2025-04-10 日报 Day152

今日的鸡汤

一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴，时间买不到也租不来，惜时如金就是增进财富储量，因时制宜就是掌控发展变量，分秒必争就是创造价值增量。

今日学习内容

1、JS 红皮书 P663-674 第二十章：JavaScript API

今日笔记

1、 Web Cryptography API: Web Cryptography API 描述了一套密码学工具，规范了 JavaScript 如何以安全和符合惯例的方式实现加密。这些工具包括生成、使用和应用加密密钥对，加密和解密消息，以及可靠地生成随机数。
2、生成随机数: 在需要生成随机值时，很多人会使用 Math.random()。这个方法在浏览器中是以伪随机数生成器（PRNG，PseudoRandom Number Generator）方式实现的。所谓“伪”指的是生成值的过程不是真的随机。PRNG 生成的值只是模拟了随机的特性。
由于算法本身是固定的，其输入只是之前的状态，因此随机数顺序也是确定的。xorshift128+使用 128 位内部状态，而算法的设计让任何初始状态在重复自身之前都会产生 2128–1 个伪随机值。这种循环被称为置换循环（permutation cycle），而这个循环的长度被称为一个周期（period）。很明显，如果攻击者知道 PRNG 的内部状态，就可以预测后续生成的伪随机值。如果开发者无意中使用 PRNG 生成了私有密钥用于加密，则攻击者就可以利用 PRNG 的这个特性算出私有密钥。
伪随机数生成器主要用于快速计算出看起来随机的值。不过并不适合用于加密计算。为解决这个问题，密码学安全伪随机数生成器（CSPRNG，Cryptographically Secure PseudoRandom Number Generator）额外增加了一个熵作为输入，例如测试硬件时间或其他无法预计行为的系统特性。这样一来，计算速度明显比常规 PRNG 慢很多，但 CSPRNG 生成的值就很难预测，可以用于加密了。
Web Cryptography API 引入了 CSPRNG，这个 CSPRNG 可以通过 crypto.getRandomValues()在全局 Crypto 对象上访问。

const array = new Uint8Array(1);
for (let i = 0; i < 5; ++i) {
  console.log(crypto.getRandomValues(array));
}
// Uint8Array [41]
// Uint8Array [250]
// Uint8Array [51]
// Uint8Array [129]
// Uint8Array [35]

要使用 CSPRNG 重新实现 Math.random()，可以通过生成一个随机的 32 位数值，然后用它去除最大的可能值 0xFFFFFFFF。这样就会得到一个介于 0 和 1 之间的值

function randomFloat() {
  // 生成 32 位随机值
  const fooArray = new Uint32Array(1);
  // 最大值是 2^32 –1
  const maxUint32 = 0xffffffff;
  // 用最大可能的值来除
  return crypto.getRandomValues(fooArray)[0] / maxUint32;
}
console.log(randomFloat()); // 0.5033651619458955

3、使用 SubtleCrypto 对象: Web Cryptography API 重头特性都暴露在了 SubtleCrypto 对象上，可以通过 window.crypto.subtle 访问：
console.log(crypto.subtle); // SubtleCrypto {}
这个对象包含一组方法，用于执行常见的密码学功能，如加密、散列、签名和生成密钥。

• 生成密码学摘要: 计算数据的密码学摘要是非常常用的密码学操作。这个规范支持 4 种摘要算法：SHA-1 和 3 种 SHA-2。
   SHA-1（Secure Hash Algorithm 1）：架构类似 MD5 的散列函数。接收任意大小的输入，生成 160 位消息散列。由于容易受到碰撞攻击，这个算法已经不再安全。
   SHA-2（Secure Hash Algorithm 2）：构建于相同耐碰撞单向压缩函数之上的一套散列函数。规范支持其中 3 种：SHA-256、SHA-384 和 SHA-512。生成的消息摘要可以是 256 位（SHA-256）、384 位（SHA-384）或 512 位（SHA-512）。这个算法被认为是安全的，广泛应用于很多领域和协议，包括 TLS、PGP 和加密货币（如比特币）。
  SubtleCrypto.digest()方法用于生成消息摘要。要使用的散列算法通过字符串”SHA-1”、”SHA-256”、”SHA-384”或”SHA-512”指定。下面的代码展示了一个使用 SHA-256 为字符串”foo”生成消息摘要的例子：

