隨著信息安全重要性的日益凸顯，如何保證用戶數據的安全成為開發者重點關注的內容。目前，可供我們選擇的加密方法有很多，我們需要根據實際的情況選擇符合自己的安全解決方案。本文將介紹前端開發中常用的加密方法並給出其適用場景。
常用加密方法
1. Base64 編碼
大家經常說的是 Base64 加密，有 Base64 加密嗎？真木有，只有 Base64 編碼。
Base64 是一種基於 64 個可打印字符來表示二進制數據的表示方法，詳見 [1]。常用於在通常處理文本數據的場合，表示、傳輸、存儲一些二進制數據,包括 MIME 的 email，email via MIME，在 XML 中存儲複雜數據；主要用來解決把不可打印的內容塞進可打印內容的需求。很多編程語言中都內置了該編碼方法，比如 Python 內置的 base64 方法使用如下：
因此，Base64 適用於小段內容的編碼，比如數字證書籤名、Cookie的內容等；而且 Base64 也是一種通過查表的編碼方法，不能用於加密，如果需要加密，請使用專業的加密算法。
2. 哈希算法（Hash）
哈希（Hash）是將目標文本轉換成具有固定長度的字符串（或叫做消息摘要）。當輸入發生改變時，產生的哈希值也是完全不同的。從數學角度上講，一個哈希算法是一個多對一的映射關係，對於目標文本 T，算法 H 可以將其唯一映射為 R，並且對於所有的 T，R 具有相同的長度，所以 H 不存在逆映射，也就是說哈希算法是不可逆的。
基於哈希算法的特性，其適用於該場景：被保護數據僅僅用作比較驗證且不需要還原成明文形式。比較常用的哈希算法是 MD5 和 SHA1，詳見 [2][3]。
我們比較熟悉的使用哈希存儲數據的例子是：當我們登錄某個已註冊網站時，在忘記密碼的情況下需要重置密碼，此時網站會給你發一個隨機的密碼或者一個郵箱激活鏈接，而不是將之前的密碼發給你，這就是因為哈希算法是不可逆的。
需要注意的是：在 Web 應用中，在瀏覽器中使用哈希加密的同時也要在服務端上進行哈希加密。
現在，對於簡單的哈希算法的攻擊方法主要有：尋找碰撞法和窮舉法。所以，為了保證數據的安全，可以在哈希算法的基礎上進一步的加密，常見的方法有：加鹽、慢哈希、密鑰哈希、XOR 等。
3. 加鹽（Adding Salt）
加鹽加密是一種對系統登錄口令的加密方式，它實現的方式是將每一個口令同一個叫做“鹽”（salt）的 n 位隨機數相關聯。以 sha1-hex 的使用方法為例：
鹽值其實就是我們添加的一串隨機字符串，如上所示，salt 值是隨機的，
這樣處理之後，相同的字符串每次都會被加密為完全不同的字符串。
使用加鹽加密時需要注意以下兩點：
（1）短鹽值（Short Slat）
如果鹽值太短，攻擊者可以預先製作針對所有可能的鹽值的查詢表。例如，如果鹽值只有三個 ASCII 字符，那麼只有 95x95x95=857,375 種可能性，加大了被攻擊的可能性。還有，不要使用可預測的鹽值，比如用戶名，因為針對某系統用戶名是唯一的且被經常用於其他服務。
（2）鹽值複用（Salt Reuse）
在項目開發中，有時會遇到將鹽值寫死在程序裡或者只有第一次是隨機生成的，之後都會被重複使用，這種加鹽方法是不起作用的。以登錄密碼為例，如果兩個用戶有相同的密碼，那麼他們就會有相同的哈希值，攻擊者就可以使用反向查表法對每個哈希值進行字典攻擊，使得該哈希值更容易被破解。
所以正確的加鹽方法如下：
（1）鹽值應該使用加密的安全偽隨機數生成器（ Cryptographically Secure Pseudo-Random Number Generator，CSPRNG ）產生，比如 C 語言的 rand() 函數，這樣生成的隨機數高度隨機、完全不可預測；
