Web Crypto API: En omfattende veiledning til kryptografiske operasjoner

Web Crypto API er et JavaScript API som lar utviklere utføre kryptografiske operasjoner direkte i nettleseren. Dette åpner for muligheter til å bygge sikre webapplikasjoner uten å være avhengig av serverbehandling for sensitive oppgaver. Denne artikkelen gir en omfattende oversikt over Web Crypto API, og dekker dets nøkkelfunksjonalitet, bruksområder og beste praksis.

Introduksjon til kryptografi i nettleseren

Tradisjonelt ble kryptografiske operasjoner primært håndtert på serversiden på grunn av sikkerhetshensyn og begrensningene til klient-side JavaScript. Imidlertid gir Web Crypto API en sikker og standardisert måte å utføre kryptografiske oppgaver direkte i nettleseren. Dette muliggjør en rekke nye funksjoner, for eksempel klient-side kryptering, sikker autentisering og digitale signaturer, alt uten unødvendig overføring av sensitive data til serveren.

En stor fordel med klient-side kryptografi er redusert serverbelastning. Ved å flytte kryptografiske beregninger til nettleseren, kan serveren fokusere på andre oppgaver, noe som forbedrer den generelle applikasjonsytelsen. Videre kan klient-side kryptering forbedre brukerpersonvernet ved å sikre at sensitive data krypteres før de forlater brukerens enhet.

Kjernekonsapter i Web Crypto API

Web Crypto API er basert på følgende kjernekonsapter:

• Kryptografiske algoritmer: API-et støtter ulike kryptografiske algoritmer, inkludert symmetrisk kryptering (f.eks. AES), asymmetrisk kryptering (f.eks. RSA), hashing-algoritmer (f.eks. SHA-256) og digitale signaturalgoritmer (f.eks. ECDSA).
• Nøkler: Kryptografiske operasjoner krever ofte nøkler. Web Crypto API tilbyr mekanismer for å generere, importere, eksportere og lagre nøkler sikkert. Nøkler kan være symmetriske (brukes til både kryptering og dekryptering) eller asymmetriske (består av en offentlig nøkkel og en privat nøkkel).
• SubtleCrypto-grensesnitt: SubtleCrypto-grensesnittet er hovedinngangspunktet for tilgang til kryptografiske funksjoner. Det tilbyr metoder for å utføre hashing, kryptering, dekryptering, signering og verifisering.
• Promises: Alle kryptografiske operasjoner i Web Crypto API er asynkrone og returnerer promises. Dette sikrer at nettleserens brukergrensesnitt forblir responsivt mens potensielt tidkrevende kryptografiske oppgaver utføres.

Støttede kryptografiske algoritmer

Web Crypto API støtter et bredt spekter av kryptografiske algoritmer. Her er noen av de mest brukte:

Symmetrisk kryptering

• AES (Advanced Encryption Standard): En mye brukt symmetrisk krypteringsalgoritme. Web Crypto API støtter AES-CBC, AES-CTR, AES-GCM og AES-KW moduser.

Asymmetrisk kryptering

• RSA (Rivest-Shamir-Adleman): En populær asymmetrisk krypteringsalgoritme. Web Crypto API støtter RSA-OAEP og RSA-PSS utfyllingsskjemaer.
• ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm): En asymmetrisk signaturalgoritme basert på elliptisk kurvekryptografi.
• ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman): En nøkkelavtaleprotokoll basert på elliptisk kurvekryptografi.

Hashing-algoritmer

• SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit): En mye brukt hashing-algoritme som produserer en 256-bits hash-verdi.
• SHA-384 (Secure Hash Algorithm 384-bit): En hashing-algoritme som produserer en 384-bits hash-verdi.
• SHA-512 (Secure Hash Algorithm 512-bit): En hashing-algoritme som produserer en 512-bits hash-verdi.

Grunleggende kryptografiske operasjoner

La oss utforske noen grunnleggende kryptografiske operasjoner ved hjelp av Web Crypto API med kodeeksempler.

