敏感数据加密方案及实现

前言

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现在是大数据时代，需要收集大量的个人信息用于统计。一方面它给我们带来了便利，另一方面一些个人信息数据在无意间被泄露，被非法分子用于推销和黑色产业。

2018 年 5 月 25 日，欧盟已经强制执行《通用数据保护条例》(General Data Protection Regulation，缩写作 GDPR)。该条例是欧盟法律中对所有欧盟个人关于数据保护和隐私的规范。这意味着个人数据必须使用假名化或匿名化进行存储，并且默认使用尽可能最高的隐私设置，以避免数据泄露。

相信大家也都不想让自己在外面“裸奔”。所以，作为前端开发人员也应该尽量避免用户个人数据的明文传输，尽可能的降低信息泄露的风险。

看到这里可能有人会说现在都用 HTTPS 了，数据在传输过程中是加密的，前端就不需要加密了。其实不然，我可以在你发送 HTTPS 请求之前，通过谷歌插件来捕获 HTTPS 请求中的个人信息，下面我会为此演示。所以前端数据加密还是很有必要的。

数据泄露方式

1. 中间人攻击

中间人攻击是常见的攻击方式。详细过程可以参见这里：

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E9%97%B4%E4%BA%BA%E6%94%BB%E5%87%BB。大概的过程是中间人通过 DNS 欺骗等手段劫持了客户端与服务端的会话。

客户端、服务端之间的信息都会经过中间人，中间人可以获取和转发两者的信息。在 HTTP 下，前端数据加密还是避免不了数据泄露，因为中间人可以伪造密钥。为了避免中间人攻击，我们一般采用 HTTPS 的形式传输。

2. 谷歌插件

HTTPS 虽然可以防止数据在网络传输过程中被劫持，但是在发送 HTTPS 之前，数据还是可以从谷歌插件中泄露出去。

因为谷歌插件可以捕获 Network 中的所有请求，所以如果某些插件中有恶意的代码还是可以获取到用户信息的，下面为大家演示。

所以光采用 HTTPS，一些敏感信息如果还是以明文的形式传输的话，也是不安全的。如果在 HTTPS 的基础上再进行数据的加密，那相对来说就更好了。

加密算法介绍

1. 对称加密

对称加密算法，又称为共享密钥加密算法。在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发送和接收双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密。

这就要求加密和解密方事先都必须知道加密的密钥。其优点是算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高;缺点是密钥泄露之后，数据就会被破解。一般不推荐单独使用。根据实现机制的不同，常见的算法主要有：

  • AES(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E7%BA%A7%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%A0%87%E5%87%86)
  • ChaCha20 (https://zh.wikipedia.org/wiki/Salsa20#ChaCha20)、3DES (https://zh.wikipedia.org/wiki/3DES)等。

2. 非对称加密

非对称加密算法，又称为公开密钥加密算法。它需要两个密钥，一个称为公开密钥 (public key)，即公钥;另一个称为私有密钥 (private key)，即私钥。

他俩是配对生成的，就像钥匙和锁的关系。因为加密和解密使用的是两个不同的密钥，所以这种算法称为非对称加密算法。其优点是算法强度复杂、安全性高;缺点是加解密速度没有对称加密算法快。常见的算法主要有：

  • RSA (https://zh.wikipedia.org/wiki/RSA%E5%8A%A0%E5%AF%86%E6%BC%94%E7%AE%97%E6%B3%95)
  • Elgamal (https://zh.wikipedia.org/wiki/ElGamal%E5%8A%A0%E5%AF%86%E7%AE%97%E6%B3%95)等。

3. 散列算法

散列算法又称散列函数、哈希函数，是把消息或数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式固定成特定长度的值。一般用于校验数据的完整性，平时我们下载文件就可以校验 MD5 来判断下载的数据是否完整。常见的算法主要有：

  • MD4 (https://zh.wikipedia.org/wiki/MD4)
  • MD5 (https://zh.wikipedia.org/wiki/MD5)
  • SHA (https://zh.wikipedia.org/wiki/SHA%E5%AE%B6%E6%97%8F) 等。

