Node.js crypto模块的实现示例

一、模块概述

Node.js 的 crypto 模块是内置的核心模块，基于 OpenSSL 库构建，提供加密、解密、哈希、签名等安全功能。它封装了 OpenSSL 的哈希、HMAC、加密、解密、签名和验证方法，适用于数据加密、安全传输、身份验证等场景。

二、核心功能详解

1. 哈希与 HMAC

1.1 哈希（Hash）

定义：将任意长度数据映射为固定长度的摘要，单向不可逆。

常用算法：SHA-256、SHA-512、MD5（不推荐，已不安全）。

代码示例：

const crypto = require('crypto');
const hash = crypto.createHash('sha256');
hash.update('Hello World');
const digest = hash.digest('hex');
console.log(digest); // 输出哈希值

1.2 HMAC（基于哈希的消息认证码）

定义：结合密钥和哈希算法，验证数据完整性和真实性。

代码示例：

const crypto = require('crypto');
const hmac = crypto.createHmac('sha256', 'secret-key');
hmac.update('Hello World');
const result = hmac.digest('hex');
console.log(result); // 输出HMAC值

2. 对称加密

2.1 AES 加密（推荐 AES-256-GCM）

• 算法：AES（高级加密标准），常用模式包括 CBC、GCM（支持认证）。
• 步骤：
  1. 生成密钥和 IV（初始化向量）。
  2. 使用 createCipheriv 加密，createDecipheriv 解密。
• 代码示例（AES-256-GCM）：

  const crypto = require('crypto');
  const algorithm = 'aes-256-gcm';
  const key = crypto.randomBytes(32); // 256位密钥
  const iv = crypto.randomBytes(12);  // GCM模式IV为12字节
  
  // 加密
  const cipher = crypto.createCipheriv(algorithm, key, iv);
  let encrypted = cipher.update('Hello World', 'utf8', 'hex');
  encrypted += cipher.final('hex');
  const tag = cipher.getAuthTag(); // 认证标签
  
  // 解密
  const decipher = crypto.createDecipheriv(algorithm, key, iv);
  decipher.setAuthTag(tag);
  let decrypted = decipher.update(encrypted, 'hex', 'utf8');
  decrypted += decipher.final('utf8');
  

2.2 注意事项

• IV 管理：每次加密使用不同的随机 IV，并与密文一起存储。
• 编码：确保加密和解密时使用相同的编码（如 hex、base64）。

3. 非对称加密（RSA）

3.1 密钥对生成

• 代码示例：

  const crypto = require('crypto');
  const { publicKey, privateKey } = crypto.generateKeyPairSync('rsa', {
    modulusLength: 2048,
    publicKeyEncoding: { type: 'spki', format: 'pem' },
    privateKeyEncoding: { type: 'pkcs8', format: 'pem' }
  });
  

3.2 加密与解密

• 公钥加密，私钥解密：

  const encryptedData = crypto.publicEncrypt(publicKey, Buffer.from('Hello World'));
  const decryptedData = crypto.privateDecrypt(privateKey, encryptedData);
  

4. 数字签名与验证

4.1 签名生成（私钥签名）

• 代码示例：

  const crypto = require('crypto');
  const sign = crypto.createSign('SHA256');
  sign.update('Hello World');
  const signature = sign.sign(privateKey, 'hex');
  

4.2 签名验证（公钥验证）

• 代码示例：

  const verify = crypto.createVerify('SHA256');
  verify.update('Hello World');
  const isValid = verify.verify(publicKey, signature, 'hex');
  

三、安全最佳实践

1. 密钥管理：
   • 使用 crypto.randomBytes 生成高熵密钥。
   • 密钥存储在环境变量或专用密钥管理系统（如 AWS KMS）。
2. 算法选择：
   • 避免 MD5、SHA1 等弱算法，优先使用 SHA-256、AES-256。
   • 对称加密推荐 AES-256-GCM（支持认证）。
3. 初始化向量（IV）：
   • 每次加密生成随机 IV，并与密文一起存储。
4. 编码一致性：
   • 确保加密、解密时使用相同的输入/输出编码（如 utf8 转 hex）。

四、高级主题

1. 分组加密模式

• 常见模式：
  • CBC（密码分组链接）：需要 IV，安全性较高。
  • GCM（伽罗瓦计数器模式）：支持认证，推荐用于现代应用。
• 填充方案：
  • PKCS7 填充（默认），确保数据块长度符合要求。

2. 文件加解密

• 流程：
  1. 读取文件内容。
  2. 使用对称加密算法加密/解密。
  3. 存储 IV、认证标签（如 GCM）与密文。
• 代码示例（文件签名）：

  const fs = require('fs');
  const crypto = require('crypto');
  
  // 生成签名
  const privateKey = fs.readFileSync('privatekey.pem', 'utf8');
  const data = fs.readFileSync('file.txt');
  const sign = crypto.createSign('RSA-SHA256');
  sign.write(data);
  sign.end();
  const signature = sign.sign(privateKey, 'hex');
  
  // 验证签名
  const publicKey = fs.readFileSync('publickey.pem', 'utf8');
  const verify = crypto.createVerify('RSA-SHA256');
  verify.write(data);
  verify.end();
  const isValid = verify.verify(publicKey, signature, 'hex');
  

3. 性能优化

• 流式处理：
  • 使用 update() 方法分块处理大文件，避免内存溢出。
• 硬件加速：
  • 通过 crypto.setEngine 启用 OpenSSL 引擎（如 Intel SGX）。

五、常见问题与解决方案

1. 编码错误：
   • 确保加密和解密时使用相同的编码格式（如 hex、base64）。
2. 密钥长度不匹配：
   • AES-256 需要 32 字节密钥，RSA 推荐 2048 位或更高。
3. IV 重复使用：
   • 每次加密生成新的随机 IV，并与密文一起存储。

六、总结

Node.js 的 crypto 模块提供了全面的加密功能，涵盖哈希、对称/非对称加密、签名等场景。通过合理选择算法、管理密钥和遵循安全实践，可有效保障数据安全。对于复杂需求，可结合流式处理和硬件加速优化性能。

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