Web 开发中五种常用加密算法实战与原理

RSA (非对称加密)

原理详解

RSA 基于大整数因数分解的困难性。生成密钥时需选择两个大素数 p 和 q，计算 n 和 φ(n)，进而导出公钥 (e, n) 和私钥 (d, n)。加密公式为 c ≡ mᵉ mod n，解密为 m ≡ cᵈ mod n。

应用场景

• SSL/TLS 握手过程中的密钥交换
• 数字签名
• 小数据量加密（如加密对称密钥）

实战代码（Node.js）

RSA 适合处理密钥交换或签名。这里演示如何生成 2048 位密钥对并使用 OAEP 填充进行加解密。

const crypto = require('crypto');

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

// RSA 加密
function rsaEncrypt(data, publicKey) {
    return crypto.publicEncrypt({
        key: publicKey,
        padding: crypto.constants.RSA_PKCS1_OAEP_PADDING,
        oaepHash: 'sha256'
    }, Buffer.from(data)).toString('base64');
}

// RSA 解密
function rsaDecrypt(encryptedData, privateKey) {
    return crypto.privateDecrypt({
        key: privateKey,
        padding: crypto.constants.RSA_PKCS1_OAEP_PADDING,
        oaepHash: 'sha256'
    }, Buffer.from(encryptedData, 'base64')).toString();
}

// 使用示例
const message = 'Confidential Data';
const encrypted = rsaEncrypt(message, publicKey);
console.log('RSA Encrypted:', encrypted);
const decrypted = rsaDecrypt(encrypted, privateKey);
console.log('RSA Decrypted:', decrypted);

SHA-256 (安全哈希算法)

原理详解

SHA-256 属于 SHA-2 家族，输出 256 位哈希值。流程涉及消息预处理（填充至 512 位倍数）、分块压缩（64 轮函数）及最终输出。它具有单向性，无法反推原文。

应用场景

• 密码存储（需配合盐值）
• 数据完整性验证
• 区块链和加密货币
• 数字签名

实战代码（浏览器环境）

浏览器端推荐使用 Web Crypto API，性能更好且更安全。

// 浏览器中使用 Web Crypto API 进行 SHA-256 哈希
async function sha256Hash(message) {
    const encoder = new TextEncoder();
    const data = encoder.encode(message);
    const hashBuffer = await crypto.subtle.digest('SHA-256', data);
    const hashArray = Array.from(new Uint8Array(hashBuffer));
    const hashHex = hashArray.map(b => b.toString(16).padStart(2, '0')).join('');
    return hashHex;
}

// 使用示例
sha256Hash('Hello World').then(hash => console.log('SHA-256 Hash:', hash));

HMAC (基于哈希的消息认证码)

原理详解

HMAC 结合哈希函数与密钥，提供消息认证。公式为 HMAC(K, m) = H((K ⊕ opad) || H((K ⊕ ipad) || m))。它能防止消息被篡改，同时验证发送者身份。

应用场景

• API 请求认证
• JWT 签名
• 消息完整性验证

实战代码（Node.js）

验证 HMAC 时务必使用恒定时间比较函数，防止时序攻击泄露有效签名。

const crypto = require('crypto');

// 生成 HMAC
function generateHMAC(message, secret) {
    return crypto.createHmac('sha256', secret).update(message).digest('hex');
}

// 验证 HMAC
function verifyHMAC(message, secret, hmac) {
    const expectedHmac = generateHMAC(message, secret);
    return crypto.timingSafeEqual(
        Buffer.from(expectedHmac),
        Buffer.from(hmac)
    );
}

// 使用示例
const secretKey = 'mySecretKey123';
const message = 'Important Data';
const hmac = generateHMAC(message, secretKey);
console.log('HMAC:', hmac);
const isValid = verifyHMAC(message, secretKey, hmac);
console.log('Verification:', isValid ? 'Valid' : 'Invalid');

PBKDF2 (基于密码的密钥派生函数)

原理详解

PBKDF2 通过多次迭代哈希增强弱密码安全性。输入密码、盐值、迭代次数和期望长度，经过多次 HMAC 运算后异或组合生成派生密钥。

应用场景

• 用户密码存储
• 从密码生成加密密钥

实战代码（Node.js）

密码存储必须包含随机盐值和足够的迭代次数，避免彩虹表攻击。

const crypto = require('crypto');

// 使用 PBKDF2 派生密钥
function deriveKey(password, salt, iterations, keyLength, digest) {
    return crypto.pbkdf2Sync(
        password,
        salt,
        iterations,
        keyLength,
        digest
    ).toString('hex');
}

// 使用示例
const password = 'userPassword123';
const salt = crypto.randomBytes(16).toString('hex');
const iterations = 10000;
const keyLength = 32;
const digest = 'sha256';
const derivedKey = deriveKey(password, salt, iterations, keyLength, digest);
console.log('Derived Key:', derivedKey);
console.log('Salt:', salt);

// 验证密码示例
function verifyPassword(password, storedHash, storedSalt, iterations, keyLength, digest) {
    const newHash = deriveKey(password, storedSalt, iterations, keyLength, digest);
    return newHash === storedHash;
}

const isMatch = verifyPassword('userPassword123', derivedKey, salt, iterations, keyLength, digest);
console.log('Password Match:', isMatch);

加密算法对比表

安全最佳实践

1. 密钥管理：永远不要硬编码密钥，建议使用密钥管理系统（如 AWS KMS、Hashicorp Vault），并定期轮换。
2. 算法选择：对称加密首选 AES-256，非对称加密使用 RSA 2048 位或 ECC 256 位以上，哈希函数推荐 SHA-256 或 SHA-3。
3. 密码存储：严禁明文存储，使用 PBKDF2、bcrypt 或 Argon2，确保每个用户使用唯一盐值。
4. 传输安全：始终使用 HTTPS，敏感数据在客户端也应加密。
5. 错误处理：加密失败时不要暴露详细信息，使用恒定时间比较防止时序攻击。

进阶主题

• 椭圆曲线加密 (ECC)：比 RSA 更高效的非对称加密方案。
• bcrypt/Argon2：针对密码哈希优化的现代算法。
• 量子安全加密：抗量子计算的算法（如格密码）。
• 同态加密：在加密数据上直接计算。
• 零知识证明：验证信息而不泄露信息本身。

掌握这五种核心加密算法及其实现，已具备构建安全 Web 应用的基础能力。在实际项目中，应根据具体需求选择合适的算法组合，并严格遵循安全最佳实践来保护用户数据。