实现方案

方案一：如果用对称加密，那么服务端和客户端都必须知道密钥才行。那服务端势必要把密钥发送给客户端，这个过程中是不安全的，所以单单用对称加密行不通。

方案二：如果用非对称加密，客户端的数据通过公钥加密，服务端通过私钥解密，客户端发送数据实现加密没问题。客户端接受数据，需要服务端用公钥加密，然后客户端用私钥解密。所以这个方案需要两套公钥和私钥，需要在客户端和服务端各自生成自己的密钥。

方案三：如果把对称加密和非对称加密相结合。客户端需要生成一个对称加密的密钥 1，传输内容与该密钥 1进行对称加密传给服务端，并且把密钥 1 和公钥进行非对称加密，然后也传给服务端。服务端通过私钥把对称加密的密钥 1 解密出来，然后通过该密钥 1 解密出内容。以上是客户端到服务端的过程。如果是服务端要发数据到客户端，就需要把响应数据跟对称加密的密钥 1 进行加密，然后客户端接收到密文，通过客户端的密钥 1 进行解密，从而完成加密传输。

总结：

以上只是列举了常见的加密方案。总的来看，方案二比较简单，但是需要维护两套公钥和私钥，当公钥变化的时候，必须通知对方，灵活性比较差。方案三相对方案二来说，密钥 1 随时可以变化，并且不需要通知服务端，相对来说灵活性、安全性好点并且方案三对内容是对称加密，当数据量大时，对称加密的速度会比非对称加密快。所以本文采用方案三给予代码实现。

代码实现

下面是具体的代码实现(以登录接口为例)，主要的目的就是要把明文的个人信息转成密文传输。其中对称加密库使用的是 AES，非对称加密库使用的是RSA。

客户端：

  • AES 库(aes-js)：https://github.com/ricmoo/aes-js
  • RSA库(jsencrypt)：https://github.com/travist/jsencrypt
  • 具体代码实现登录接口

(1) 客户端需要随机生成一个 aesKey，在页面加载完的时候需要从服务端请求 publicKey

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. let aesKey = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]; // 随机产生 
    2. 
  
  
  
  
  2. let publicKey = ""; // 公钥会从服务端获取 
    3. 
  
  
  
  
  3.  
    4. 
  
  
  
  
  4. // 页面加载完之后，就去获取公钥 
    5. 
  
  
  
  
  5. window.onload = () => { 
    6. 
  
  
  
  
  6.   axios({ 
    7. 
  
  
  
  
  7.     method: "GET", 
    8. 
  
  
  
  
  8.     headers: { "content-type": "application/x-www-form-urlencoded" }, 
    9. 
  
  
  
  
  9.     url: "http://localhost:3000/getPub", 
    10. 
  
  
  
  
  10.   }) 
    11. 
  
  
  
  
  11.     .then(function (result) { 
    12. 
  
  
  
  
  12.       publicKey = result.data.data; // 获取公钥 
    13. 
  
  
  
  
  13.     }) 
    14. 
  
  
  
  
  14.     .catch(function (error) { 
    15. 
  
  
  
  
  15.       console.log(error); 
    16. 
  
  
  
  
  16.     }); 
    17. 
  
  
  
  
  17. }; 
    18.

2. aes 加密和解密方法

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. /** 
    2. 
  
  
  
  
  2.  * aes加密方法 
    3. 
  
  
  
  
  3.  * @param {string} text 待加密的字符串 
    4. 
  
  
  
  
  4.  * @param {array} key 加密key 
    5. 
  
  
  
  
  5.  */ 
    6. 
  
  
  
  
  6. function aesEncrypt(text, key) { 
    7. 
  
  
  
  
  7.   const textBytes = aesjs.utils.utf8.toBytes(text); // 把字符串转换成二进制数据 
    8. 
  
  
  
  
  8.  
    9. 
  
  
  
  
  9.   // 这边使用CTR-Counter加密模式，还有其他模式可以选择，具体可以参考aes加密库 
    10. 
  
  
  
  
  10.   const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5)); 
    11. 
  
  
  
  
  11.  
    12. 
  
