Node.js 加密模块

章节概述

在现代应用开发中，数据安全是一个至关重要的话题。Node.js 提供了内置的 crypto 模块，用于实现各种加密功能，包括哈希、对称加密、非对称加密等。本集将详细介绍 crypto 模块的核心功能，帮助你掌握数据加密技术，特别是在用户密码存储等实际场景中的应用。

核心知识点讲解

1. crypto 模块概述

crypto 模块是 Node.js 的内置模块，提供了加密相关的功能，包括：

  • 哈希函数（Hash）：如 MD5、SHA1、SHA256 等
  • HMAC（基于哈希的消息认证码）
  • 对称加密算法：如 AES、DES 等
  • 非对称加密算法：如 RSA 等
  • 密钥派生函数：如 PBKDF2、scrypt 等
  • 随机数生成

使用 crypto 模块前，需要先引入：

const crypto = require('crypto');

2. 哈希函数

哈希函数是一种将任意长度的数据映射到固定长度数据的函数。它具有以下特点：

  • 单向性：从哈希值无法逆向推导出原始数据
  • 雪崩效应：输入的微小变化会导致输出的巨大变化
  • 固定输出长度：无论输入数据多长，输出长度固定

2.1 创建哈希对象

// 创建 MD5 哈希对象
const md5Hash = crypto.createHash('md5');

// 创建 SHA256 哈希对象
const sha256Hash = crypto.createHash('sha256');

2.2 更新和计算哈希

// 更新数据
md5Hash.update('Hello, World!');

// 计算哈希值（默认返回十六进制字符串）
const md5Result = md5Hash.digest('hex');
console.log('MD5 哈希结果:', md5Result); // 6cd3556deb0da54bca060b4c39479839

// 可以分多次更新数据
const sha256Hash = crypto.createHash('sha256');
sha256Hash.update('Hello, ');
sha256Hash.update('World!');
const sha256Result = sha256Hash.digest('hex');
console.log('SHA256 哈希结果:', sha256Result); // 64ec88ca00b268e5ba1a35678a1b5316d212f4f366b2477232534a8aeca37f3c

2.3 哈希函数的应用场景

  • 密码存储（通常与盐值结合使用）
  • 数据完整性验证
  • 文件校验
  • 数字签名

3. HMAC（基于哈希的消息认证码）

HMAC 是一种基于哈希函数和密钥的消息认证机制，可以用于验证消息的完整性和真实性。

// 创建 HMAC 对象
const hmac = crypto.createHmac('sha256', 'secret-key');

// 更新数据
hmac.update('Hello, World!');

// 计算 HMAC 值
const hmacResult = hmac.digest('hex');
console.log('HMAC 结果:', hmacResult); // 8d969eef6ecad3c29a3a629280e686cf0c3f5d5a86aff3ca12020c923adc6c92

HMAC 的应用场景：

  • API 密钥验证
  • 消息认证
  • 安全通信

4. 对称加密

对称加密是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。常见的对称加密算法包括 AES、DES、3DES 等。

4.1 AES 加密示例

// 生成随机密钥（16 字节 = 128 位）
const key = crypto.randomBytes(16);

// 生成随机初始化向量（IV）
const iv = crypto.randomBytes(16);

// 要加密的数据
const plaintext = 'Hello, 加密世界!';

// 创建加密器
const cipher = crypto.createCipheriv('aes-128-cbc', key, iv);

// 加密数据
let encrypted = cipher.update(plaintext, 'utf8', 'hex');
encrypted += cipher.final('hex');
console.log('加密结果:', encrypted);

// 创建解密器
const decipher = crypto.createDecipheriv('aes-128-cbc', key, iv);

// 解密数据
let decrypted = decipher.update(encrypted, 'hex', 'utf8');
decrypted += decipher.final('utf8');
console.log('解密结果:', decrypted); // Hello, 加密世界!

4.2 对称加密的特点

  • 加密和解密速度快
  • 适用于大量数据的加密
  • 密钥管理比较困难（需要安全传输和存储密钥）

5. 非对称加密

非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密；或者私钥用于签名，公钥用于验证签名。

5.1 RSA 密钥对生成

// 生成 RSA 密钥对
const { privateKey, publicKey } = crypto.generateKeyPairSync('rsa', {
  modulusLength: 2048, // 密钥长度
  publicKeyEncoding: {
    type: 'spki',
    format: 'pem'
  },
  privateKeyEncoding: {
    type: 'pkcs8',
    format: 'pem'
  }
});

console.log('公钥:', publicKey);
console.log('私钥:', privateKey);

5.2 RSA 加密和解密

// 要加密的数据
const plaintext = 'Hello, 非对称加密!';

// 使用公钥加密
const encrypted = crypto.publicEncrypt(
  publicKey,
  Buffer.from(plaintext, 'utf8')
).toString('hex');
console.log('加密结果:', encrypted);

// 使用私钥解密
const decrypted = crypto.privateDecrypt(
  privateKey,
  Buffer.from(encrypted, 'hex')
).toString('utf8');
console.log('解密结果:', decrypted); // Hello, 非对称加密!

