前言

前陣子用 Node.js 開發時需要用一組加解密的 key 來將某個 url 的 query parameters 加密，就重新回頭研究一下對稱加密與非對稱加密的差異和手段，最後統一用 Node.js 的套件來簡單實作，留下此篇文章以供未來參考

密碼學在學什麼?

密碼學的目標可以簡單列出底下三個:

資訊保密: 確保只有授權者才能取得訊息
完整性驗證: 確保資訊沒有遭到算改
身分驗證: 驗證傳送方與接受方的身分

密碼學主要分為三種，先講結論:

Encode(編碼)
- Two way 的轉換，只是編碼格式的轉換，不需要密碼，所以不算加密，沒有任何資安防護能力
Encrypt(加密)
- Two way 的轉換，需要密碼介入，可分成對稱加密與非對稱加密，前者是同一把金鑰，後者是有一組公私鑰，有防護資安的能力
Hash(雜湊)
- One way 的轉換(不可逆)，應用 Hashing 的演算法將待加密的字串轉換成一個獨一無二的 hash digest

Encode(編碼)

只是換個方式來呈現資料
沒有加密，所以沒有安全性
只是各種平台使用數據的載體，ex: QRCode、UTF-8
為了配合網路傳輸的標準規範(RFC，Requests For Comment)，有時就必須透過編碼後才能傳送

Base64

是一種基於 64 個字符來表示的方法

Base64 中的 64 其實是有含意的，他會把資料轉成:

a~z (26)
A~Z (26)
0~9 (10)
+ (1)
/ (1)

base64 的 64 就是上面五種字元的所有可能(26+26+10+1+1=64)

打開瀏覽器的 console 介面，用 Web API 就可以開箱及用

Huffman Coding(霍夫曼編碼)

是一種無損數據壓縮的編碼方式

根據整組資料中符號出現的頻率高低，決定如何給符號編碼。如果符號出現的頻率越高，則給符號的碼越短，相反符號的號碼越長
可以透過這個網站 –> Huffman Tree Generator來了解 Huffman 的編碼 tree

Encrypt(加密)

將明文資訊轉變成難以讀取的密文

Caesar Cipher(凱薩加密法)

凱撒密碼是一種替換加密技術
明文中的所有字母都在字母表上向後（或向前）按照一個固定數目進行偏移後被替換成密文。
已經不再使用，因為英文字母只有 26 個，全部破解然後列出一個彩虹表(Rainbow Table)，看哪一個看得懂就破解了

AES(Advanced Encryption Standard)

它是一個區塊加密的演算法
- 所謂的「區塊加密」就是把明文拆成多個區段，然後分別加密再組合起來
- 加密的方式是連續對每個 128 bit 的數據應用一系列的數學變換
也是一種 對稱加密演算法(加密解密都是同個 key)
AES 有分成幾種模式，像是 ECB、CBC、CFB，其中CBC 是最安全的(記住這個就好)
是業界常用的加密方法，速度快
忘記密碼基本上就沒救了，因為排列組合太多，AES128 加密需要 10^18 年才能解開
因為加密的數學計算量較低，所以小型裝置如筆電、手機都可以完成加密運算

RSA

縮寫來自三位 MIT 科學家的名字(Rivest, Shamir, and Adleman)
是一種 非對稱加密演算法(加密解密是不同 key，一個公鑰一個私鑰)
概念很簡單，應用 兩個很大的質數 p 與 q 相乘出 N 很容易，但從 N 要找回原本 p 與 q 是極度困難的任務 的概念來做加密
數學計算量較高，所以只適用於小量數據

Hash(雜湊)

將資料內容打亂、混和
無法從 hash 回推解密
舉例來說，身分證號碼最後一碼是驗證碼，但因為只有 0-9，所以極有可能會雜湊碰撞(collection)

MD5 (Message-Digest Algorithm)

可以產生出一個128 bit（16 byte）的雜湊值，用於確保資料傳輸是完整一致的
兩個不同的明文不會得到相同的輸出值
輸出值，不能得到原始的明文，即其過程不可逆
可以判斷檔案內容是否一樣，看雜湊值是不是一樣
也可以確認網站上下載下來的檔案是不是雜湊值一樣，例如下載任何套件的情境，這樣就能確保不會載到病毒
即使僅改變一個字，也會導致結果差很多
業界已經較禁止使用了，因為已經證明容易破解! 因為 MD5 無法防止碰撞，駭客可以上傳一個內容不同但最終雜湊值相同的檔案

SHA384 (Secure Hash Algorithm)