  
  
  
  12.   const encryptedBytes = aesCtr.encrypt(textBytes); // 进行加密 
    13. 
  
  
  
  
  13.   const encryptedHex = aesjs.utils.hex.fromBytes(encryptedBytes); // 把二进制数据转成十六进制 
    14. 
  
  
  
  
  14.  
    15. 
  
  
  
  
  15.   return encryptedHex; 
    16. 
  
  
  
  
  16. } 
    17. 
  
  
  
  
  17.  
    18. 
  
  
  
  
  18. /** 
    19. 
  
  
  
  
  19.  * aes解密方法 
    20. 
  
  
  
  
  20.  * @param {string} encryptedHex 加密的字符串 
    21. 
  
  
  
  
  21.  * @param {array} key 加密key 
    22. 
  
  
  
  
  22.  */ 
    23. 
  
  
  
  
  23. function aesDecrypt(encryptedHex, key) { 
    24. 
  
  
  
  
  24.   const encryptedBytes = aesjs.utils.hex.toBytes(encryptedHex); // 把十六进制数据转成二进制 
    25. 
  
  
  
  
  25.   const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5)); 
    26. 
  
  
  
  
  26.  
    27. 
  
  
  
  
  27.   const decryptedBytes = aesCtr.decrypt(encryptedBytes); // 进行解密 
    28. 
  
  
  
  
  28.   const decryptedText = aesjs.utils.utf8.fromBytes(decryptedBytes); // 把二进制数据转成utf-8字符串 
    29. 
  
  
  
  
  29.  
    30. 
  
  
  
  
  30.   return decryptedText; 
    31. 
  
  
  
  
  31. } 
    32.

3. 请求登录

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. /** 
    2. 
  
  
  
  
  2.  * 登陆接口 
    3. 
  
  
  
  
  3.  */ 
    4. 
  
  
  
  
  4. function submitFn() { 
    5. 
  
  
  
  
  5.   const userName = document.querySelector("#userName").value; 
    6. 
  
  
  
  
  6.   const password = document.querySelector("#password").value; 
    7. 
  
  
  
  
  7.   const data = { 
    8. 
  
  
  
  
  8.     userName, 
    9. 
  
  
  
  
  9.     password, 
    10. 
  
  
  
  
  10.   }; 
    11. 
  
  
  
  
  11.  
    12. 
  
  
  
  
  12.   const text = JSON.stringify(data); 
    13. 
  
  
  
  
  13.   const sendData = aesEncrypt(text, aesKey); // 把要发送的数据转成字符串进行加密 
    14. 
  
  
  
  
  14.   console.log("发送数据", text); 
    15. 
  
  
  
  
  15.  
    16. 
  
  
  
  
  16.   const encrypt = new JSEncrypt(); 
    17. 
  
  
  
  
  17.   encrypt.setPublicKey(publicKey); 
    18. 
  
  
  
  
  18.   const encryptencrypted = encrypt.encrypt(aesKey.toString()); // 把aesKey进行非对称加密 
    19. 
  
  
  
  
  19.  
    20. 
  
  
  
  
  20.   const url = "http://localhost:3000/login"; 
    21. 
  
  
  
  
  21.   const params = { id: 0, data: { param1: sendData, param2: encrypted } }; 
    22. 
  
  
  
  
  22.  
    23. 
  
  
  
  
  23.   axios({ 
    24. 
  
  
  
  
  24.     method: "POST", 
    25. 
  
  
  
  
  25.     headers: { "content-type": "application/x-www-form-urlencoded" }, 
    26. 
  
  
  
  
  26.     url: url, 
    27. 
  
  
  
  
  27.     data: JSON.stringify(params), 
    28. 
  
  
  
  
  28.   }) 
    29. 
  
  
  
  
  29.     .then(function (result) { 
    30. 
  
  
  
  
  30.       const reciveData = aesDecrypt(result.data.data, aesKey); // 用aesKey进行解密 
    31. 
  
  
  
  
  31.       console.log("接收数据", reciveData); 
    32. 
  
  
  
  
  32.     }) 
    33. 
  
