敏感数据加密方案及实现

前言

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

加密算法介绍

• 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。

• 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。

• 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

let aesKey = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]; // 随机产生
let publicKey = ""; // 公钥会从服务端获取

// 页面加载完之后，就去获取公钥
window.onload = () => {
  axios({
    method: "GET",
    headers: { "content-type": "application/x-www-form-urlencoded" },
    url: "http://localhost:3000/getPub",
  })
    .then(function (result) {
      publicKey = result.data.data; // 获取公钥
    })
    .catch(function (error) {
      console.log(error);
    });
};

2、aes 加密和解密方法

/**
 * aes加密方法
 * @param {string} text 待加密的字符串
 * @param {array} key 加密key
 */
function aesEncrypt(text, key) {
  const textBytes = aesjs.utils.utf8.toBytes(text); // 把字符串转换成二进制数据

  // 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
  const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5));

  const encryptedBytes = aesCtr.encrypt(textBytes); // 进行加密
  const encryptedHex = aesjs.utils.hex.fromBytes(encryptedBytes); // 把二进制数据转成十六进制

  return encryptedHex;
}

/**
 * aes解密方法
 * @param {string} encryptedHex 加密的字符串
 * @param {array} key 加密key
 */
function aesDecrypt(encryptedHex, key) {
  const encryptedBytes = aesjs.utils.hex.toBytes(encryptedHex); // 把十六进制数据转成二进制
  const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5));

  const decryptedBytes = aesCtr.decrypt(encryptedBytes); // 进行解密
  const decryptedText = aesjs.utils.utf8.fromBytes(decryptedBytes); // 把二进制数据转成utf-8字符串

  return decryptedText;
}

3、请求登录

/**
 * 登陆接口
 */
function submitFn() {
  const userName = document.querySelector("#userName").value;
  const password = document.querySelector("#password").value;
  const data = {
    userName,
    password,
  };

  const text = JSON.stringify(data);
  const sendData = aesEncrypt(text, aesKey); // 把要发送的数据转成字符串进行加密
  console.log("发送数据", text);

  const encrypt = new JSEncrypt();
  encrypt.setPublicKey(publicKey);
  const encrypted = encrypt.encrypt(aesKey.toString()); // 把aesKey进行非对称加密

  const url = "http://localhost:3000/login";
  const params = { id: 0, data: { param1: sendData, param2: encrypted } };

  axios({
    method: "POST",
    headers: { "content-type": "application/x-www-form-urlencoded" },
    url: url,
    data: JSON.stringify(params),
  })
    .then(function (result) {
      const reciveData = aesDecrypt(result.data.data, aesKey); // 用aesKey进行解密
      console.log("接收数据", reciveData);
    })
    .catch(function (error) {
      console.log("error", error);
    });
}

• 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

const http = require("http");
const aesjs = require("aes-js");
const NodeRSA = require("node-rsa");
const rsaKey = new NodeRSA({ b: 1024 }); // key的size为1024位
let aesKey = null; // 用于保存客户端的aesKey
let privateKey = ""; // 用于保存服务端的公钥

rsaKey.setOptions({ encryptionScheme: "pkcs1" }); // 设置加密模式

2、实现 login 接口

http
  .createServer((request, response) => {
    response.setHeader("Access-Control-Allow-Origin", "*");
response.setHeader("Access-Control-Allow-Headers", "Content-Type");
    response.setHeader("Content-Type", "application/json");
switch (request.method) {
      case "GET":
        if (request.url === "/getPub") {
          const publicKey = rsaKey.exportKey("public");
          privateKey = rsaKey.exportKey("private");
          response.writeHead(200);
          response.end(JSON.stringify({ result: true, data: publicKey })); // 把公钥发送给客户端
          return;
        }
        break;
      case "POST":
        if (request.url === "/login") {
          let str = "";
          request.on("data", function (chunk) {
            str += chunk;
          });
          request.on("end", function () {
            const params = JSON.parse(str);
            const reciveData = decrypt(params.data);
            console.log("reciveData", reciveData);
            // 一系列处理之后

            response.writeHead(200);
            response.end(
              JSON.stringify({
                result: true,
                data: aesEncrypt(
                  JSON.stringify({ userId: 123, address: "杭州" }), // 这个数据会被加密
                  aesKey
                ),
              })
            );
          });
          return;
        }
        break;
      default:
        break;
    }
    response.writeHead(404);
    response.end();
  })
  .listen(3000);

3、加密和解密方法

function decrypt({ param1, param2 }) {
  const decrypted = rsaKey.decrypt(param2, "utf8"); // 解密得到aesKey
  aesKey = decrypted.split(",").map((item) => {
return +item;
  });

  return aesDecrypt(param1, aesKey);
}

/**
 * aes解密方法
 * @param {string} encryptedHex 加密的字符串
 * @param {array} key 加密key
 */
function aesDecrypt(encryptedHex, key) {
  const encryptedBytes = aesjs.utils.hex.toBytes(encryptedHex); // 把十六进制转成二进制数据
  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

  const decryptedBytes = aesCtr.decrypt(encryptedBytes); // 进行解密
  const decryptedText = aesjs.utils.utf8.fromBytes(decryptedBytes); // 把二进制数据转成字符串

  return decryptedText;
}

/**
 * aes加密方法
 * @param {string} text 待加密的字符串
 * @param {array} key 加密key
 */
function aesEncrypt(text, key) {
  const textBytes = aesjs.utils.utf8.toBytes(text); // 把字符串转成二进制数据
  const aesCtr = new aesjs.ModeOfOperation.ctr(key, new aesjs.Counter(5));

  const encryptedBytes = aesCtr.encrypt(textBytes); // 加密
  const encryptedHex = aesjs.utils.hex.fromBytes(encryptedBytes); // 把二进制数据转成十六进制

  return encryptedHex;
}

• 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。

参考文献

看完这篇文章，我奶奶都懂了 https 的原理 (https://www.cnblogs.com/sujing/p/10927569.html)

中间人攻击 (https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%AD%E9%97%B4%E4%BA%BA%E6%94%BB%E5%87%BB)