(async function () {
  const textEncoder = new TextEncoder();
  const message = textEncoder.encode("foo");
  const messageDigest = await crypto.subtle.digest("SHA-256", message);
  console.log(new Uint32Array(messageDigest));
})();
// Uint32Array(8) [1806968364, 2412183400, 1011194873, 876687389,
// 1882014227, 2696905572, 2287897337, 2934400610]

通常，在使用时，二进制的消息摘要会转换为十六进制字符串格式。通过将二进制数据按 8 位进行分割，然后再调用 toString(16)就可以把任何数组缓冲区转换为十六进制字符串：

(async function () {
  const textEncoder = new TextEncoder();
  const message = textEncoder.encode("foo");
  const messageDigest = await crypto.subtle.digest("SHA-256", message);
  const hexDigest = Array.from(new Uint8Array(messageDigest))
    .map((x) => x.toString(16).padStart(2, "0"))
    .join("");
  console.log(hexDigest);
})();
// 2c26b46b68ffc68ff99b453c1d30413413422d706483bfa0f98a5e886266e7ae

软件公司通常会公开自己软件二进制安装包的摘要，以便用户验证自己下载到的确实是该公司发布的版本（而不是被恶意软件篡改过的版本）。下面的例子演示了下载 Firefox v67.0，通过 SHA-512 计算其散列，再下载其 SHA-512 二进制验证摘要，最后检查两个十六进制字符串匹配：

(async function () {
  const mozillaCdnUrl =
    "// downloadorigin.cdn.mozilla.net/pub/firefox/releases/67.0 /";
  const firefoxBinaryFilename = "linux-x86_64/en-US/firefox-67.0.tar.bz2";
  const firefoxShaFilename = "SHA512SUMS";
  console.log("Fetching Firefox binary...");
  const fileArrayBuffer = await (
    await fetch(mozillaCdnUrl + firefoxBinaryFilename)
  ).arrayBuffer();
  console.log("Calculating Firefox digest...");
  const firefoxBinaryDigest = await crypto.subtle.digest(
    "SHA-512",
    fileArrayBuffer
  );
  const firefoxHexDigest = Array.from(new Uint8Array(firefoxBinaryDigest))
    .map((x) => x.toString(16).padStart(2, "0"))
    .join("");
  console.log("Fetching published binary digests...");
  // SHA 文件包含此次发布的所有 Firefox 二进制文件的摘要，
  // 因此要根据其格式进制拆分
  const shaPairs = (
    await (await fetch(mozillaCdnUrl + firefoxShaFilename)).text()
  )
    .split(/\n/)
    .map((x) => x.split(/\s+/));
  let verified = false;
  console.log("Checking calculated digest against published digests...");
  for (const [sha, filename] of shaPairs) {
    if (filename === firefoxBinaryFilename) {
      if (sha === firefoxHexDigest) {
        verified = true;
        break;
      }
    }
  }
  console.log("Verified:", verified);
})();
// Fetching Firefox binary...
// Calculating Firefox digest...
// Fetching published binary digests...
// Checking calculated digest against published digests...
// Verified: true

