公开的随机数创建 Y
const Y_PublicKey = Y.generateKeys(); // Y 生成用于交换的 key
const Y_PrivateKey = Y.getPrivateKey(); // Y 自己的私钥

console.log("Y_PublicKey", Y_PublicKey.toString("hex"));
console.log("Y_PrivateKey", Y_PrivateKey.toString("hex"));

// 交换生成协商密钥：
console.log("Secret of X: " + X.computeSecret(Y_PublicKey).toString("hex"));
console.log("Secret of Y: " + Y.computeSecret(X_PublicKey).toString("hex"));

// out:
// Prime: c17a5d01bf84632f164b45cea4061602f0bb9d37b34ab6fcd8afff029172ce1bf3b6459244be0fe54c31b59efca7a439d58da18e90471def8a5d4195c0aa9bab
// X_PublicKey a4612c019051615204760e62623b04fc4740f33575704314f3f4286c79ed3b87d1764391e03df3b783c3455b31afb5c24e5db69345a93159ac6b81ef49f5f0b5
// X_PrivateKey 44b54320bc5f3c3fd12183f2d4cdee0fe097f2a9f014c8fdec08e0510be3b68bf713dbdd58b7a689f72fa63f8d778d4d3f2756736ed626dc72d3c118171dc024
// Y_PublicKey 473ba37e71c54034aa98492825301b587e483845cb176d42f663b81598b685706d05bfe2b5531e6873f799de067ffb8281245c8461d0a4d5a8897bf1cd6252f2
// Y_PrivateKey 6e8940a33f92f69d9dca023958db8e10f5a39180b243c68e18d4efbfcdee1d795ac608fef29294affc777a80fe301ea8ba8a32c71318d4914a99f53d7d2e9b32
// Secret of X: bf26f9654e2ec0c0c504ed321ab41b55d7014aabff0d89bb4d3a542fcf179342c293627443c3141cfe04c34cac357977bae610175e889d4d8557bce89e431b31
// Secret of Y: bf26f9654e2ec0c0c504ed321ab41b55d7014aabff0d89bb4d3a542fcf179342c293627443c3141cfe04c34cac357977bae610175e889d4d8557bce89e431b31

可以看到 X 和 Y 在没有暴露自己的私钥的情况下，最后生成了相同的密钥。

DH 算法的用途

DH 算法可以用于 HTTPS 中，相对于 RSA 算法，他有如下优势：

1.当服务器私钥已泄露时，如果采用 RSA 算法，监听者即可获取全部的报文内容与信息（pre-master 密钥可直接解出）。采用 DH 算法则监听者必须攻破服务器/客户端之一，才能获得 DH 算法的密钥。

2.当 client 的随机数生成器有问题时，RSA 算法生成的随机数 premaster-secret 其随机性未获得保证。而使用 DH 算法，则密钥 s 的随机性由 client/server 两端的随机数生成器保障。

数字签名基于非对称加密，过程与非对称加密的过程正好相反，是使用私钥进行加密签名，然后使用公钥进行解密的签名验证。

数字签名主要有如下作用：

验证发送者的身份
保证信息传输的完整性

想了解细节的同学可以看阮一峰的数字签名是什么？这篇文章。

下面是在 node 中使用数字签名的例子：

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

const pub_key = fs.readFileSync("./rsa_public.key");
const priv_key = fs.readFileSync("./rsa_private.key");

const text = "hello";

// 生成签名
const sign = crypto.createSign("RSA-SHA256");
sign.update(text);
const signed = sign.sign(priv_key, "hex");

// 验证签名
const verify = crypto.createVerify("RSA-SHA256");
verify.update(text);
const verifyResult = verify.verify(pub_key, signed, "hex");

console.log("sign", signed); // 244ea5f09e474380669351d605c6868625daee6f35734859c30d1de9a1bc06f16359b198b1eb860e2ae9b42ecf591b473511f4a0243eed9ca1ebea7cabfd3d270a352ed752bbb95bc190a8d539538e19cb759162009fb984b3eb504ee02e7a182531dee16cb134b7c416767ff666a9f370aa09d394e15347087cedb074b5b695
console.log("verifyResult", verifyResult); // true

其他注意点

不同平台下的 md5 计算

# 对字符串进行 md5
md5 -s hello

# 对文件进行 md5
md5 hello.md

ubuntu

# 对字符串进行 md5
echo -n hello | md5sum

# 对文件进行 md5
md5sum hello.md

上面的 echo 因为默认会加换行符，导致 echo hello | md5sum 这样写实际上 md5 的是 hello 加一个换行符，所以这里需要加 -n 忽略换行。

另外，用 vim 编辑文本默认也会折行，所以也会有以上的问题。

const crypto = require("crypto");

const md5hash = crypto.createHash("md5").update("hello").digest("hex");
console.log(md5hash);

使用第三方模块 md5 、js-md5 或者 crypto-js：

const md5_1 = require("md5");
const md5_2 = require("js-md5");
const md5_3 = require("crypto-js/md5");

console.log(md5_1("hello"));
console.log(md5_2("hello"));
console.log(md5_3("hello").toString());

最后，推荐一个科普密码学很好的视频计算机科学速成课 p33 加密

How to use the crypto module

深入理解 node 中的 crypto 加密模块

Node.js 的 crypto (加密)模块

数字签名是什么？

node 的 crypto 模块

node 的 crypto 模块

非对称加密

在 node 中使用

跨语言 RSA 加解密问题

`pkcs1` 和 `pkcs8`

其他 RSA 注意点

加密出来的文本

openssl 导出的公钥格式

Diffie-Hellman

用 node 模拟 HD 算法过程

使用 crypto 中的 DH 算法

DH 算法的用途

其他注意点

不同平台下的 md5 计算

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