iOS开发之CryptoKit

Apple 在 WWDC2019 推出了一个基于 Swift 的密码框架 CryptoKit，它让生成哈希值、加/解密数据、数字签名和密钥协商变得更加容易。

阅读本文前，需要有一定的密码学基础。请参考之前的一篇文章搞定密码学基础一文。

哈希值

• 提供了 3 种 Hash 函数：

  • SHA256
  • SHA384
  • SHA512

• 哈希普通的 Data 类型的数据

let str = "Hello CryptoKit"
let data = str.data(using: .utf8)!

let hash256 = SHA256.hash(data: data)
let hash384 = SHA384.hash(data: data)
let hash512 = SHA512.hash(data: data)

print(hash256.description)

• 哈希文件

if let filePath = Bundle.main.path(forResource: "secret", ofType: "json"),
    let data = FileManager.default.contents(atPath: filePath) {
    
    let hash256 = SHA256.hash(data: data)
    let hash384 = SHA384.hash(data: data)
    let hash512 = SHA512.hash(data: data)
    
    print(hash256.description)
}

HMAC

HMAC 可以理解为一种更安全的 Hash，它需要借助于前面介绍的 Hash 函数。

// 构造一个salt
let salt = "YungFan".data(using: .utf8)!

// 密钥
let key = SymmetricKey(size: .bits256)

// HMAC with SHA256
let authenticationCode = HMAC<SHA256>.authenticationCode(for: salt, using: key)
print(authenticationCode)

// 验证
if HMAC<SHA256>.isValidAuthenticationCode(Data(authenticationCode),
                                          authenticating: salt, using: key) {
    print("未被篡改")
}

加解密数据

支持 AES-GCM 和 ChaChaPoly 算法。开发中首选 ChaChaChaPoly，因为按照官方宣称它在移动设备上的速度更快。ChaChaChaPoly 中的核心概念是ChaChaChaPoly.SealedBox，它可以理解为只有通过密钥才能访问的数据容器，加密操作时把加密后的密文放在其中，解密操作时需要从中取出密文进行解密。

• 加密

// 明文
let str = "Hello CryptoKit"
let data = str.data(using: .utf8)!

// 密钥，有3种长度的密钥
let key128 = SymmetricKey(size: .bits128)
let key192 = SymmetricKey(size: .bits192)
let key256 = SymmetricKey(size: .bits256)

// 加密
let encryptedContent = try? ChaChaPoly.seal(data, using: key256).combined

• 解密

// 解密
if let encryptedContent = encryptedContent {
    if let sealedBox = try? ChaChaPoly.SealedBox(combined: encryptedContent) {
        if let decryptedContent = try? ChaChaPoly.open(sealedBox, using: key256) {
            print(String(data: decryptedContent, encoding: .utf8))
        }
        
        // SealedBox的3个属性
        let nonce = sealedBox.nonce
        let ciphertext = sealedBox.ciphertext
        let tag = sealedBox.tag
        
        print(sealedBox.combined == nonce + ciphertext + tag)
    }
}

数字签名

内置了 4 种不同的椭圆曲线类型用于创建和验证加密签名，分别是 Curve25519, P521, P384 和 P256，不同的类型有不同的安全性和速度，但通常选择 Curve25519。

• 产生公/私钥

// 私钥
let privateKey = Curve25519.Signing.PrivateKey()
// 公钥
let publicKey = privateKey.publicKey
// 发布公钥
let publicKeyData = publicKey.rawRepresentation 

• 私钥签名

let str = "Hello CryptoKit"
let data = str.data(using: .utf8)!

let signature = try? privateKey.signature(for: data)

• 公钥验证

if let signature = signature {
    if publicKey.isValidSignature(NSData(data: signature) , for: data) {
        print("签名有效")
    }
}

密钥协商

密钥协商是一个过程，通过这个过程，通信双方可以安全地选择一个加密密钥，然后用它来进行加解密数据。

// 构造一个salt，生成密钥时需要使用
let salt = "YungFan".data(using: .utf8)!

// 用户A和用户B都会生成一对公钥和私钥
let privateKeyA = P521.KeyAgreement.PrivateKey()
let publicKeyA = privateKeyA.publicKey

let privateKeyB = P521.KeyAgreement.PrivateKey()
let publicKeyB = privateKeyB.publicKey

// 用户A用私钥和用户B的公钥产生一个共享的密钥
let sharedSecretA = try? privateKeyA.sharedSecretFromKeyAgreement(with: publicKeyB)
let symmetricKeyA = sharedSecretA?.hkdfDerivedSymmetricKey(using: SHA256.self, salt: salt, sharedInfo: Data(), outputByteCount: 32)

// 用户B用私钥和用户A的公钥产生一个共享的密钥
let sharedSecretB = try? privateKeyB.sharedSecretFromKeyAgreement(with: publicKeyA)
let symmetricKeyB = sharedSecretB?.hkdfDerivedSymmetricKey(using: SHA256.self, salt: salt, sharedInfo: Data(), outputByteCount: 32)


if symmetricKeyA == symmetricKeyB {
    print("A和B经过协商产生了共享密钥")
}