Web Crypto API: Подробное руководство по криптографическим операциям

Web Crypto API — это API JavaScript, который позволяет разработчикам выполнять криптографические операции непосредственно в браузере. Это открывает возможности для создания безопасных веб-приложений без использования серверной обработки для конфиденциальных задач. Эта статья содержит исчерпывающий обзор Web Crypto API, охватывая его ключевые функциональные возможности, варианты использования и лучшие практики.

Введение в криптографию в браузере

Традиционно криптографические операции в основном обрабатывались на стороне сервера из-за соображений безопасности и ограничений клиентского JavaScript. Однако Web Crypto API предоставляет безопасный и стандартизированный способ выполнения криптографических задач непосредственно в браузере. Это позволяет реализовать ряд новых функций, таких как клиентское шифрование, безопасная аутентификация и цифровые подписи, и все это без ненужной передачи конфиденциальных данных на сервер.

Одним из основных преимуществ клиентской криптографии является снижение нагрузки на сервер. Перенося криптографические вычисления в браузер, сервер может сосредоточиться на других задачах, улучшая общую производительность приложения. Кроме того, клиентское шифрование может повысить конфиденциальность пользователя, обеспечивая шифрование конфиденциальных данных до того, как они покинут устройство пользователя.

Основные концепции Web Crypto API

Web Crypto API основан на следующих основных концепциях:

• Алгоритмы криптографии: API поддерживает различные криптографические алгоритмы, включая симметричное шифрование (например, AES), асимметричное шифрование (например, RSA), алгоритмы хеширования (например, SHA-256) и алгоритмы цифровой подписи (например, ECDSA).
• Ключи: Криптографические операции часто требуют ключей. Web Crypto API предоставляет механизмы для безопасной генерации, импорта, экспорта и хранения ключей. Ключи могут быть симметричными (используются как для шифрования, так и для дешифрования) или асимметричными (состоящими из открытого и закрытого ключей).
• Интерфейс SubtleCrypto: Интерфейс SubtleCrypto является основной точкой входа для доступа к криптографическим функциям. Он предоставляет методы для выполнения хеширования, шифрования, дешифрования, подписи и проверки.
• Промисы: Все криптографические операции в Web Crypto API являются асинхронными и возвращают промисы. Это гарантирует, что пользовательский интерфейс браузера остается отзывчивым при выполнении потенциально трудоемких криптографических задач.

Поддерживаемые криптографические алгоритмы

Web Crypto API поддерживает широкий спектр криптографических алгоритмов. Вот некоторые из наиболее часто используемых:

Симметричное шифрование

• AES (Advanced Encryption Standard): Широко используемый алгоритм симметричного шифрования. Web Crypto API поддерживает режимы AES-CBC, AES-CTR, AES-GCM и AES-KW.

Асимметричное шифрование

• RSA (Rivest-Shamir-Adleman): Популярный алгоритм асимметричного шифрования. Web Crypto API поддерживает схемы дополнения RSA-OAEP и RSA-PSS.
• ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm): Алгоритм асимметричной подписи, основанный на эллиптической криптографии.
• ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman): Протокол согласования ключей, основанный на эллиптической криптографии.

Алгоритмы хеширования

• SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit): Широко используемый алгоритм хеширования, который производит 256-битное хеш-значение.
• SHA-384 (Secure Hash Algorithm 384-bit): Алгоритм хеширования, который производит 384-битное хеш-значение.
• SHA-512 (Secure Hash Algorithm 512-bit): Алгоритм хеширования, который производит 512-битное хеш-значение.

Основные криптографические операции

Давайте рассмотрим некоторые основные криптографические операции с использованием Web Crypto API с примерами кода.

Хеширование

Хеширование — это процесс преобразования данных в строку символов фиксированного размера (хеш-значение). Хеширование используется для проверки целостности данных, хранения паролей и индексирования.

            \nasync function hashData(data) {\n const encoder = new TextEncoder();\n const dataBuffer = encoder.encode(data);\n const hashBuffer = await crypto.subtle.digest('SHA-256', dataBuffer);\n const hashArray = Array.from(new Uint8Array(hashBuffer));\n const hashHex = hashArray\n .map((b) => b.toString(16).padStart(2, '0'))\n .join('');\n return hashHex;\n}\n\n// Example usage:\nhashData('Hello, world!')\n .then((hash) => console.log('SHA-256 Hash:', hash))\n .catch((err) => console.error('Hashing error:', err));\n
            

              
                Copy
              
            
          

Генерация симметричных ключей

Симметричные ключи используются для шифрования и дешифрования с использованием одного и того же ключа. Web Crypto API позволяет генерировать симметричные ключи с помощью метода generateKey().

