Web Crypto API: En omfattande guide till kryptografiska operationer

Web Crypto API är ett JavaScript API som låter utvecklare utföra kryptografiska operationer direkt i webbläsaren. Detta öppnar upp möjligheter för att bygga säkra webbapplikationer utan att förlita sig på serversidebehandling för känsliga uppgifter. Denna artikel ger en omfattande översikt över Web Crypto API, som täcker dess nyckelfunktioner, användningsområden och bästa praxis.

Introduktion till kryptografi i webbläsaren

Traditionellt hanterades kryptografiska operationer främst på serversidan på grund av säkerhetsproblem och begränsningarna i klientside-JavaScript. Men Web Crypto API tillhandahåller ett säkert och standardiserat sätt att utföra kryptografiska uppgifter direkt i webbläsaren. Detta möjliggör en rad nya funktioner, som klientsidekryptering, säker autentisering och digitala signaturer, allt utan att överföra känslig data till servern i onödan.

En stor fördel med klientsidekryptografi är minskad serverbelastning. Genom att avlasta kryptografiska beräkningar till webbläsaren kan servern fokusera på andra uppgifter, vilket förbättrar den totala applikationsprestandan. Dessutom kan klientsidekryptering förbättra användarens integritet genom att säkerställa att känslig data krypteras innan den lämnar användarens enhet.

Grundläggande begrepp i Web Crypto API

Web Crypto API är baserat på följande grundläggande begrepp:

• Kryptografialgoritmer: API:et stöder olika kryptografiska algoritmer, inklusive symmetrisk kryptering (t.ex. AES), asymmetrisk kryptering (t.ex. RSA), hashing-algoritmer (t.ex. SHA-256) och digitala signaturalgoritmer (t.ex. ECDSA).
• Nycklar: Kryptografiska operationer kräver ofta nycklar. Web Crypto API tillhandahåller mekanismer för att generera, importera, exportera och lagra nycklar säkert. Nycklar kan vara symmetriska (används för både kryptering och dekryptering) eller asymmetriska (består av en publik nyckel och en privat nyckel).
• SubtleCrypto-gränssnittet: SubtleCrypto-gränssnittet är den huvudsakliga ingångspunkten för att komma åt kryptografiska funktioner. Det tillhandahåller metoder för att utföra hashing, kryptering, dekryptering, signering och verifiering.
• Promises: Alla kryptografiska operationer i Web Crypto API är asynkrona och returnerar löften. Detta säkerställer att webbläsarens användargränssnitt förblir responsivt medan man utför potentiellt tidskrävande kryptografiska uppgifter.

Kryptografiska algoritmer som stöds

Web Crypto API stöder ett brett utbud av kryptografiska algoritmer. Här är några av de vanligaste:

Symmetrisk kryptering

• AES (Advanced Encryption Standard): En allmänt använd symmetrisk krypteringsalgoritm. Web Crypto API stöder AES-CBC, AES-CTR, AES-GCM och AES-KW-lägen.

Asymmetrisk kryptering

• RSA (Rivest-Shamir-Adleman): En populär asymmetrisk krypteringsalgoritm. Web Crypto API stöder RSA-OAEP och RSA-PSS padding-scheman.
• ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm): En asymmetrisk signaturalgoritm baserad på elliptisk kurvkryptografi.
• ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman): Ett nyckelöverenskommelseprotokoll baserat på elliptisk kurvkryptografi.

Hashing-algoritmer

• SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bitars): En allmänt använd hashing-algoritm som producerar ett 256-bitars hashvärde.
• SHA-384 (Secure Hash Algorithm 384-bitars): En hashing-algoritm som producerar ett 384-bitars hashvärde.
• SHA-512 (Secure Hash Algorithm 512-bitars): En hashing-algoritm som producerar ett 512-bitars hashvärde.

Grundläggande kryptografiska operationer

Låt oss utforska några grundläggande kryptografiska operationer med hjälp av Web Crypto API med kodexempel.

