数据安全 | OneYoung's Blog

关于数据安全，笔者认为有三个方向的概念。分别是：

数据脱敏
数据加密
数据签名

数据脱敏与加密都是为了防破解，数据签名是为了防篡改。

虽然数据脱敏与加密的实现目的是类似的，但在实际操作中是两个不同的概念。

数据脱敏具有以下特点：

数据脱敏是不可逆的，一旦数据被脱敏，通常无法还原为原始数据。
数据脱敏方法包括替换、掩盖、截断、模糊等。

而相对应的，数据加密的特点是：

数据加密是可逆的，只要具有正确的密钥，就可以将密文还原为原始明文数据。
数据加密使用算法和密钥来对数据进行数学变换，将其转化为密文。只有持有正确密钥的人可以解密数据。

1.数据脱敏

在现实业务中，实现数据脱敏的方式，大多数是利用 Hashing 哈希算法。

譬如，用户在 web 页面输入的 password 密码，通常是要经过哈希化，才存储到数据库中。

目前，比较常用的哈希算法是 MD5 以及 SHA256。

1-1.MD5

MD5（Message Digest Algorithm 5 即信息摘要算法）是一种广泛用于计算数据摘要（或称哈希值）的密码学散列函数。

它是由计算机科学家 Ronald Rivest 于 1991 年设计的，用于产生 128 位（16字节）的固定长度哈希值。

MD5 算法的主要特点包括：

固定长度哈希值：无论输入数据的大小如何，MD5 始终生成固定长度的 128 位哈希值。
快速计算：MD5 的计算速度相对较快，适用于大多数常见用途，如校验文件完整性。
不可逆：MD5是一种单向函数，即无法从哈希值还原出原始输入数据。这意味着无法通过哈希值逆向推导出原始消息内容。

我们以crypto-js中的 MD5 算法为例：

const CryptoJS = require('crypto-js')

const text = 'Hello World'

// {
//   words: [ -1324708431, 1692431681, 95922587, -416399387 ],
//   sigBytes: 16
// }
console.log(CryptoJS.MD5(text))

// b10a8db164e0754105b7a99be72e3fe5
console.log(CryptoJS.MD5(text).toString())

无论执行多少次，Hello World 经过 MD5 算法的脱敏，其结果始终是 b10a8db164e0754105b7a99be72e3fe5。

TIP

不建议在安全性要求较高的应用程序中使用 MD5 来保护数据的完整性和隐私。因为 MD5 已经被证明存在一些严重的安全问题：

碰撞攻击：MD5 算法已经受到碰撞攻击的影响，这意味着攻击者可以找到两个不同的输入，产生相同的 MD5 哈希值。这严重破坏了 MD5 的完整性和安全性。
预映射攻击：MD5 的预映射攻击使其容易受到暴力破解和彩虹表攻击的影响，因此不再被视为足够安全的哈希算法。

应该使用更强大的哈希算法，如 SHA256 或 SHA3，并采用适当的加盐和迭代等安全措施。

1-2.SHA256

SHA256 相比 MD5 更加安全。

SHA256 属于 SHA2 版本中的一员，除此以外，还有 SHA224、SHA384 以及 SHA512。

该类之间的区别只是计算结果的字段长度不同。使用方式如下：

const CryptoJS = require('crypto-js')

const text = 'Hello World'

// {
//   words: [
//     -1517181228,
//     200548416,
//     1241585459,
//     -810045040,
//     -701733441,
//     198026027,
//     1471313881,
//     -1382083474
//   ],
//   sigBytes: 32
// }
console.log(CryptoJS.SHA256(text))

// a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e
console.log(CryptoJS.SHA256(text).toString())

2.数据加密

数据加密，需要使用加密算法。

而加密算法，最显著的特点就是，需要设置密钥。

2-1.对称加密

对称加密，目前最常用且可靠的算法是 AES，即 Advanced Encryption Standard。

crypto-js 中的对称加密

2-2.非对称加密

非对称加密使用一对密钥，即公钥和私钥，来进行加/解密操作。

公钥（Public Key）：公钥是公开的，任何人都可以获得和使用它来加密数据。公钥通常用于加密要发送给拥有私钥的接收者的数据。
私钥（Private Key）：私钥是保密的，只有拥有私钥的人或实体才能使用它来解密使用公钥加密的数据。私钥必须始终保持机密，只有授权的人可以访问它。

目前非对称加密中，最广泛使用且比较安全的是 RSA 算法。

RSA 密钥的原理是：根据数论，寻求两个大素数比较简单，而将它们的乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

如果是命令行，可以通过openssl来生成公钥和私钥。
在实际业务中，服务端可以利用 java 生成密钥对：

java

import java.security.*;

public class GenerateKeyPairExample {
  public static void main(String[] args) {
    try {
      // 使用RSA算法生成密钥对
      KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
      keyPairGenerator.initialize(2048); // 设置密钥长度（一般为2048位）

      // 生成密钥对
      KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();

      // 获取公钥和私钥
      PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();
      PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();

      // 打印公钥和私钥（注意：实际应用中不要直接打印私钥）
      System.out.println("公钥：" + publicKey);
      System.out.println("私钥：" + privateKey);
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

在浏览器中通过 JS 生成密钥对，可以利用 window.crypto (实际业务中不推荐)：

// 使用 SubtleCrypto API 生成非对称密钥对
async function generateKeyPair() {
  try {
    const keyPair = await window.crypto.subtle.generateKey(
      {
        name: 'RSA-OAEP',
        modulusLength: 2048, // 密钥长度
        publicExponent: new Uint8Array([0x01, 0x00, 0x01]), // 公钥指数
        hash: 'SHA-256', // 哈希算法
      },
      true, // 是否可以导出私钥
      ['encrypt', 'decrypt'] // 用途（这里是加密和解密）
    );

    // 获取公钥和私钥
    const publicKey = await window.crypto.subtle.exportKey('spki', keyPair.publicKey);
    const privateKey = await window.crypto.subtle.exportKey('pkcs8', keyPair.privateKey);

    // 将公钥和私钥转换成可用的字符串或数据格式
    const publicKeyStr = arrayBufferToBase64(publicKey);
    const privateKeyStr = arrayBufferToBase64(privateKey);

    console.log('公钥:', publicKeyStr);
    console.log('私钥:', privateKeyStr);
  } catch (error) {
    console.error('生成密钥对时出错:', error);
  }
}

// 辅助函数：将ArrayBuffer转换为Base64字符串
function arrayBufferToBase64(buffer) {
  const byteArray = new Uint8Array(buffer);
  let binary = '';
  for (const byte of byteArray) {
    binary += String.fromCharCode(byte);
  }
  return btoa(binary);
}

// 调用生成密钥对函数
generateKeyPair();

如果前端想要在具体的业务场景中利用公钥和私钥进行 RSA 加解密算法，那么可以使用jsencrypt。

TIP

crypto-js 支持 AES 对称加密算法，但并不支持 RSA 非对称加密算法。

3.数据签名

数据签名是一种用于确保数据完整性和身份验证的加密技术。

在 Https 证书中含有数字签名，它的流程逻辑如下：

如果，要在实际业务中将通信数据作签名处理，可以考虑以下流程（以转账为例）：

1.数据脱敏 ​

1-1.MD5 ​

1-2.SHA256 ​

2.数据加密 ​

2-1.对称加密 ​

2-2.非对称加密 ​

3.数据签名 ​