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Node.js系列(6)--安全实践指南

Node.js安全实践指南 🔒

引言

安全性是Node.js应用开发中的重中之重。本文将深入探讨Node.js安全实践,包括常见安全威胁、防护措施、安全框架等方面,帮助开发者构建安全可靠的Node.js应用。

安全实践概述

Node.js安全实践主要包括以下方面:

  • 身份认证:用户认证、令牌管理、会话控制
  • 访问控制:权限管理、角色控制、资源授权
  • 数据安全:加密存储、传输安全、敏感信息保护
  • 漏洞防护:注入攻击、XSS、CSRF防护
  • 审计日志:安全日志、操作记录、异常监控

安全实践实现

安全管理器

// 安全管理器
class SecurityManager {
    private static instance: SecurityManager;
    private config: SecurityConfig;
    private tokenManager: TokenManager;
    private encryptionManager: EncryptionManager;
    private auditLogger: AuditLogger;
    
    private constructor() {
        this.config = {
            jwtSecret: process.env.JWT_SECRET || 'default-secret',
            tokenExpiration: 3600,
            passwordIterations: 10000,
            saltLength: 32,
            keyLength: 64
        };
        
        this.tokenManager = new TokenManager(this.config);
        this.encryptionManager = new EncryptionManager(this.config);
        this.auditLogger = new AuditLogger();
    }
    
    // 获取单例实例
    static getInstance(): SecurityManager {
        if (!SecurityManager.instance) {
            SecurityManager.instance = new SecurityManager();
        }
        return SecurityManager.instance;
    }
    
    // 初始化安全管理器
    init(config: SecurityConfig): void {
        this.config = { ...this.config, ...config };
        this.tokenManager.updateConfig(this.config);
        this.encryptionManager.updateConfig(this.config);
    }
    
    // 用户认证
    async authenticate(
        username: string,
        password: string
    ): Promise<AuthResult> {
        try {
            // 验证用户凭据
            const user = await this.validateCredentials(username, password);
            
            // 生成访问令牌
            const token = this.tokenManager.generateToken({
                userId: user.id,
                username: user.username,
                roles: user.roles
            });
            
            // 记录审计日志
            this.auditLogger.log('authentication', {
                username,
                success: true,
                timestamp: new Date()
            });
            
            return {
                success: true,
                token,
                user
            };
            
        } catch (error) {
            // 记录失败审计
            this.auditLogger.log('authentication', {
                username,
                success: false,
                error: error.message,
                timestamp: new Date()
            });
            
            throw new SecurityError(
                'Authentication failed',
                'AUTH_FAILED',
                error
            );
        }
    }
    
    // 验证用户凭据
    private async validateCredentials(
        username: string,
        password: string
    ): Promise<User> {
        // 从数据库获取用户
        const user = await this.getUserByUsername(username);
        
        if (!user) {
            throw new Error('User not found');
        }
        
        // 验证密码
        const isValid = await this.encryptionManager.verifyPassword(
            password,
            user.passwordHash,
            user.passwordSalt
        );
        
        if (!isValid) {
            throw new Error('Invalid password');
        }
        
        return user;
    }
    
    // 验证令牌
    verifyToken(token: string): TokenPayload {
        return this.tokenManager.verifyToken(token);
    }
    
    // 检查权限
    checkPermission(
        user: User,
        resource: string,
        action: string
    ): boolean {
        // 检查用户角色
        for (const role of user.roles) {
            const permissions = this.getPermissionsForRole(role);
            
            // 检查是否有所需权限
            if (this.hasPermission(permissions, resource, action)) {
                return true;
            }
        }
        
        return false;
    }
    
    // 获取角色权限
    private getPermissionsForRole(role: string): Permission[] {
        // 从配置或数据库获取角色权限
        return [];
    }
    
    // 检查权限
    private hasPermission(
        permissions: Permission[],
        resource: string,
        action: string
    ): boolean {
        return permissions.some(permission =>
            permission.resource === resource &&
            permission.actions.includes(action)
        );
    }
    
    // 加密敏感数据
    encryptData(data: string): string {
        return this.encryptionManager.encrypt(data);
    }
    
    // 解密数据
    decryptData(encryptedData: string): string {
        return this.encryptionManager.decrypt(encryptedData);
    }
    
    // 生成安全哈希
    async hashPassword(
        password: string
    ): Promise<{ hash: string; salt: string }> {
        return this.encryptionManager.hashPassword(password);
    }
    
    // 验证请求
    validateRequest(req: Request): void {
        // 验证内容类型
        this.validateContentType(req);
        
        // 验证输入数据
        this.validateInput(req);
        
        // 检查CSRF令牌
        this.validateCsrfToken(req);
    }
    
    // 验证内容类型
    private validateContentType(req: Request): void {
        const contentType = req.headers['content-type'];
        
        if (!contentType || !this.isValidContentType(contentType)) {
            throw new SecurityError(
                'Invalid content type',
                'INVALID_CONTENT_TYPE'
            );
        }
    }
    