5.3 非对称加密的特点

  • 安全性高
  • 密钥管理相对简单（公钥可以公开）
  • 加密和解密速度较慢
  • 适用于小量数据的加密，如密钥交换

6. 密钥派生函数

密钥派生函数用于从密码等低熵值数据生成高熵值的密钥。常见的密钥派生函数有 PBKDF2 和 scrypt。

6.1 PBKDF2 示例

// 密码
const password = 'my-secret-password';

// 盐值（应该是随机生成的，并且每个用户不同）
const salt = crypto.randomBytes(16);

// 派生密钥
crypto.pbkdf2(password, salt, 100000, 32, 'sha256', (err, derivedKey) => {
  if (err) throw err;
  console.log('派生的密钥:', derivedKey.toString('hex'));
});

// 同步版本
const derivedKey = crypto.pbkdf2Sync(password, salt, 100000, 32, 'sha256');
console.log('派生的密钥:', derivedKey.toString('hex'));

6.2 scrypt 示例

// 密码
const password = 'my-secret-password';

// 盐值
const salt = crypto.randomBytes(16);

// 派生密钥
crypto.scrypt(password, salt, 32, { N: 16384, r: 8, p: 1 }, (err, derivedKey) => {
  if (err) throw err;
  console.log('派生的密钥:', derivedKey.toString('hex'));
});

// 同步版本
const derivedKey = crypto.scryptSync(password, salt, 32, { N: 16384, r: 8, p: 1 });
console.log('派生的密钥:', derivedKey.toString('hex'));

7. 随机数生成

安全的随机数在加密操作中非常重要，crypto 模块提供了多种生成随机数的方法。

7.1 生成随机字节

// 生成 16 字节的随机数据
const randomBytes = crypto.randomBytes(16);
console.log('随机字节:', randomBytes);
console.log('随机字节（十六进制）:', randomBytes.toString('hex'));

7.2 生成随机整数

// 生成 0 到 999 之间的随机整数
const randomInt = crypto.randomInt(1000);
console.log('随机整数:', randomInt);

// 生成指定范围的随机整数
const randomIntInRange = crypto.randomInt(100, 200);
console.log('100-200 之间的随机整数:', randomIntInRange);

实用案例分析

案例一：密码加密存储

在实际应用中，用户密码不应该明文存储在数据库中，而应该使用安全的方式进行加密存储。下面我们将实现一个密码加密存储和验证的工具。

// 密码加密存储工具
class PasswordUtil {
  // 加密密码
  static hashPassword(password) {
    // 生成随机盐值
    const salt = crypto.randomBytes(16).toString('hex');
    
    // 使用 PBKDF2 派生密钥
    const hash = crypto.pbkdf2Sync(
      password,
      salt,
      100000, // 迭代次数
      64,     // 密钥长度
      'sha512' // 哈希算法
    ).toString('hex');
    
    // 返回盐值和哈希值（存储到数据库）
    return `${salt}:${hash}`;
  }
  
  // 验证密码
  static verifyPassword(password, storedHash) {
    // 从存储的哈希中提取盐值和哈希值
    const [salt, hash] = storedHash.split(':');
    
    // 使用相同的盐值和参数派生密钥
    const derivedHash = crypto.pbkdf2Sync(
      password,
      salt,
      100000,
      64,
      'sha512'
    ).toString('hex');
    
    // 比较派生的哈希值和存储的哈希值
    return hash === derivedHash;
  }
}

// 测试密码加密
const password = 'my-secure-password';
const hashedPassword = PasswordUtil.hashPassword(password);
console.log('加密后的密码:', hashedPassword);

// 测试密码验证
const isValid1 = PasswordUtil.verifyPassword('my-secure-password', hashedPassword);
console.log('正确密码验证结果:', isValid1); // true

const isValid2 = PasswordUtil.verifyPassword('wrong-password', hashedPassword);
console.log('错误密码验证结果:', isValid2); // false

代码解析：

  1. 我们创建了一个 PasswordUtil 类，包含 hashPassword 和 verifyPassword 两个静态方法
  2. hashPassword 方法：
    • 生成 16 字节的随机盐值
    • 使用 PBKDF2 算法，以密码和盐值为输入，派生 64 字节的密钥
    • 将盐值和哈希值用冒号连接，返回存储格式
  3. verifyPassword 方法：
    • 从存储的哈希中提取盐值和哈希值
    • 使用相同的盐值和参数重新派生密钥
    • 比较派生的哈希值和存储的哈希值，返回验证结果
  4. 测试了密码加密和验证的完整流程