            \nasync function generateAESKey() {\n return await crypto.subtle.generateKey(\n {\n name: 'AES-GCM',\n length: 256,\n },\n true, // extractable\n ['encrypt', 'decrypt'] // usages\n );\n}\n\n// Example usage:\ngenerateAESKey()\n .then((key) => {\n console.log('AES Key generated:', key);\n // Use the key for encryption/decryption\n })\n .catch((err) => console.error('Key generation error:', err));\n
            

              
                Copy
              
            
          

Шифрование данных

Шифрование — это процесс преобразования данных в нечитаемый формат для защиты их конфиденциальности. Вот пример шифрования данных с использованием AES-GCM:

            \nasync function encryptData(key, data) {\n const encoder = new TextEncoder();\n const dataBuffer = encoder.encode(data);\n const iv = crypto.getRandomValues(new Uint8Array(12)); // Initialization vector\n\n const encryptedData = await crypto.subtle.encrypt(\n {\n name: 'AES-GCM',\n iv: iv,\n },\n key,\n dataBuffer\n );\n\n // Combine IV and encrypted data for storage/transmission\n const combined = new Uint8Array(iv.length + encryptedData.byteLength);\n combined.set(iv, 0);\n combined.set(new Uint8Array(encryptedData), iv.length);\n return combined;\n}\n\n// Example usage (assuming you have an AES key):\ngenerateAESKey().then(key => {\n encryptData(key, 'Sensitive data')\n .then((encrypted) => {\n console.log('Encrypted data:', encrypted);\n })\n .catch((err) => console.error('Encryption error:', err));\n});\n
            

              
                Copy
              
            
          

Дешифрование данных

Дешифрование — это процесс преобразования зашифрованных данных обратно в их исходный, читаемый формат. Вот пример дешифрования данных, зашифрованных с помощью AES-GCM:

            \nasync function decryptData(key, combined) {\n const iv = combined.slice(0, 12);\n const encryptedData = combined.slice(12);\n\n const decryptedData = await crypto.subtle.decrypt(\n {\n name: 'AES-GCM',\n iv: iv,\n },\n key,\n encryptedData\n );\n\n const decoder = new TextDecoder();\n return decoder.decode(decryptedData);\n}\n\n// Example usage (assuming you have the AES key and encrypted data):\ngenerateAESKey().then(key => {\n encryptData(key, 'Sensitive data').then(encrypted => {\n decryptData(key, encrypted)\n .then((decrypted) => {\n console.log('Decrypted data:', decrypted);\n })\n .catch((err) => console.error('Decryption error:', err));\n });\n});\n
            

              
                Copy
              
            
          

Генерация асимметричных ключей

Асимметричные ключи состоят из открытого ключа и закрытого ключа. Открытый ключ можно передавать другим, а закрытый ключ должен храниться в секрете. Web Crypto API поддерживает генерацию асимметричных ключей с помощью метода generateKey().

            \nasync function generateRSAKey() {\n return await crypto.subtle.generateKey(\n {\n name: 'RSA-OAEP',\n modulusLength: 2048, // The length of the key in bits\n publicExponent: new Uint8Array([0x01, 0x00, 0x01]), // Commonly 65537\n hash: 'SHA-256',\n },\n true, // extractable\n ['encrypt', 'decrypt'] // usages\n );\n}\n\n// Example usage:\ngenerateRSAKey()\n .then((keyPair) => {\n console.log('RSA Public Key:', keyPair.publicKey);\n console.log('RSA Private Key:', keyPair.privateKey);\n // Use the keys for encryption/decryption\n })\n .catch((err) => console.error('Key generation error:', err));\n
            

              
                Copy
              
            
          

Подписание данных

Цифровые подписи используются для проверки подлинности и целостности данных. Отправитель подписывает данные своим закрытым ключом, а получатель проверяет подпись открытым ключом отправителя.

            \nasync function signData(privateKey, data) {\n const encoder = new TextEncoder();\n const dataBuffer = encoder.encode(data);\n\n const signature = await crypto.subtle.sign(\n {\n name: 'RSASSA-PKCS1-v1_5',\n hash: { name: 'SHA-256' },\n },\n privateKey,\n dataBuffer\n );\n\n return signature;\n}\n\n// Example usage (assuming you have an RSA key pair):\ngenerateRSAKey().then(keyPair => {\n signData(keyPair.privateKey, 'Data to sign')\n .then((signature) => {\n console.log('Signature:', signature);\n })\n .catch((err) => console.error('Signing error:', err));\n});\n
            

              
                Copy
              
            
          

Проверка подписей

Проверка цифровой подписи подтверждает, что данные не были изменены и что они действительно были подписаны заявленным отправителем.