• CryptoKey与算法: 如果没了密钥，那密码学也就没什么意义了。SubtleCrypto 对象使用 CryptoKey 类的实例来生成密钥。CryptoKey 类支持多种加密算法，允许控制密钥抽取和使用。
  CryptoKey 类支持以下算法，按各自的父密码系统归类。
   RSA（Rivest-Shamir-Adleman）：公钥密码系统，使用两个大素数获得一对公钥和私钥，可用于签名/验证或加密/解密消息。RSA 的陷门函数被称为分解难题（factoring problem）。
   RSASSA-PKCS1-v1_5：RSA 的一个应用，用于使用私钥给消息签名，允许使用公钥验证签名。
   SSA（Signature Schemes with Appendix），表示算法支持签名生成和验证操作。
   PKCS1（Public-Key Cryptography Standards #1），表示算法展示出的 RSA 密钥必需的数学特性。
   RSASSA-PKCS1-v1_5 是确定性的，意味着同样的消息和密钥每次都会生成相同的签名。
   RSA-PSS：RSA 的另一个应用，用于签名和验证消息。
   PSS（Probabilistic Signature Scheme），表示生成签名时会加盐以得到随机签名。
   与 RSASSA-PKCS1-v1_5 不同，同样的消息和密钥每次都会生成不同的签名。
   与 RSASSA-PKCS1-v1_5 不同，RSA-PSS 有可能约简到 RSA 分解难题的难度。
   通常，虽然 RSASSA-PKCS1-v1_5 仍被认为是安全的，但 RSA-PSS 应该用于代替RSASSA-PKCS1-v1_5。
   RSA-OAEP：RSA 的一个应用，用于使用公钥加密消息，用私钥来解密。
   OAEP（Optimal Asymmetric Encryption Padding），表示算法利用了 Feistel 网络在加密前处理未加密的消息。
   OAEP 主要将确定性 RSA 加密模式转换为概率性加密模式。
   ECC（Elliptic-Curve Cryptography）：公钥密码系统，使用一个素数和一个椭圆曲线获得一对公钥和私钥，可用于签名/验证消息。ECC 的陷门函数被称为椭圆曲线离散对数问题（elliptic curve discrete logarithm problem）。ECC 被认为优于 RSA。虽然 RSA 和 ECC 在密码学意义上都很强，但 ECC 密钥比 RSA 密钥短，而且 ECC 密码学操作比 RSA 操作快。
   ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）：ECC 的一个应用，用于签名和验证消息。这个算法是数字签名算法（DSA，Digital Signature Algorithm）的一个椭圆曲线风格的变体。
   ECDH（Elliptic Curve Diffie-Hellman）：ECC 的密钥生成和密钥协商应用，允许两方通过公开通信渠道建立共享的机密。这个算法是 Diffie-Hellman 密钥交换（DH，Diffie-Hellman key exchange）协议的一个椭圆曲线风格的变体。
   AES（Advanced Encryption Standard）：对称密钥密码系统，使用派生自置换组合网络的分组密码加密和解密数据。AES 在不同模式下使用，不同模式算法的特性也不同。
   AES-CTR：AES 的计数器模式（counter mode）。这个模式使用递增计数器生成其密钥流，其行为类似密文流。使用时必须为其提供一个随机数，用作初始化向量。AES-CTR 加密/解密可以并行。
   AES-CBC：AES 的密码分组链模式（cipher block chaining mode）。在加密纯文本的每个分组之前，先使用之前密文分组求 XOR，也就是名字中的“链”。使用一个初始化向量作为第一个分组的 XOR 输入。
   AES-GCM：AES 的伽罗瓦/计数器模式（Galois/Counter mode）。这个模式使用计数器和初始化向量生成一个值，这个值会与每个分组的纯文本计算 XOR。与 CBC 不同，这个模式的 XOR 输入不依赖之前分组密文。因此 GCM 模式可以并行。由于其卓越的性能，AES-GCM 在很多网络安全协议中得到了应用。
   AES-KW：AES 的密钥包装模式（key wrapping mode）。这个算法将加密密钥包装为一个可移植且加密的格式，可以在不信任的渠道中传输。传输之后，接收方可以解包密钥。与其他 AES 模式不同，AES-KW 不需要初始化向量。
   HMAC（Hash-Based Message Authentication Code）：用于生成消息认证码的算法，用于验证通过不可信网络接收的消息没有被修改过。两方使用散列函数和共享私钥来签名和验证消息。
   KDF（Key Derivation Functions）：可以使用散列函数从主密钥获得一个或多个密钥的算法。KDF能够生成不同长度的密钥，也能把密钥转换为不同格式。
   HKDF（HMAC-Based Key Derivation Function）：密钥推导函数，与高熵输入（如已有密钥）一起使用。
   PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2）：密钥推导函数，与低熵输入（如密钥字符串）一起使用。
• 生成CryptoKey: 使用 SubtleCrypto.generateKey()方法可以生成随机 CryptoKey，这个方法返回一个期约，解决为一个或多个 CryptoKey 实例。使用时需要给这个方法传入一个指定目标算法的参数对象、一个表示密钥是否可以从 CryptoKey 对象中提取出来的布尔值，以及一个表示这个密钥可以与哪个SubtleCrypto 方法一起使用的字符串数组（keyUsages）。