Hashing

Hashing är processen att omvandla data till en sträng med fast storlek av tecken (ett hashvärde). Hashing används för dataintegritetskontroller, lösenordslagring och indexering.

            
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;
}

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

            

              
                Copy
              
            
          

Generera symmetriska nycklar

Symmetriska nycklar används för kryptering och dekryptering med samma nyckel. Web Crypto API låter dig generera symmetriska nycklar med hjälp av metoden generateKey().

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

Kryptera data

Kryptering är processen att omvandla data till ett oläsbart format för att skydda dess konfidentialitet. Här är ett exempel på att kryptera data med 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;
}

// Exempelanvändning (förutsatt att du har en AES-nyckel):
generateAESKey().then(key => {
 encryptData(key, 'Sensitive data')
 .then((encrypted) => {
 console.log('Encrypted data:', encrypted);
 })
 .catch((err) => console.error('Encryption error:', err));
});

            

              
                Copy
              
            
          

Dekryptera data

Dekryptering är processen att omvandla krypterad data tillbaka till dess ursprungliga, läsbara format. Här är ett exempel på att dekryptera data som krypterats 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);
}

// Exempelanvändning (förutsatt att du har AES-nyckeln och krypterad 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
              
            
          

Generera asymmetriska nycklar

Asymmetriska nycklar består av en publik nyckel och en privat nyckel. Den publika nyckeln kan delas med andra, medan den privata nyckeln måste hållas hemlig. Web Crypto API stöder generering av asymmetriska nycklar med hjälp av metoden generateKey().

            
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
 );
}

// Exempelanvändning:
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
              
            
          

Signera data

Digitala signaturer används för att verifiera äktheten och integriteten hos data. Avsändaren signerar data med sin privata nyckel, och mottagaren verifierar signaturen med avsändarens publika nyckel.

            
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;
}

// Exempelanvändning (förutsatt att du har ett RSA-nyckelpar):
generateRSAKey().then(keyPair => {
 signData(keyPair.privateKey, 'Data to sign')
 .then((signature) => {
 console.log('Signature:', signature);
 })
 .catch((err) => console.error('Signing error:', err));
});

            

              
                Copy
              
            
          

Verifiera signaturer

Att verifiera en digital signatur bekräftar att data inte har manipulerats och att den verkligen signerades av den påstådda avsändaren.

            
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;
}

// Exempelanvändning (förutsatt att du har RSA-nyckelparet och signaturen):
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
              
            
          

Nyckelhantering

Korrekt nyckelhantering är avgörande för säkerheten i alla kryptografiska system. Web Crypto API tillhandahåller mekanismer för att generera, importera, exportera och lagra nycklar säkert. Men att lagra nycklar säkert i webbläsaren kan vara utmanande.

Överväganden för nyckel lagring

• IndexedDB: Ett alternativ är att lagra nycklar i IndexedDB, en webbläsarbaserad NoSQL-databas. Men IndexedDB är inte specifikt utformad för säker nyckellagring, så det är viktigt att implementera ytterligare säkerhetsåtgärder, till exempel att kryptera nycklarna innan du lagrar dem.
• LocalStorage/Cookies: Dessa rekommenderas i allmänhet inte för lagring av kryptografiska nycklar på grund av deras begränsade säkerhetsfunktioner och potential för attacker över flera webbplatser (XSS).
• Hardware Security Modules (HSM): I mer avancerade scenarier kan du använda webbläsartillägg eller inbyggda applikationer för att interagera med maskinvarusäkerhetsmoduler (HSM) för säker nyckellagring och kryptografiska operationer.

Nyckelimport och -export

Web Crypto API låter dig importera och exportera nycklar i olika format, till exempel:

• JWK (JSON Web Key): Ett JSON-baserat format för att representera kryptografiska nycklar.
• PKCS#8: Ett standardformat för lagring av privata nycklar.
• SPKI (Subject Public Key Info): Ett standardformat för lagring av publika nycklar.