Hashing

Hashing er prosessen med å transformere data til en streng med fast størrelse (en hash-verdi). Hashing brukes for dataintegritetskontroller, passordlagring og indeksering.

            
async function hashData(data) {
 const encoder = new TextEncoder();
 const dataBuffer = encoder.encode(data);
 const hashBuffer = await crypto.subtle.digest('SHA-256', dataBuffer);
 const hashArray = Array.from(new Uint8Array(hashBuffer));
 const hashHex = hashArray
 .map((b) => b.toString(16).padStart(2, '0'))
 .join('');
 return hashHex;
}

// Example usage:
hashData('Hello, world!')
 .then((hash) => console.log('SHA-256 Hash:', hash))
 .catch((err) => console.error('Hashing error:', err));

            

              
                Copy
              
            
          

Generering av symmetriske nøkler

Symmetriske nøkler brukes til kryptering og dekryptering med samme nøkkel. Web Crypto API lar deg generere symmetriske nøkler ved hjelp av generateKey()-metoden.

            
async function generateAESKey() {
 return await crypto.subtle.generateKey(
 {
 name: 'AES-GCM',
 length: 256,
 },
 true, // extractable
 ['encrypt', 'decrypt'] // usages
 );
}

// Example usage:
generateAESKey()
 .then((key) => {
 console.log('AES Key generated:', key);
 // Use the key for encryption/decryption
 })
 .catch((err) => console.error('Key generation error:', err));

            

              
                Copy
              
            
          

Kryptering av data

Kryptering er prosessen med å transformere data til et uleselig format for å beskytte konfidensialiteten. Her er et eksempel på kryptering av data ved hjelp av AES-GCM:

            
async function encryptData(key, data) {
 const encoder = new TextEncoder();
 const dataBuffer = encoder.encode(data);
 const iv = crypto.getRandomValues(new Uint8Array(12)); // Initialization vector

 const encryptedData = await crypto.subtle.encrypt(
 {
 name: 'AES-GCM',
 iv: iv,
 },
 key,
 dataBuffer
 );

 // Combine IV and encrypted data for storage/transmission
 const combined = new Uint8Array(iv.length + encryptedData.byteLength);
 combined.set(iv, 0);
 combined.set(new Uint8Array(encryptedData), iv.length);
 return combined;
}

// Example usage (assuming you have an AES key):
generateAESKey().then(key => {
 encryptData(key, 'Sensitive data')
 .then((encrypted) => {
 console.log('Encrypted data:', encrypted);
 })
 .catch((err) => console.error('Encryption error:', err));
});

            

              
                Copy
              
            
          

Dekryptering av data

Dekryptering er prosessen med å transformere krypterte data tilbake til sitt opprinnelige, lesbare format. Her er et eksempel på dekryptering av data kryptert med AES-GCM:

            
async function decryptData(key, combined) {
 const iv = combined.slice(0, 12);
 const encryptedData = combined.slice(12);

 const decryptedData = await crypto.subtle.decrypt(
 {
 name: 'AES-GCM',
 iv: iv,
 },
 key,
 encryptedData
 );

 const decoder = new TextDecoder();
 return decoder.decode(decryptedData);
}

// Example usage (assuming you have the AES key and encrypted data):
generateAESKey().then(key => {
 encryptData(key, 'Sensitive data').then(encrypted => {
 decryptData(key, encrypted)
 .then((decrypted) => {
 console.log('Decrypted data:', decrypted);
 })
 .catch((err) => console.error('Decryption error:', err));
 });
});

            

              
                Copy
              
            
          

Generering av asymmetriske nøkler

Asymmetriske nøkler består av en offentlig nøkkel og en privat nøkkel. Den offentlige nøkkelen kan deles med andre, mens den private nøkkelen må holdes hemmelig. Web Crypto API støtter generering av asymmetriske nøkler ved hjelp av generateKey()-metoden.

            
async function generateRSAKey() {
 return await crypto.subtle.generateKey(
 {
 name: 'RSA-OAEP',
 modulusLength: 2048, // The length of the key in bits
 publicExponent: new Uint8Array([0x01, 0x00, 0x01]), // Commonly 65537
 hash: 'SHA-256',
 },
 true, // extractable
 ['encrypt', 'decrypt'] // usages
 );
}

