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

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

letaesKey=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16];//随机产生
letpublicKey="";//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
*/
functionaesEncrypt(text,key){
consttextBytes=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
constaesCtr=newaesjs.ModeOfOperation.ctr(key,newaesjs.Counter(5));

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

returnencryptedHex;
}

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

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

returndecryptedText;
}

3. 请求登录

/**
*登陆接口
*/
functionsubmitFn(){
constuserName=document.querySelector("#userName").value;
constpassword=document.querySelector("#password").value;
constdata={
userName,
password,
};

consttext=JSON.stringify(data);
constsendData=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);

constencrypt=newJSEncrypt();
encrypt.setPublicKey(publicKey);
constencryptencrypted=encrypt.encrypt(aesKey.toString());//把aesKey进行非对称加密

consturl="http://localhost:3000/login";
constparams={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){
constreciveData=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

consthttp=require("http");
constaesjs=require("aes-js");
constNodeRSA=require("node-rsa");
constrsaKey=newNodeRSA({b:1024});//key的size为1024位
letaesKey=null;//用于保存客户端的aesKey
letprivateKey="";//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"){
constpublicKey=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"){
letstr="";
request.on("data",function(chunk){
str+=chunk;
});
request.on("end",function(){
constparams=JSON.parse(str);
constreciveData=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

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

returnaesDecrypt(param1,aesKey);
}

/**
*aes解密方法
*@param{string}encryptedHex加密的字符串
*@param{array}key加密key
*/
functionaesDecrypt(encryptedHex,key){
constencryptedBytes=aesjs.utils.hex.toBytes(encryptedHex);//把十六进制转成二进制数据
constaesCtr=newaesjs.ModeOfOperation.ctr(key,newaesjs.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

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

returndecryptedText;
}

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

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

returnencryptedHex;
}

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。