  
  
  
  33.     .catch(function (error) { 
    34. 
  
  
  
  
  34.       console.log("error", error); 
    35. 
  
  
  
  
  35.     }); 
    36. 
  
  
  
  
  36. } 
    37.

服务端(Node)：

  • AES库(aes-js)：https://github.com/ricmoo/aes-js
  • RSA 库(node-rsa)：https://github.com/rzcoder/node-rsa
  • 具体代码实现登录接口

(1) 引用加密库

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. const http = require("http"); 
    2. 
  
  
  
  
  2. const aesjs = require("aes-js"); 
    3. 
  
  
  
  
  3. const NodeRSA = require("node-rsa"); 
    4. 
  
  
  
  
  4. const rsaKey = new NodeRSA({ b: 1024 }); // key的size为1024位 
    5. 
  
  
  
  
  5. let aesKey = null; // 用于保存客户端的aesKey 
    6. 
  
  
  
  
  6. let privateKey = ""; // 用于保存服务端的公钥 
    7. 
  
  
  
  
  7.  
    8. 
  
  
  
  
  8. rsaKey.setOptions({ encryptionScheme: "pkcs1" }); // 设置加密模式 
    9.

(2) 实现 login 接口

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. http 
    2. 
  
  
  
  
  2.   .createServer((request, response) => { 
    3. 
  
  
  
  
  3.     response.setHeader("Access-Control-Allow-Origin", "*"); 
    4. 
  
  
  
  
  4. response.setHeader("Access-Control-Allow-Headers", "Content-Type"); 
    5. 
  
  
  
  
  5.     response.setHeader("Content-Type", "application/json"); 
    6. 
  
  
  
  
  6. switch (request.method) { 
    7. 
  
  
  
  
  7.       case "GET": 
    8. 
  
  
  
  
  8.         if (request.url === "/getPub") { 
    9. 
  
  
  
  
  9.           const publicKey = rsaKey.exportKey("public"); 
    10. 
  
  
  
  
  10.           privateKey = rsaKey.exportKey("private"); 
    11. 
  
  
  
  
  11.           response.writeHead(200); 
    12. 
  
  
  
  
  12.           response.end(JSON.stringify({ result: true, data: publicKey })); // 把公钥发送给客户端 
    13. 
  
  
  
  
  13.           return; 
    14. 
  
  
  
  
  14.         } 
    15. 
  
  
  
  
  15.         break; 
    16. 
  
  
  
  
  16.       case "POST": 
    17. 
  
  
  
  
  17.         if (request.url === "/login") { 
    18. 
  
  
  
  
  18.           let str = ""; 
    19. 
  
  
  
  
  19.           request.on("data", function (chunk) { 
    20. 
  
  
  
  
  20.             str += chunk; 
    21. 
  
  
  
  
  21.           }); 
    22. 
  
  
  
  
  22.           request.on("end", function () { 
    23. 
  
  
  
  
  23.             const params = JSON.parse(str); 
    24. 
  
  
  
  
  24.             const reciveData = decrypt(params.data); 
    25. 
  
  
  
  
  25.             console.log("reciveData", reciveData); 
    26. 
  
  
  
  
  26.             // 一系列处理之后 
    27. 
  
  
  
  
  27.  
    28. 
  
  
  
  
  28.             response.writeHead(200); 
    29. 
  
  
  
  
  29.             response.end( 
    30. 
  
  
  
  
  30.               JSON.stringify({ 
    31. 
  
  
  
  
  31.                 result: true, 
    32. 
  
  
  
  
  32.                 data: aesEncrypt( 
    33. 
  
  
  
  
  33.                   JSON.stringify({ userId: 123, address: "杭州" }), // 这个数据会被加密 
    34. 
  
  
  
  
  34.                   aesKey 
    35. 
  
  
  
  
  35.                 ), 
    36. 
  
  
  
  
  36.               }) 
    37. 
  
  
  
  
  37.             ); 
    38. 
  
  
  
  
  38.           }); 
    39. 
  
  
  
  
  39.           return; 
    40. 
  