// Example usage:
generateRSAKey()
 .then((keyPair) => {
 console.log('RSA Public Key:', keyPair.publicKey);
 console.log('RSA Private Key:', keyPair.privateKey);
 // Use the keys for encryption/decryption
 })
 .catch((err) => console.error('Key generation error:', err));
});

            

              
                Copy
              
            
          

Signering av data

Digitale signaturer brukes for å verifisere autentisiteten og integriteten til data. Avsenderen signerer dataene med sin private nøkkel, og mottakeren verifiserer signaturen med avsenderens offentlige nøkkel.

            
async function signData(privateKey, data) {
 const encoder = new TextEncoder();
 const dataBuffer = encoder.encode(data);

 const signature = await crypto.subtle.sign(
 {
 name: 'RSASSA-PKCS1-v1_5',
 hash: { name: 'SHA-256' },
 },
 privateKey,
 dataBuffer
 );

 return signature;
}

// Example usage (assuming you have an RSA key pair):
generateRSAKey().then(keyPair => {
 signData(keyPair.privateKey, 'Data to sign')
 .then((signature) => {
 console.log('Signature:', signature);
 })
 .catch((err) => console.error('Signing error:', err));
});

            

              
                Copy
              
            
          

Verifisering av signaturer

Verifisering av en digital signatur bekrefter at dataene ikke er blitt tuklet med, og at de faktisk ble signert av den hevdede avsenderen.

            
async function verifySignature(publicKey, signature, data) {
 const encoder = new TextEncoder();
 const dataBuffer = encoder.encode(data);

 const isValid = await crypto.subtle.verify(
 {
 name: 'RSASSA-PKCS1-v1_5',
 hash: { name: 'SHA-256' },
 },
 publicKey,
 signature,
 dataBuffer
 );

 return isValid;
}

// Example usage (assuming you have the RSA key pair and the signature):
generateRSAKey().then(keyPair => {
 signData(keyPair.privateKey, 'Data to sign').then(signature => {
 verifySignature(keyPair.publicKey, signature, 'Data to sign')
 .then((isValid) => {
 console.log('Signature is valid:', isValid);
 })
 .catch((err) => console.error('Verification error:', err));
 });
});

            

              
                Copy
              
            
          

Nøkkelhåndtering

Riktig nøkkelhåndtering er avgjørende for sikkerheten til ethvert kryptografisk system. Web Crypto API tilbyr mekanismer for å generere, importere, eksportere og lagre nøkler sikkert. Imidlertid kan det være utfordrende å lagre nøkler sikkert i nettleseren.

Vurderinger for nøkkellagring

• IndexedDB: Ett alternativ er å lagre nøkler i IndexedDB, en nettleserbasert NoSQL-database. Imidlertid er IndexedDB ikke spesielt designet for sikker nøkkellagring, så det er viktig å implementere ytterligere sikkerhetstiltak, for eksempel å kryptere nøklene før de lagres.
• LocalStorage/Cookies: Disse anbefales generelt ikke for lagring av kryptografiske nøkler på grunn av deres begrensede sikkerhetsfunksjoner og potensial for cross-site scripting (XSS)-angrep.
• Maskinvare Sikkerhetsmoduler (HSM-er): I mer avanserte scenarier kan du bruke nettleserutvidelser eller native applikasjoner for å grensesnitte med maskinvare sikkerhetsmoduler (HSM-er) for sikker nøkkellagring og kryptografiske operasjoner.

Nøkkelimport og -eksport

Web Crypto API lar deg importere og eksportere nøkler i ulike formater, for eksempel:

• JWK (JSON Web Key): Et JSON-basert format for representasjon av kryptografiske nøkler.
• PKCS#8: Et standardformat for lagring av private nøkler.
• SPKI (Subject Public Key Info): Et standardformat for lagring av offentlige nøkler.

Import og eksport av nøkler kan være nyttig for overføring av nøkler mellom ulike systemer eller for sikkerhetskopiering av nøkler.