            \nasync function verifySignature(publicKey, signature, data) {\n const encoder = new TextEncoder();\n const dataBuffer = encoder.encode(data);\n\n const isValid = await crypto.subtle.verify(\n {\n name: 'RSASSA-PKCS1-v1_5',\n hash: { name: 'SHA-256' },\n },\n publicKey,\n signature,\n dataBuffer\n );\n\n return isValid;\n}\n\n// Example usage (assuming you have the RSA key pair and the signature):\ngenerateRSAKey().then(keyPair => {\n signData(keyPair.privateKey, 'Data to sign').then(signature => {\n verifySignature(keyPair.publicKey, signature, 'Data to sign')\n .then((isValid) => {\n console.log('Signature is valid:', isValid);\n })\n .catch((err) => console.error('Verification error:', err));\n });\n});\n
            

              
                Copy
              
            
          

Управление ключами

Правильное управление ключами имеет решающее значение для безопасности любой криптографической системы. Web Crypto API предоставляет механизмы для безопасной генерации, импорта, экспорта и хранения ключей. Однако безопасное хранение ключей в браузере может быть сложной задачей.

Соображения по хранению ключей

• IndexedDB: Один из вариантов — хранить ключи в IndexedDB, NoSQL-базе данных на основе браузера. Однако IndexedDB не предназначен специально для безопасного хранения ключей, поэтому важно реализовать дополнительные меры безопасности, такие как шифрование ключей перед их сохранением.
• LocalStorage/Cookies: Обычно не рекомендуется использовать их для хранения криптографических ключей из-за ограниченных функций безопасности и потенциальной возможности атак межсайтового скриптинга (XSS).
• Модули аппаратной безопасности (HSM): В более продвинутых сценариях вы можете использовать расширения браузера или нативные приложения для взаимодействия с модулями аппаратной безопасности (HSM) для безопасного хранения ключей и криптографических операций.

Импорт и экспорт ключей

Web Crypto API позволяет импортировать и экспортировать ключи в различных форматах, таких как:

• JWK (JSON Web Key): Формат на основе JSON для представления криптографических ключей.
• PKCS#8: Стандартный формат для хранения закрытых ключей.
• SPKI (Subject Public Key Info): Стандартный формат для хранения открытых ключей.

Импорт и экспорт ключей может быть полезен для передачи ключей между различными системами или для резервного копирования ключей.

Заворачивание и разворачивание ключей

Заворачивание ключей — это процесс шифрования ключа другим ключом (ключом заворачивания). Это можно использовать для защиты ключей во время их хранения или передачи. Web Crypto API поддерживает заворачивание и разворачивание ключей с использованием таких алгоритмов, как AES-KW и RSA-OAEP.

Сценарии использования Web Crypto API

Web Crypto API открывает широкий спектр возможностей для создания безопасных веб-приложений. Вот некоторые распространенные сценарии использования:

• Клиентское шифрование: Шифруйте конфиденциальные данные в браузере перед отправкой их на сервер. Это может защитить данные от перехвата и несанкционированного доступа.
• Безопасная аутентификация: Реализуйте безопасные механизмы аутентификации с использованием цифровых подписей и протоколов обмена ключами.
• Проверки целостности данных: Используйте алгоритмы хеширования для проверки целостности данных, загруженных с сервера.
• Безопасная связь: Устанавливайте безопасные каналы связи с использованием протоколов шифрования и обмена ключами.
• Управление цифровыми правами (DRM): Реализуйте схемы DRM для защиты контента, защищенного авторским правом.
• Управление паролями: Реализуйте безопасные механизмы хранения и получения паролей. Использование PBKDF2 для хеширования паролей на стороне клиента перед отправкой их на сервер.

Соображения безопасности

Хотя Web Crypto API предоставляет мощный инструмент для создания безопасных веб-приложений, важно помнить о потенциальных рисках безопасности и следовать лучшим практикам:

• Межсайтовый скриптинг (XSS): Атаки XSS могут поставить под угрозу безопасность вашего приложения и позволить злоумышленникам украсть конфиденциальные данные, включая криптографические ключи. Защитите свое приложение от атак XSS путем правильной санитарной обработки пользовательского ввода и использования политик безопасности контента (CSP).
• Атаки типа "человек посередине" (MITM): Атаки MITM могут перехватывать и изменять сетевой трафик, потенциально нарушая конфиденциальность и целостность данных. Защитите свое приложение от атак MITM, используя HTTPS и проверяя подлинность сертификатов сервера.
• Атаки по сторонним каналам: Атаки по сторонним каналам используют информацию, утекающую во время криптографических операций, такую как вариации времени или потребление энергии, для восстановления секретных ключей. Web Crypto API разработан для снижения рисков атак по сторонним каналам, но важно помнить об этом риске и использовать лучшие практики для криптографической реализации.
• Управление ключами: Безопасное управление ключами имеет решающее значение для безопасности любой криптографической системы. Защищайте свои ключи от несанкционированного доступа и убедитесь, что они хранятся и обрабатываются безопасно.
• Выбор алгоритма: Выбирайте криптографические алгоритмы и размеры ключей, соответствующие вашим требованиям безопасности. Избегайте использования слабых или устаревших алгоритмов. Проконсультируйтесь со специалистами по безопасности, чтобы определить лучшие алгоритмы для вашего приложения.
• Регулярные обновления: Обновляйте свой браузер и библиотеки JavaScript с помощью последних исправлений безопасности. Уязвимости в этих компонентах могут поставить под угрозу безопасность вашего приложения.