Att importera och exportera nycklar kan vara användbart för att överföra nycklar mellan olika system eller för att säkerhetskopiera nycklar.

Nyckelinpackning och -uppackning

Nyckelinpackning är processen att kryptera en nyckel med en annan nyckel (inpackningsnyckeln). Detta kan användas för att skydda nycklar medan de lagras eller överförs. Web Crypto API stöder nyckelinpackning och -uppackning med algoritmer som AES-KW och RSA-OAEP.

Användningsfall för Web Crypto API

Web Crypto API öppnar upp en mängd möjligheter för att bygga säkra webbapplikationer. Här är några vanliga användningsfall:

• Klientsidekryptering: Kryptera känslig data i webbläsaren innan du skickar den till servern. Detta kan skydda data från avlyssning och obehörig åtkomst.
• Säker autentisering: Implementera säkra autentiseringsmekanismer med hjälp av digitala signaturer och nyckelutbytesprotokoll.
• Dataintegritetskontroller: Använd hashing-algoritmer för att verifiera integriteten hos data som hämtas från servern.
• Säker kommunikation: Etablera säkra kommunikationskanaler med hjälp av kryptering och nyckelutbytesprotokoll.
• Digital Rights Management (DRM): Implementera DRM-system för att skydda upphovsrättsskyddat innehåll.
• Lösenordshantering: Implementera säkra lösenordslagrings- och hämtningsmekanismer. Använda PBKDF2 för att hasha lösenord på klientsidan innan de skickas till servern.

Säkerhetsöverväganden

Även om Web Crypto API tillhandahåller ett kraftfullt verktyg för att bygga säkra webbapplikationer är det viktigt att vara medveten om potentiella säkerhetsrisker och att följa bästa praxis:

• Cross-Site Scripting (XSS): XSS-attacker kan äventyra säkerheten i din applikation och tillåta angripare att stjäla känslig data, inklusive kryptografiska nycklar. Skydda din applikation från XSS-attacker genom att korrekt sanera användarinmatning och använda innehållssäkerhetspolicyer (CSP:er).
• Man-in-the-Middle (MITM)-attacker: MITM-attacker kan fånga upp och modifiera nätverkstrafik, vilket potentiellt äventyrar datans konfidentialitet och integritet. Skydda din applikation från MITM-attacker genom att använda HTTPS och verifiera äktheten hos servercertifikat.
• Side-Channel-attacker: Side-Channel-attacker utnyttjar information som läcks under kryptografiska operationer, såsom tidsvariationer eller strömförbrukning, för att återställa hemliga nycklar. Web Crypto API är utformat för att mildra side-channel-attacker, men det är viktigt att vara medveten om denna risk och att använda bästa praxis för kryptografisk implementering.
• Nyckelhantering: Säker nyckelhantering är avgörande för säkerheten i alla kryptografiska system. Skydda dina nycklar från obehörig åtkomst och se till att de lagras och hanteras säkert.
• Algoritmval: Välj kryptografiska algoritmer och nyckelstorlekar som är lämpliga för dina säkerhetskrav. Undvik att använda svaga eller föråldrade algoritmer. Rådfråga säkerhetsexperter för att bestämma de bästa algoritmerna för din applikation.
• Regelbundna uppdateringar: Håll din webbläsare och JavaScript-bibliotek uppdaterade med de senaste säkerhetskorrigeringarna. Sårbarheter i dessa komponenter kan äventyra säkerheten i din applikation.