Nøkkelinnpakning og -utpakning

Nøkkelinnpakning er prosessen med å kryptere en nøkkel med en annen nøkkel (innpakningsnøkkelen). Dette kan brukes til å beskytte nøkler mens de lagres eller overføres. Web Crypto API støtter nøkkelinnpakning og -utpakning ved hjelp av algoritmer som AES-KW og RSA-OAEP.

Bruksområder for Web Crypto API

Web Crypto API åpner opp et bredt spekter av muligheter for å bygge sikre webapplikasjoner. Her er noen vanlige bruksområder:

• Klient-side kryptering: Krypter sensitive data i nettleseren før de sendes til serveren. Dette kan beskytte data mot avlytting og uautorisert tilgang.
• Sikker autentisering: Implementer sikre autentiseringsmekanismer ved hjelp av digitale signaturer og nøkkelutvekslingsprotokoller.
• Dataintegritetskontroller: Bruk hashing-algoritmer for å verifisere integriteten til data lastet ned fra serveren.
• Sikker kommunikasjon: Etabler sikre kommunikasjonskanaler ved hjelp av kryptering og nøkkelutvekslingsprotokoller.
• Digital Rights Management (DRM): Implementer DRM-skjemaer for å beskytte opphavsrettsbeskyttet innhold.
• Passordhåndtering: Implementer sikre passordlagrings- og gjenfinningsmekanismer. Bruk PBKDF2 for å hashe passord på klient-siden før de sendes til serveren.

Sikkerhetsvurderinger

Mens Web Crypto API gir et kraftig verktøy for å bygge sikre webapplikasjoner, er det viktig å være klar over potensielle sikkerhetsrisikoer og å følge beste praksis:

• Cross-Site Scripting (XSS): XSS-angrep kan kompromittere sikkerheten til applikasjonen din og tillate angripere å stjele sensitive data, inkludert kryptografiske nøkler. Beskytt applikasjonen din mot XSS-angrep ved å rense brukerinndata på riktig måte og bruke innholdssikkerhetspolicyer (CSP-er).
• Man-in-the-Middle (MITM)-angrep: MITM-angrep kan avskjære og modifisere nettverkstrafikk, og potensielt kompromittere konfidensialiteten og integriteten til data. Beskytt applikasjonen din mot MITM-angrep ved å bruke HTTPS og verifisere autentisiteten til serversertifikater.
• Sidekanalangrep: Sidekanalangrep utnytter informasjon som lekker under kryptografiske operasjoner, for eksempel tidsvariasjoner eller strømforbruk, for å gjenopprette hemmelige nøkler. Web Crypto API er designet for å redusere sidekanalangrep, men det er viktig å være klar over denne risikoen og å bruke beste praksis for kryptografisk implementering.
• Nøkkelhåndtering: Sikker nøkkelhåndtering er avgjørende for sikkerheten til ethvert kryptografisk system. Beskytt nøklene dine mot uautorisert tilgang og sørg for at de lagres og håndteres sikkert.
• Algoritmevalg: Velg kryptografiske algoritmer og nøkkelstørrelser som er passende for dine sikkerhetskrav. Unngå å bruke svake eller utdaterte algoritmer. Konsulter sikkerhetseksperter for å bestemme de beste algoritmene for applikasjonen din.
• Regelmessige oppdateringer: Hold nettleseren og JavaScript-bibliotekene dine oppdatert med de nyeste sikkerhetsoppdateringene. Sårbarheter i disse komponentene kan kompromittere sikkerheten til applikasjonen din.