可以理解成更複雜的 MD5
會 output 出 384 個字元，複雜度較高
可以驗證檔案的完整性
保存使用者密碼
- 後端資料庫應該要存的是 Hash 過後的密碼
- 這樣即使網站被攻擊後也無法被竊取解密
如果某線上服務忘記密碼回傳的是明文，那就代表該網站後端存的是明文密碼(怕)，因為 Hash 理論上無法被回推，所以代表資料庫一定也是存明碼，否則無法將當初設定的密碼明文寄回
- 理論上應該要導去重新設定密碼的頁面，重新讓使用者輸入密碼

bcrypt

bcrypt 能夠將一個字串做雜湊加密
專門為密碼而設計的雜湊函式，為避免每次雜湊出來的值都是一樣的，有加鹽機制。
- 其中有個參數叫saltRounds 是在密碼學中的加鹽(salt)
- 加鹽的意思是在要加密的字串中加特定的字符，打亂原始的字符串，使其生成的 Hash value 產生變化
- 參數越高，代表加鹽次數愈多愈安全，相對的加密時間就越長
比 SHA 更安全，但耗時也較久，所以要用 bcrypt 還是 SHA 是看情況而定

Node.js 的各種加密方式

Crypto

Encrypt & Decrypt

Output Encoding 設定成 hex，所以只會有 16 種符號(a-f, 0-9)
一旦執行cipher.final()，cipher 物件就不能再加密文字

const crypto = require("crypto");

// settings
const initKey = crypto.randomBytes(16);
const securityKey = crypto.randomBytes(32);
const algorithm = "aes-256-cbc";

const message = "Hello I am Madi";

// Cipher for encrypt data
const cipher = crypto.createCipheriv(algorithm, securityKey, initKey);
let encryptedMsg = cipher.update(message, "utf-8", "hex"); // input-encoding: utf-8, output encoding: hex
encryptedMsg += cipher.final("hex");

console.log("Encrypted: ", encryptedMsg); // Encrypted:  c64dc767eedbf6f18696b548537d01d2

// Decipher for decrypted data
const decipher = crypto.createDecipheriv(algorithm, securityKey, initKey);
let decryptedMsg = decipher.update(encryptedMsg, "hex", "utf-8"); // input-encoding: hex, output encoding: utf-8
decryptedMsg += decipher.final("utf-8");

console.log("Decrypted: ", decryptedMsg); // Decrypted:  Hello I am Madi

Encrypt & Decrypt with salt

const crypto = require("crypto");

const salt = crypto.randomBytes(3); // Create salt

const message = "Hello, I am Madi";

// USe PBKDF2 function to derive secret
crypto.pbkdf2(message, salt, 10000, 32, "sha256", (err, derivedKey) => {
  if (err) throw err;

  const algorithm = "aes-256-cbc";
  console.log(`DerivedKey: ${derivedKey.toString("hex")}`); // DerivedKey: 2f41bbe3a59652f5c5c8a727366db3cc7162a0846fae720687a9ab880928f70e
  console.log(`Salt: ${salt.toString("hex")}`); // Salt: cdfbf3

  // Encrypt
  const initKey = crypto.randomBytes(16);
  const cipher = crypto.createCipheriv(algorithm, derivedKey, initKey);
  let encrypted = cipher.update(message, "utf-8", "hex");
  encrypted += cipher.final("hex");

  console.log(`Message: ${message}`); // Message: Hello, I am Madi
  console.log(`Encrypted: ${encrypted}`); // Encrypted: db846c67a25645b51d7fe6d2b00b61c9e7084d6256a20556cbef60d0590ca6fa

  // Decrypt
  const decipher = crypto.createDecipheriv(algorithm, derivedKey, initKey);
  let decrypted = decipher.update(encrypted, "hex", "utf-8");
  decrypted += decipher.final("utf-8");

  console.log(`Decrypted: ${decrypted}`); // Decrypted: Hello, I am Madi
});

Hash

Output Encoding 設定成 hex，所以只會有 16 種符號(a-f, 0-9)

const crypto = require("crypto");

const hash = crypto.createHash("sha256"); // 256 bits
const message = "Hello, I am Madi";
const hashedMsg = hash.update(message).digest("hex");

console.log(hashedMsg); // 689e9ce3a07a10a090b9c387c4b08cfac7b9a5edd55b416c81f44248983172ab

Hash 轉 hex 長度會增為 2 倍，因為每個 byte(8 bits)會被表示成兩個十六進制的字元(4 bits each)
Hash 轉 Base64 長度會增為 4/3 倍，因為每 3 個 byte 會被表示成 4 個 base64 字元，如果未滿 3 的倍數，則會用=做 padding，這部分在使用 JWT 時常會看到

結論

encode、encrypt、hash 三者可以綜合使用:
- 壓縮檔加密: encode + encrypt
- Https: RSA + AES
- 數位簽章: hash + RSA
- JWT: hash + encode
git 在做 commit 的時候也是使用 SHA1 的方式，產生一組唯一的 id
自己的密碼盡量不要重複，太多密碼不好記，可以考慮用 keePass 來管理

前言#

密碼學在學什麼?#

Encode(編碼)#

Base64#

Huffman Coding(霍夫曼編碼)#

Encrypt(加密)#

Caesar Cipher(凱薩加密法)#

AES(Advanced Encryption Standard)#

RSA#

Hash(雜湊)#

MD5 (Message-Digest Algorithm)#

SHA384 (Secure Hash Algorithm)#

bcrypt#

Node.js 的各種加密方式#

Crypto#

結論#

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