Лучшие практики использования Web Crypto API

Вот некоторые лучшие практики использования Web Crypto API:

• Используйте HTTPS: Всегда используйте HTTPS для защиты вашего приложения от атак MITM.
• Очищайте пользовательский ввод: Правильно очищайте пользовательский ввод, чтобы предотвратить атаки XSS.
• Используйте политики безопасности контента (CSPs): Используйте CSP для ограничения ресурсов, которые ваше приложение может загружать, снижая риск атак XSS.
• Выбирайте сильные алгоритмы: Выбирайте сильные криптографические алгоритмы и размеры ключей, соответствующие вашим требованиям безопасности.
• Реализуйте безопасное управление ключами: Реализуйте безопасные практики управления ключами для защиты ваших ключей от несанкционированного доступа.
• Обновляйте свое программное обеспечение: Обновляйте свой браузер и библиотеки JavaScript с помощью последних исправлений безопасности.
• Тщательно тестируйте свое приложение: Тщательно тестируйте свое приложение для выявления и устранения потенциальных уязвимостей безопасности.
• Рассмотрите использование криптографической библиотеки: Хотя Web Crypto API является мощным инструментом, использование хорошо проверенной криптографической библиотеки (например, TweetNaCl.js или CryptoJS) может обеспечить дополнительную безопасность и удобство. Эти библиотеки часто обрабатывают низкоуровневые детали и пограничные случаи, снижая риск ошибок.

Примеры использования Web Crypto API на практике

Давайте рассмотрим несколько реальных примеров, где Web Crypto API может быть использован для повышения безопасности и конфиденциальности:

Приложение для безопасного обмена сообщениями

Приложение для безопасного обмена сообщениями может использовать Web Crypto API для шифрования сообщений на стороне клиента перед отправкой их на сервер. Это гарантирует, что только предполагаемый получатель сможет прочитать сообщения, даже если сервер будет скомпрометирован. Пользователи могли бы генерировать пары ключей, шифровать сообщения открытым ключом получателя и подписывать сообщения своим закрытым ключом. Затем получатель использовал бы свой закрытый ключ для дешифрования сообщения и проверки подписи отправителя с помощью его открытого ключа.

Безопасное хранение файлов

Приложение для безопасного хранения файлов может использовать Web Crypto API для шифрования файлов на стороне клиента перед их загрузкой на сервер. Это защищает файлы от несанкционированного доступа, даже если сервер скомпрометирован. Пользователи могли бы генерировать ключи шифрования, шифровать файлы этими ключами, а затем безопасно хранить зашифрованные файлы вместе с ключами (возможно, заворачивая ключи для дополнительной защиты). Когда пользователь захочет получить доступ к файлу, приложение извлечет зашифрованный файл и соответствующий ключ, расшифрует файл на стороне клиента, а затем отобразит его пользователю.

Продвинутые темы

Помимо основ, Web Crypto API предлагает несколько расширенных функций для специализированных случаев использования:

• Функции вывода ключей (KDF): KDF используются для вывода криптографических ключей из паролей или других секретных значений. Web Crypto API поддерживает PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function 2), широко используемую KDF для вывода ключей на основе паролей.
• Аутентифицированное шифрование: Алгоритмы аутентифицированного шифрования, такие как AES-GCM и ChaCha20-Poly1305, обеспечивают как конфиденциальность, так и целостность. Они шифруют данные, а также генерируют тег аутентификации, который можно использовать для проверки целостности данных.
• Криптография на эллиптических кривых (ECC): ECC — это тип асимметричной криптографии, основанный на эллиптических кривых. Web Crypto API поддерживает ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) и ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman), которые обычно используются для цифровых подписей и обмена ключами.

Заключение

Web Crypto API предоставляет мощный и стандартизированный способ выполнения криптографических операций непосредственно в браузере. Это позволяет разработчикам создавать безопасные веб-приложения, не полагаясь на серверную обработку конфиденциальных задач. Понимая основные концепции Web Crypto API, следуя лучшим практикам и осознавая потенциальные риски безопасности, вы можете использовать этот мощный инструмент для повышения безопасности и конфиденциальности ваших веб-приложений. По мере того как веб-приложения становятся все более сложными и обрабатывают все больше конфиденциальных данных, Web Crypto API будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и конфиденциальности веба.