（2）鹽值混入目標文本中，一起使用標準的加密函數進行加密；
（3）鹽值要足夠長（經驗表明：鹽值至少要跟哈希函數的輸出一樣長）且永不重複；
（4）鹽值最好由服務端提供，前端取值使用。
4. 慢哈希函數（Slow Hash Function）
顧名思義，慢哈希函數是將哈希函數變得非常慢，使得攻擊方法也變得很慢，慢到足以令攻擊者放棄，而往往由此帶來的延遲也不會引起用戶的注意。降低攻擊效率用到了密鑰擴展（ key stretching）的技術，而密鑰擴展的實現使用了一種 CPU 密集型哈希函數（ CPU-intensive hash function）。看起來有點暈~還是關注下該函數怎麼用吧！
如果想在一個 Web 應用中使用密鑰擴展，則需要設定較低的迭代次數來降低額外的計算成本。我們一般直接選擇使用標準的算法來完成，比如 PBKDF2 或 bcrypt 。PHP、斯坦福大學的 JavaScript 加密庫都包含了 PBKDF2 的實現，瀏覽器中則可以考慮使用 JavaScript 完成，否則這部分工作應該由服務端進行計算。
5. 密鑰哈希
密鑰哈希是將密鑰添加到哈希加密，這樣只有知道密鑰的人才可以進行驗證。目前有兩種實現方式：使用 ASE 算法對哈希值加密、使用密鑰哈希算法 HMAC 將密鑰包含到哈希字符串中。為了保證密鑰的安全，需要將其存儲在外部系統（比如一個物理上隔離的服務端）。
即使選擇了密鑰哈希，在其基礎上進行加鹽或者密鑰擴展處理也是很有必要。目前密鑰哈希用於服務端比較多，例如來應對常見的 SQL 注入攻擊。
6. XOR
XOR [4] 大家都不陌生，它指的是邏輯運算中的 “異或運算”。兩個值相同時，返回 false，否則返回 true，用來判斷兩個值是否不同。
JavaScript 語言的二進制運算，有一個專門的 XOR 運算符，寫作^。
XOR 運算有一個特性：如果對一個值連續做兩次 XOR，會返回這個值本身。這也是其可以用於信息加密的根本。
目標文本 message，key 是密鑰，第一次執行 XOR 會得到加密文本；在加密文本上再用 key 做一次 XOR 就會還原目標文本 message。為了保證 XOR 的安全，需要滿足以下兩點：
（1）key 的長度大於等於 message ；
（2）key 必須是一次性的，且每次都要隨機產生。
下面以登錄密碼加密為例介紹下 XOR 的使用：
第一步：使用 MD5 算法，計算密碼的哈希；
第二步：生成一個隨機 key 值；
第三步：進行 XOR 運算，求出加密後的 message。
如上所示，使用 XOR 和一次性的密鑰 key 對密碼進行加密處理，只要 key 沒有洩露，目標文本就不會被破解。
上面說了那麼多，問題就來了：我們應該使用什麼樣的哈希算法呢？
（1）選擇經過驗證的成熟算法，如 PBKDF2 等 ；
（2）crypt 的安全版本；
（3）避免使用自己設計的加密算法。
有關哈希等算法介紹完了，下面來說下 加密（Encrypt）[5] 算法。
7. 加密（Encrypt）
不同於哈希，加密（Encrypt）是將目標文本轉換成具有不同長度的、可逆的密文。也就是說加密算法是可逆的，而且其加密後生成的密文長度和明文本身的長度有關。從數學角度上講的話： 一個加密算法是一個一對一的映射，其中第二個參數叫做加密密鑰，E 可以將給定的明文 T 結合 Ke 唯一映射為密文 R，反過來，Kd 結合密文 R 也可以唯一映射為對應明文 T，其中 Kd 叫做解密密鑰。