Beste praksis for bruk av Web Crypto API

Her er noen beste praksis for bruk av Web Crypto API:

• Bruk HTTPS: Bruk alltid HTTPS for å beskytte applikasjonen din mot MITM-angrep.
• Sanitiser brukerinndata: Rens brukerinndata på riktig måte for å forhindre XSS-angrep.
• Bruk Content Security Policies (CSP-er): Bruk CSP-er for å begrense ressursene applikasjonen din kan laste, noe som reduserer risikoen for XSS-angrep.
• Velg sterke algoritmer: Velg sterke kryptografiske algoritmer og nøkkelstørrelser som er passende for dine sikkerhetskrav.
• Implementer sikker nøkkelhåndtering: Implementer sikker nøkkelhåndteringspraksis for å beskytte nøklene dine mot uautorisert tilgang.
• Hold programvaren din oppdatert: Hold nettleseren og JavaScript-bibliotekene dine oppdatert med de nyeste sikkerhetsoppdateringene.
• Test applikasjonen din grundig: Test applikasjonen din grundig for å identifisere og fikse potensielle sikkerhetssårbarheter.
• Vurder et kryptografibibliotek: Selv om Web Crypto API er kraftig, kan bruk av et velprøvd kryptografibibliotek (som TweetNaCl.js eller CryptoJS) gi ytterligere sikkerhet og bekvemmelighet. Disse bibliotekene håndterer ofte lavnivådetaljer og grensetilfeller, noe som reduserer risikoen for feil.

Eksempler på Web Crypto API i aksjon

La oss vurdere et par eksempler fra den virkelige verden der Web Crypto API kan brukes til å forbedre sikkerhet og personvern:

Sikker meldingstjenesteapplikasjon

En sikker meldingstjenesteapplikasjon kan bruke Web Crypto API til å kryptere meldinger på klient-siden før de sendes til serveren. Dette sikrer at bare den tiltenkte mottakeren kan lese meldingene, selv om serveren blir kompromittert. Brukere kan generere nøkkelpar, kryptere meldinger med mottakerens offentlige nøkkel og signere meldinger med sin egen private nøkkel. Mottakeren vil deretter bruke sin private nøkkel til å dekryptere meldingen og verifisere avsenderens signatur med sin offentlige nøkkel.

Sikker filagring

En sikker filagringsapplikasjon kan bruke Web Crypto API til å kryptere filer på klient-siden før de lastes opp til serveren. Dette beskytter filene mot uautorisert tilgang, selv om serveren blir kompromittert. Brukere kan generere krypteringsnøkler, kryptere filer med disse nøklene, og deretter sikkert lagre de krypterte filene sammen med nøkler (kanskje pakke inn nøklene for ekstra beskyttelse). Når en bruker ønsker å få tilgang til en fil, vil applikasjonen hente den krypterte filen og den tilhørende nøkkelen, dekryptere filen på klient-siden, og deretter vise den til brukeren.

Avanserte emner

Utover det grunnleggende tilbyr Web Crypto API flere avanserte funksjoner for spesialiserte bruksområder:

• Nøkkelderivasjonsfunksjoner (KDF-er): KDF-er brukes til å utlede kryptografiske nøkler fra passord eller andre hemmelige verdier. Web Crypto API støtter PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function 2), en mye brukt KDF for passordbasert nøkkelderivasjon.
• Autentisert kryptering: Autentiserte krypteringsalgoritmer, som AES-GCM og ChaCha20-Poly1305, gir både konfidensialitet og integritet. De krypterer dataene og genererer også en autentiseringstag som kan brukes til å verifisere integriteten til dataene.
• Elliptisk kurvekryptografi (ECC): ECC er en type asymmetrisk kryptografi basert på elliptiske kurver. Web Crypto API støtter ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) og ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman), som vanligvis brukes for digitale signaturer og nøkkelutveksling.

Konklusjon

Web Crypto API tilbyr en kraftig og standardisert måte å utføre kryptografiske operasjoner direkte i nettleseren. Dette gjør det mulig for utviklere å bygge sikre webapplikasjoner uten å være avhengig av serverbehandling for sensitive oppgaver. Ved å forstå kjernekonsptene i Web Crypto API, følge beste praksis og være klar over potensielle sikkerhetsrisikoer, kan du utnytte dette kraftige verktøyet for å forbedre sikkerheten og personvernet til dine webapplikasjoner. Etter hvert som webapplikasjoner blir stadig mer sofistikerte og håndterer mer sensitive data, vil Web Crypto API spille en stadig viktigere rolle for å sikre sikkerheten og personvernet på nettet.