Bästa praxis för att använda Web Crypto API

Här är några bästa praxis för att använda Web Crypto API:

• Använd HTTPS: Använd alltid HTTPS för att skydda din applikation från MITM-attacker.
• Sanera användarinmatning: Rätt sanera användarinmatning för att förhindra XSS-attacker.
• Använd innehållssäkerhetspolicyer (CSP:er): Använd CSP:er för att begränsa de resurser som din applikation kan ladda, vilket minskar risken för XSS-attacker.
• Välj starka algoritmer: Välj starka kryptografiska algoritmer och nyckelstorlekar som är lämpliga för dina säkerhetskrav.
• Implementera säker nyckelhantering: Implementera säker nyckelhanteringspraxis för att skydda dina nycklar från obehörig åtkomst.
• Håll din programvara uppdaterad: Håll din webbläsare och JavaScript-bibliotek uppdaterade med de senaste säkerhetskorrigeringarna.
• Testa din applikation noggrant: Testa din applikation noggrant för att identifiera och åtgärda potentiella säkerhetsrisker.
• Överväg ett kryptografibibliotek: Medan Web Crypto API är kraftfullt, kan användning av ett välbeprövat kryptografibibliotek (som TweetNaCl.js eller CryptoJS) ge ytterligare säkerhet och bekvämlighet. Dessa bibliotek hanterar ofta lågnivådetaljer och kantfall, vilket minskar risken för fel.

Exempel på Web Crypto API i aktion

Låt oss överväga ett par exempel från den verkliga världen där Web Crypto API kan användas för att förbättra säkerheten och integriteten:

Säker meddelandeapplikation

En säker meddelandeapplikation kan använda Web Crypto API för att kryptera meddelanden på klientsidan innan de skickas till servern. Detta säkerställer att endast den avsedda mottagaren kan läsa meddelandena, även om servern äventyras. Användare kan generera nyckelpar, kryptera meddelanden med mottagarens publika nyckel och signera meddelanden med sin egen privata nyckel. Mottagaren skulle sedan använda sin privata nyckel för att dekryptera meddelandet och verifiera avsändarens signatur med sin publika nyckel.

Säker fillagring

En säker fillagringsapplikation kan använda Web Crypto API för att kryptera filer på klientsidan innan de laddas upp till servern. Detta skyddar filerna från obehörig åtkomst, även om servern äventyras. Användare kan generera krypteringsnycklar, kryptera filer med dessa nycklar och sedan säkert lagra de krypterade filerna tillsammans med nycklarna (kanske packa in nycklarna för extra skydd). När en användare vill komma åt en fil skulle applikationen hämta den krypterade filen och motsvarande nyckel, dekryptera filen på klientsidan och sedan visa den för användaren.

Avancerade ämnen

Utöver grunderna erbjuder Web Crypto API flera avancerade funktioner för specialiserade användningsfall:

• Key Derivation Functions (KDFs): KDF:er används för att härleda kryptografiska nycklar från lösenord eller andra hemliga värden. Web Crypto API stöder PBKDF2 (Password-Based Key Derivation Function 2), en allmänt använd KDF för lösenordsbaserad nyckelhärledning.
• Authenticated Encryption: Autentiserade krypteringsalgoritmer, såsom AES-GCM och ChaCha20-Poly1305, tillhandahåller både konfidentialitet och integritet. De krypterar data och genererar också en autentiseringstagg som kan användas för att verifiera datans integritet.
• Elliptic Curve Cryptography (ECC): ECC är en typ av asymmetrisk kryptografi baserad på elliptiska kurvor. Web Crypto API stöder ECDSA (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) och ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman), som ofta används för digitala signaturer och nyckelutbyte.

Slutsats

Web Crypto API tillhandahåller ett kraftfullt och standardiserat sätt att utföra kryptografiska operationer direkt i webbläsaren. Detta gör det möjligt för utvecklare att bygga säkra webbapplikationer utan att förlita sig på serversidebehandling för känsliga uppgifter. Genom att förstå kärnbegreppen i Web Crypto API, följa bästa praxis och vara medveten om potentiella säkerhetsrisker kan du utnyttja detta kraftfulla verktyg för att förbättra säkerheten och integriteten i dina webbapplikationer. Eftersom webbapplikationer blir allt mer sofistikerade och hanterar mer känslig data kommer Web Crypto API att spela en allt viktigare roll för att säkerställa säkerheten och integriteten på webben.