    // 检查内容类型是否有效
    private isValidContentType(contentType: string): boolean {
        const validTypes = [
            'application/json',
            'application/x-www-form-urlencoded',
            'multipart/form-data'
        ];
        
        return validTypes.some(type => contentType.includes(type));
    }
    
    // 验证输入数据
    private validateInput(req: Request): void {
        // 检查XSS攻击
        this.checkXSS(req.body);
        
        // 检查SQL注入
        this.checkSQLInjection(req.query);
        
        // 检查命令注入
        this.checkCommandInjection(req.params);
    }
    
    // 检查XSS攻击
    private checkXSS(data: any): void {
        const xssPattern = /<script\b[^<]*(?:(?!<\/script>)<[^<]*)*<\/script>/gi;
        
        if (this.containsPattern(data, xssPattern)) {
            throw new SecurityError(
                'Potential XSS attack detected',
                'XSS_DETECTED'
            );
        }
    }
    
    // 检查SQL注入
    private checkSQLInjection(data: any): void {
        const sqlPattern = /(\b(select|insert|update|delete|drop|union|exec)\b)/gi;
        
        if (this.containsPattern(data, sqlPattern)) {
            throw new SecurityError(
                'Potential SQL injection detected',
                'SQL_INJECTION_DETECTED'
            );
        }
    }
    
    // 检查命令注入
    private checkCommandInjection(data: any): void {
        const commandPattern = /(\b(eval|exec|system|spawn)\b)/gi;
        
        if (this.containsPattern(data, commandPattern)) {
            throw new SecurityError(
                'Potential command injection detected',
                'COMMAND_INJECTION_DETECTED'
            );
        }
    }
    
    // 检查数据中是否包含模式
    private containsPattern(data: any, pattern: RegExp): boolean {
        if (typeof data === 'string') {
            return pattern.test(data);
        }
        
        if (typeof data === 'object') {
            return Object.values(data).some(value =>
                this.containsPattern(value, pattern)
            );
        }
        
        return false;
    }
    
    // 验证CSRF令牌
    private validateCsrfToken(req: Request): void {
        const token = req.headers['x-csrf-token'];
        const storedToken = req.session?.csrfToken;
        
        if (!token || !storedToken || token !== storedToken) {
            throw new SecurityError(
                'Invalid CSRF token',
                'INVALID_CSRF_TOKEN'
            );
        }
    }
    
    // 生成CSRF令牌
    generateCsrfToken(): string {
        return this.tokenManager.generateCsrfToken();
    }
    
    // 记录安全审计
    logAudit(
        action: string,
        details: AuditDetails
    ): void {
        this.auditLogger.log(action, details);
    }
}

// 令牌管理器
class TokenManager {
    private config: SecurityConfig;
    
    constructor(config: SecurityConfig) {
        this.config = config;
    }
    
    // 更新配置
    updateConfig(config: SecurityConfig): void {
        this.config = config;
    }
    
    // 生成JWT令牌
    generateToken(payload: TokenPayload): string {
        return jwt.sign(
            payload,
            this.config.jwtSecret,
            {
                expiresIn: this.config.tokenExpiration
            }
        );
    }
    
    // 验证JWT令牌
    verifyToken(token: string): TokenPayload {
        try {
            return jwt.verify(
                token,
                this.config.jwtSecret
            ) as TokenPayload;
        } catch (error) {
            throw new SecurityError(
                'Invalid token',
                'INVALID_TOKEN',
                error
            );
        }
    }
    
    // 生成CSRF令牌
    generateCsrfToken(): string {
        return crypto.randomBytes(32).toString('hex');
    }
}

// 加密管理器
class EncryptionManager {
    private config: SecurityConfig;
    
    constructor(config: SecurityConfig) {
        this.config = config;
    }
    
    // 更新配置
    updateConfig(config: SecurityConfig): void {
        this.config = config;
    }
    
    // 加密数据
    encrypt(data: string): string {
        const iv = crypto.randomBytes(16);
        const key = crypto.scryptSync(
            this.config.jwtSecret,
            'salt',
            32
        );
        
        const cipher = crypto.createCipheriv('aes-256-gcm', key, iv);
        
        let encrypted = cipher.update(data, 'utf8', 'hex');
        encrypted += cipher.final('hex');
        
        const authTag = cipher.getAuthTag();
        
        return JSON.stringify({
            iv: iv.toString('hex'),
            encrypted,
            authTag: authTag.toString('hex')
        });
    }
    