案例二：数据加密工具

下面我们将实现一个通用的数据加密工具，支持使用 AES 算法加密和解密数据。

// 数据加密工具
class EncryptionUtil {
  // 生成随机密钥
  static generateKey() {
    return crypto.randomBytes(32).toString('hex'); // 256 位密钥
  }
  
  // 生成随机初始化向量
  static generateIv() {
    return crypto.randomBytes(16).toString('hex'); // 128 位 IV
  }
  
  // 加密数据
  static encrypt(data, key, iv) {
    // 将密钥和 IV 转换为 Buffer
    const keyBuffer = Buffer.from(key, 'hex');
    const ivBuffer = Buffer.from(iv, 'hex');
    
    // 创建加密器
    const cipher = crypto.createCipheriv('aes-256-cbc', keyBuffer, ivBuffer);
    
    // 加密数据
    let encrypted = cipher.update(JSON.stringify(data), 'utf8', 'hex');
    encrypted += cipher.final('hex');
    
    return encrypted;
  }
  
  // 解密数据
  static decrypt(encryptedData, key, iv) {
    // 将密钥和 IV 转换为 Buffer
    const keyBuffer = Buffer.from(key, 'hex');
    const ivBuffer = Buffer.from(iv, 'hex');
    
    // 创建解密器
    const decipher = crypto.createDecipheriv('aes-256-cbc', keyBuffer, ivBuffer);
    
    // 解密数据
    let decrypted = decipher.update(encryptedData, 'hex', 'utf8');
    decrypted += decipher.final('utf8');
    
    // 解析为原始数据类型
    return JSON.parse(decrypted);
  }
}

// 测试数据加密
const sensitiveData = {
  username: 'admin',
  email: 'admin@example.com',
  password: 'secret123'
};

// 生成密钥和 IV
const key = EncryptionUtil.generateKey();
const iv = EncryptionUtil.generateIv();
console.log('密钥:', key);
console.log('IV:', iv);

// 加密数据
const encryptedData = EncryptionUtil.encrypt(sensitiveData, key, iv);
console.log('加密后的数据:', encryptedData);

// 解密数据
const decryptedData = EncryptionUtil.decrypt(encryptedData, key, iv);
console.log('解密后的数据:', decryptedData);

代码解析：

  1. 我们创建了一个 EncryptionUtil 类，包含生成密钥、生成 IV、加密和解密四个静态方法
  2. generateKey 方法：生成 256 位的随机密钥
  3. generateIv 方法：生成 128 位的随机初始化向量
  4. encrypt 方法：
    • 将密钥和 IV 转换为 Buffer
    • 使用 AES-256-CBC 算法创建加密器
    • 将数据转换为 JSON 字符串，然后加密
    • 返回十六进制格式的加密结果
  5. decrypt 方法：
    • 将密钥和 IV 转换为 Buffer
    • 使用 AES-256-CBC 算法创建解密器
    • 解密数据并解析为原始 JavaScript 对象
  6. 测试了数据加密和解密的完整流程

安全最佳实践

  1. 使用强哈希算法：优先使用 SHA-256 或更高版本的哈希算法，避免使用 MD5 和 SHA-1

  2. 使用盐值：在密码哈希时使用随机盐值，防止彩虹表攻击

  3. 适当的迭代次数：使用 PBKDF2 或 scrypt 时，设置适当的迭代次数，平衡安全性和性能

  4. 安全存储密钥：密钥不应该硬编码在代码中，而应该通过环境变量或密钥管理服务获取

  5. 定期更新密钥：定期更换加密密钥，提高安全性

  6. 使用 HTTPS：在网络传输中使用 HTTPS，保护数据传输安全

  7. 最小权限原则：只授予必要的权限，减少安全风险

  8. 定期安全审计：定期进行安全审计，发现和修复安全漏洞

学习目标

通过本集的学习，你应该能够：

  1. 理解 crypto 模块的核心功能
  2. 掌握哈希函数的使用方法
  3. 理解并应用对称加密和非对称加密
  4. 掌握密码加密存储的最佳实践
  5. 实现安全的数据加密工具
  6. 了解加密相关的安全最佳实践

小结

Node.js 的 crypto 模块提供了丰富的加密功能，是实现数据安全的重要工具。通过本集的学习，你已经掌握了哈希函数、HMAC、对称加密、非对称加密、密钥派生函数和随机数生成等核心功能，并通过实用案例了解了如何在实际项目中应用这些知识，特别是在密码加密存储和数据加密方面的应用。

在下一集中，我们将学习 Node.js 的网络编程基础，了解如何使用 net 模块创建 TCP 服务器和 UDP 通信。

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