因此，如果被保護數據在以後需要被還原成明文，則需要使用加密。目前，我們用的比較多的是 crypto [5] 模塊，它提供了安全相關的功能，如摘要運算、加密、電子簽名等。在最近的 PC 端系統以及小程序項目中我們都用到了該模塊裡的加密算法。
例如，在最近開發的 PC 端的系統中，前端需要對用戶的手機號、郵箱等敏感數據進行加密、解密處理，和後端協商之後選擇了 AES 算法，封裝了相應的加密、解密算法，如下所示：
接下來分以下幾方面簡要介紹下 crypto 模塊的內容：
（1）對稱加密、非對稱加密
根據加密、解密所用的密鑰是否相同，可以將加密算法分為對稱加密、非對稱加密。
對稱加密
密鑰是相同的，即 encryptKey===decryptKey。常見的對稱加密算法有 DES、AES 等，偽代碼如下：
非對稱加密
加密、解密所用的密鑰是不同的，分為公鑰和私鑰，即 encryptKey!==decryptKey 。常見的非對稱加密算法有 RSA、DSA 等，偽代碼如下：
對稱加密與非對稱加密除了密鑰的不同之外，還有以下不同點：
① 對稱加密的速度更快； ② 對稱加密適用於加密長文本，非對稱加密通常用於加密短文本。
（2）數字簽名
數字簽名主要用於確認信息來源於特定的主體且信息完整、未被篡改，發送方生成簽名，接收方驗證簽名。
發送方首先計算目標文本的摘要（哈希值），通過私鑰對摘要進行簽名，將目標文本和電子簽名發送給接收方。偽代碼如下所示：
接收方驗證簽名的步驟如下：
① 通過公鑰破解電子簽名，得到摘要 D1 (如果失敗，則信息來源主體校驗失敗)； ② 計算目標文本摘要 D2； ③ 若 D1 === D2，則說明目標文本完整、未被篡改。
偽代碼如下：
看起來和非對稱加密有點像對不對，它們不一樣！
① 非對稱加密（加密/解密）：公鑰加密，私鑰解密。 ② 數字簽名（簽名/驗證）：私鑰簽名，公鑰驗證。
（3）crypto 中常用API
大多數對稱加密算法都採用了分組加密模式，比如上面我們用到的 AES。接下里有三個概念需要我們著重瞭解：模式、填充、初始化向量。
分組加密模式
分組加密指的是將（較長的）明文拆分成固定長度的塊，然後對拆分的塊按照特定的模式進行加密。常見的分組加密模式有ECB、CBC（最常用）、CFB等。
填充
假設定義每個塊的長度為 128 位，那麼採用分組拆分之後，最後一個數據塊的長度可能小於 128 ，如果採用的是 ECB 或 CBC 模式，此時需要進行填充來滿足長度要求。常用的填充方式是 PKCS7。
初始化向量
初始化向量（IV）主要是為了增強算法的安全性，部分分組加密模式裡引入了 IV，這樣可以使得加密結果隨機化。以 CBC 為例，每一個數據塊都與前一個加密塊進行 XOR 運算後再加密（第一個數據塊與 IV 進行 XOR 運算）。IV 的大小與數據塊大小有關，如下圖所示：
以上談到的 API 在封裝後的 AES 加密/解密算法都使用到了，crypto 模塊中 還有很多沒有提及的內容，有興趣的同學可以自己學習。
小結
以上我們所介紹的都是相應算法的簡要知識點，因為密碼學本身是一門非常深奧的數學分支，作為開發者的我們無需太深入的學習，我們只需要瞭解每種算法的特性及適用場景，在有需要的時候靈活使用就可以了。值得注意的是，上面列出的都是在項目開發實踐中學習 [7][8] 和用到的一些算法，內容有限；而且雖然前端在開發過程中做了一些加密，其實更重要的是服務端的加密處理，所以選擇何種加密方法需要兩端溝通決定。
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