    // 解密数据
    decrypt(encryptedData: string): string {
        const { iv, encrypted, authTag } = JSON.parse(encryptedData);
        
        const key = crypto.scryptSync(
            this.config.jwtSecret,
            'salt',
            32
        );
        
        const decipher = crypto.createDecipheriv(
            'aes-256-gcm',
            key,
            Buffer.from(iv, 'hex')
        );
        
        decipher.setAuthTag(Buffer.from(authTag, 'hex'));
        
        let decrypted = decipher.update(encrypted, 'hex', 'utf8');
        decrypted += decipher.final('utf8');
        
        return decrypted;
    }
    
    // 哈希密码
    async hashPassword(
        password: string
    ): Promise<{ hash: string; salt: string }> {
        const salt = crypto.randomBytes(this.config.saltLength).toString('hex');
        
        const hash = await new Promise<string>((resolve, reject) => {
            crypto.pbkdf2(
                password,
                salt,
                this.config.passwordIterations,
                this.config.keyLength,
                'sha512',
                (err, derivedKey) => {
                    if (err) reject(err);
                    resolve(derivedKey.toString('hex'));
                }
            );
        });
        
        return { hash, salt };
    }
    
    // 验证密码
    async verifyPassword(
        password: string,
        hash: string,
        salt: string
    ): Promise<boolean> {
        const verifyHash = await new Promise<string>((resolve, reject) => {
            crypto.pbkdf2(
                password,
                salt,
                this.config.passwordIterations,
                this.config.keyLength,
                'sha512',
                (err, derivedKey) => {
                    if (err) reject(err);
                    resolve(derivedKey.toString('hex'));
                }
            );
        });
        
        return hash === verifyHash;
    }
}

// 审计日志记录器
class AuditLogger {
    private logStream: fs.WriteStream;
    
    constructor() {
        this.logStream = fs.createWriteStream('security-audit.log', {
            flags: 'a'
        });
    }
    
    // 记录审计日志
    log(action: string, details: AuditDetails): void {
        const logEntry = {
            timestamp: new Date(),
            action,
            ...details
        };
        
        this.logStream.write(JSON.stringify(logEntry) + '\n');
    }
    
    // 关闭日志流
    close(): void {
        this.logStream.end();
    }
}

// 安全错误类
class SecurityError extends Error {
    constructor(
        message: string,
        public code: string,
        public originalError?: Error
    ) {
        super(message);
        this.name = 'SecurityError';
    }
}

// 接口定义
interface SecurityConfig {
    jwtSecret: string;
    tokenExpiration: number;
    passwordIterations: number;
    saltLength: number;
    keyLength: number;
}

interface User {
    id: string;
    username: string;
    passwordHash: string;
    passwordSalt: string;
    roles: string[];
}

interface TokenPayload {
    userId: string;
    username: string;
    roles: string[];
}

interface Permission {
    resource: string;
    actions: string[];
}

interface AuthResult {
    success: boolean;
    token?: string;
    user?: User;
}

interface AuditDetails {
    username?: string;
    success: boolean;
    error?: string;
    timestamp: Date;
    [key: string]: any;
}

interface Request {
    headers: Record<string, string>;
    body: any;
    query: Record<string, string>;
    params: Record<string, string>;
    session?: {
        csrfToken?: string;
    };
}

// 使用示例
async function main() {
    // 创建安全管理器
    const securityManager = SecurityManager.getInstance();
    
    // 初始化配置
    securityManager.init({
        jwtSecret: process.env.JWT_SECRET || 'your-secret-key',
        tokenExpiration: 3600,
        passwordIterations: 10000,
        saltLength: 32,
        keyLength: 64
    });
    
    // 用户认证
    try {
        const authResult = await securityManager.authenticate(
            'username',
            'password'
        );
        
        console.log('Authentication successful:', authResult);
        
    } catch (error) {
        console.error('Authentication failed:', error);
    }
    
    // 验证请求
    const req: Request = {
        headers: {
            'content-type': 'application/json',
            'x-csrf-token': 'token'
        },
        body: { data: 'example' },
        query: {},
        params: {},
        session: {
            csrfToken: 'token'
        }
    };
    
    try {
        securityManager.validateRequest(req);
        console.log('Request validation successful');
        
    } catch (error) {
        console.error('Request validation failed:', error);
    }
    
    // 加密数据
    const sensitiveData = 'sensitive information';
    const encryptedData = securityManager.encryptData(sensitiveData);
    console.log('Encrypted data:', encryptedData);
    
    // 解密数据
    const decryptedData = securityManager.decryptData(encryptedData);
    console.log('Decrypted data:', decryptedData);
    
    // 生成密码哈希
    const password = 'user-password';
    const { hash, salt } = await securityManager.hashPassword(password);
    console.log('Password hash:', hash);
    console.log('Password salt:', salt);
}

main().catch(console.error);

最佳实践与建议

  1. 身份认证

    • 使用强密码策略
    • 实现多因素认证
    • 安全存储凭据
    • 限制登录尝试
  2. 访问控制

    • 最小权限原则
    • 角色基础访问控制
    • 资源级别权限
    • 动态权限管理
  3. 数据安全

    • 加密敏感数据
    • 安全传输数据
    • 定期数据备份
    • 数据脱敏处理
  4. 安全防护

    • 输入数据验证
    • 防止注入攻击
    • 配置安全头部
    • 使用安全中间件

总结

Node.js安全实践需要考虑以下方面:

  1. 身份认证和访问控制
  2. 数据加密和安全传输
  3. 漏洞防护和安全配置
  4. 日志记录和安全审计
  5. 安全更新和维护

通过全面的安全实践,可以有效保护Node.js应用免受安全威胁。

学习资源

  1. Node.js安全指南
  2. Web安全最佳实践
  3. 加密算法指南
  4. 安全框架文档
  5. 漏洞防护教程

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