  -生成CryptoKey: 使用 SubtleCrypto.generateKey()方法可以生成随机 CryptoKey，这个方法返回一个期约，解决为一个或多个 CryptoKey 实例。使用时需要给这个方法传入一个指定目标算法的参数对象、一个表示密钥是否可以从 CryptoKey 对象中提取出来的布尔值，以及一个表示这个密钥可以与哪个SubtleCrypto 方法一起使用的字符串数组（keyUsages）。
  由于不同的密码系统需要不同的输入来生成密钥，上述参数对象为每种密码系统都规定了必需的输入：
   RSA 密码系统使用 RsaHashedKeyGenParams 对象；
   ECC 密码系统使用 EcKeyGenParams 对象；
   HMAC 密码系统使用 HmacKeyGenParams 对象；
   AES 密码系统使用 AesKeyGenParams 对象。
  keyUsages 对象用于说明密钥可以与哪个算法一起使用。至少要包含下列中的一个字符串：
   encrypt
   decrypt
   sign
   verify
   deriveKey
   deriveBits
   wrapKey
   unwrapKey
  keyUsages 对象用于说明密钥可以与哪个算法一起使用。至少要包含下列中的一个字符串：
   encrypt
   decrypt
   sign
   verify
   deriveKey
   deriveBits
   wrapKey
   unwrapKey
  假设要生成一个满足如下条件的对称密钥：
   支持 AES-CTR 算法；
   密钥长度 128 位；
   不能从 CryptoKey 对象中提取；
   可以跟 encrypt()和 decrypt()方法一起使用。
  那么可以参考如下代码：
  (async function() {
  const params = {
  name: ‘AES-CTR’,
  length: 128
  };
  const keyUsages = [‘encrypt’, ‘decrypt’];
  const key = await crypto.subtle.generateKey(params, false, keyUsages);
  console.log(key);
  // CryptoKey {type: “secret”, extractable: true, algorithm: {…}, usages: Array(2)}
  })();
• 导出和导入密钥: 如果密钥是可提取的，那么就可以在 CryptoKey 对象内部暴露密钥原始的二进制内容。使用exportKey()方法并指定目标格式（”raw”、”pkcs8”、”spki”或”jwk”）就可以取得密钥。这个方法返回一个期约，解决后的 ArrayBuffer 中包含密钥：
  (async function() {
  const params = {
  name: ‘AES-CTR’,
  length: 128
  };
  const keyUsages = [‘encrypt’, ‘decrypt’];
  const key = await crypto.subtle.generateKey(params, true, keyUsages);
  const rawKey = await crypto.subtle.exportKey(‘raw’, key);
  console.log(new Uint8Array(rawKey));
  // Uint8Array[93, 122, 66, 135, 144, 182, 119, 196, 234, 73, 84, 7, 139, 43, 238,
  // 110]
  })();
  exportKey()相反的操作要使用 importKey()方法实现。importKey()方法的签名实际上是generateKey()和 exportKey()的组合。下面的方法会生成密钥、导出密钥，然后再导入密钥：
• 从主密钥派生密钥: 使用 SubtleCrypto 对象可以通过可配置的属性从已有密钥获得新密钥。
• 使用非对称密钥签名和验证消息: 通过 SubtleCrypto 对象可以使用公钥算法用私钥生成签名，或者用公钥验证签名。这两种操作分别通过 SubtleCrypto.sign()和 SubtleCrypto.verify()方法完成。
• 使用对称密钥加密和解密: SubtleCrypto 对象支持使用公钥和对称算法加密和解密消息。这两种操作分别通过 SubtleCrypto.encrypt()和 SubtleCrypto.decrypt()方法完成。加密消息需要传入参数对象以指定算法和必要的值、加密密钥和要加密的数据。
• 包装和解包密钥: SubtleCrypto 对象支持包装和解包密钥，以便在非信任渠道传输。这两种操作分别通过 SubtleCrypto.wrapKey()和 SubtleCrypto.unwrapKey()方法完成。
  4、小结: 除了定义新标签，HTML5 还定义了一些 JavaScript API。这些 API 可以为开发者提供更便捷的 Web接口，暴露堪比桌面应用的能力。本章主要介绍了以下 API。
   Atomics API 用于保护代码在多线程内存访问模式下不发生资源争用。
   postMessage() API 支持从不同源跨文档发送消息，同时保证安全和遵循同源策略。
   Encoding API 用于实现字符串与缓冲区之间的无缝转换（越来越常见的操作）。
   File API 提供了发送、接收和读取大型二进制对象的可靠工具。
   媒体元素