  
  
  
  40.         } 
    41. 
  
  
  
  
  41.         break; 
    42. 
  
  
  
  
  42.       default: 
    43. 
  
  
  
  
  43.         break; 
    44. 
  
  
  
  
  44.     } 
    45. 
  
  
  
  
  45.     response.writeHead(404); 
    46. 
  
  
  
  
  46.     response.end(); 
    47. 
  
  
  
  
  47.   }) 
    48. 
  
  
  
  
  48.   .listen(3000); 
    49.

3. 加密和解密方法

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. function decrypt({ param1, param2 }) { 
    2. 
  
  
  
  
  2.   const decrypted = rsaKey.decrypt(param2, "utf8"); // 解密得到aesKey 
    3. 
  
  
  
  
  3.   aesKey = decrypted.split(",").map((item) => { 
    4. 
  
  
  
  
  4. return +item; 
    5. 
  
  
  
  
  5.   }); 
    6. 
  
  
  
  
  6.  
    7. 
  
  
  
  
  7.   return aesDecrypt(param1, aesKey); 
    8. 
  
  
  
  
  8. } 
    9. 
  
  
  
  
  9.  
    10. 
  
  
  
  
  10. /** 
    11. 
  
  
  
  
  11.  * aes解密方法 
    12. 
  
  
  
  
  12.  * @param {string} encryptedHex 加密的字符串 
    13. 
  
  
  
  
  13.  * @param {array} key 加密key 
    14. 
  
  
  
  
  14.  */ 
    15. 
  
  
  
  
  15. function aesDecrypt(encryptedHex, key) { 
    16. 
  
  
  
  
  16.   const encryptedBytes = aesjs.utils.hex.toBytes(encryptedHex); // 把十六进制转成二进制数据 
    17. 
  
  
  
  
  17.   const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5)); // 这边使用CTR-Counter加密模式，还有其他模式可以选择，具体可以参考aes加密库 
    18. 
  
  
  
  
  18.  
    19. 
  
  
  
  
  19.   const decryptedBytes = aesCtr.decrypt(encryptedBytes); // 进行解密 
    20. 
  
  
  
  
  20.   const decryptedText = aesjs.utils.utf8.fromBytes(decryptedBytes); // 把二进制数据转成字符串 
    21. 
  
  
  
  
  21.  
    22. 
  
  
  
  
  22.   return decryptedText; 
    23. 
  
  
  
  
  23. } 
    24. 
  
  
  
  
  24.  
    25. 
  
  
  
  
  25. /** 
    26. 
  
  
  
  
  26.  * aes加密方法 
    27. 
  
  
  
  
  27.  * @param {string} text 待加密的字符串 
    28. 
  
  
  
  
  28.  * @param {array} key 加密key 
    29. 
  
  
  
  
  29.  */ 
    30. 
  
  
  
  
  30. function aesEncrypt(text, key) { 
    31. 
  
  
  
  
  31.   const textBytes = aesjs.utils.utf8.toBytes(text); // 把字符串转成二进制数据 
    32. 
  
  
  
  
  32.   const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5)); 
    33. 
  
  
  
  
  33.  
    34. 
  
  
  
  
  34.   const encryptedBytes = aesCtr.encrypt(textBytes); // 加密 
    35. 
  
  
  
  
  35.   const encryptedHex = aesjs.utils.hex.fromBytes(encryptedBytes); // 把二进制数据转成十六进制 
    36. 
  
  
  
  
  36.  
    37. 
  
  
  
  
  37.   return encryptedHex; 
    38. 
  
  
  
  
  38. } 
    39.

完整的示例代码：https://github.com/Pulset/FrontDataEncrypt

演示效果

总结

本文主要介绍了一些前端安全方面的知识和具体加密方案的实现。为了保护客户的隐私数据，不管是 HTTP 还是 HTTPS，都建议密文传输信息，让破解者增加一点攻击难度吧。当然数据加解密也会带来一定性能上的消耗，这个需要各位开发者各自衡量了。

分享文章：敏感数据加密方案及实现
转载源于：http://www.csdahua.cn/qtweb/news17/304267.html

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