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Go开发者的密码学导航：crypto库使用指南

十月 19, 2024
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Go号称“开箱即用”，这与其标准库的丰富功能和高质量是分不开的。而在Go标准库中，crypto库(包括crypto包、crypto目录下相关包以及golang.org/x/crypto下的补充包)又是Go社区最值得称道的Go库之一。

crypto库由Go核心团队维护，确保了最高级别的安全标准和及时的漏洞修复，为开发者提供了可靠的安全保障。crypto还涵盖了从基础的对称加密到复杂的非对称加密，以及各种哈希函数和数字签名算法等广泛的加解密算法支持，以满足Go开发者的各种需求为目的，而不是与其他密码学工具包竞争。此外，crypto库还经过精心优化，能够在不同硬件平台上尽可能地保证高效的执行性能。值得一提的是，crypto库还提供了统一的API设计，使得不同加密算法的使用方式保持一致，也降低了开发者的学习成本。

可以说Go crypto库是Go生态中密码学功能的核心，它为Go开发者提供了一套全面、安全、保持现代化、提供安全默认值且易于使用的密码学工具，使得在Go应用程序中实现各种密码学功能需求时变得简单而可靠。

不过要理解并得心应手的使用crypto库中的相关密码学包仍然并非易事，这是因为密码学涉及数学、密码分析、计算机安全等多个学科，概念多，算法也十分复杂，而大多程序员对密码学的了解又多停留在使用层面，缺乏对其原理和底层机制的深入认知，甚至连每个包的用途都不甚了解。这导致很多开发者浏览了crypto相关包之后，甚至不知道该使用哪个包。

所以在这篇文章中，我想为Go开发者建立一张crypto库的“地图”，这张“地图”将帮助我们从宏观角度理解crypto库的结构，帮助大家快速精准选择正确的包。并且通过对crypto相关包设计的理解，轻松掌握crypto相关包的使用模式。

注：Go标准库crypto库的第一任负责人是Adam Langley(agl)，他开创了Go crypto库，他在招募和培养了Filippo Valsorda后离开了Go项目，后者成为了Go crypto的负责人。Filippo在Go项目工作若干年后，把负责人交给了Roland Shoemaker，即现任Go团队安全组的负责人。当然Shoemaker也是Filippo招募到Go团队中的。

下面我们首先来看看Go crypto库的“整体架构”。

1. 标准库crypto与golang.org/x/crypto

Go的密码学功能(即我们统一称的crypto库)分为两个主要部分：标准库的crypto相关包和扩展库golang.org/x/crypto。这种分离设计有其特定的目的和优势：

Go标准库的crypto相关包，包含了最基础、最稳定和使用最广泛的密码学算法。这些算法实现经过Go团队的严格审查，保证了长期稳定性和向后兼容性。同时，这些包是随Go安装包分发的，使用时再无需引入额外的依赖。

而golang.org/x/crypto则号称是Go标准库crypto相关包的补充库，虽然它同样由Go团队维护，但由于不是标准库，它可以包含更多实验性或较新的密码学算法及实现，并可以更快速的迭代和更新。这样它也可以成为Go标准库中一些crypto相关包的“孵化器”，就像当年golang.org/x/net/context提升为标准库context一样。

同时golang.org/x/crypto也是Go标准库依赖的为数极少的外部包之一。比如，下面是Go 1.23.0标准库go.mod文件的内容：

module std

go 1.23

require (
    golang.org/x/crypto v0.23.1-0.20240603234054-0b431c7de36a
    golang.org/x/net v0.25.1-0.20240603202750-6249541f2a6c
)

require (
    golang.org/x/sys v0.22.0 // indirect
    golang.org/x/text v0.16.0 // indirect
)

我们看到Go标准库依赖特定版本的golang.org/x/crypto模块。

与标准库不同的是，如果你要使用golang.org/x/crypto模块中的密码学包，你就需要单独引入项目依赖。此外，golang.org/x 下的包通常被视为实验性或扩展包，因此它们并不严格遵循Go1兼容性承诺。换句话说，这些包在API稳定性上没有与标准库相同的保证，可能会有非向后兼容的更改。

综上，我们看到Go标准库crypto与golang.org/x/crypto的这种分离策略，允许Go团队在保持标准库稳定性的同时，也能够灵活地引入新的密码学算法和技术。

接下来，我们来看看crypto库的整体结构设计原则，这些原则对理解整个crypto库大有裨益。

2. 整体结构设计原则

Go的crypto库整体上的结构设计遵循了几个原则：

2.1 统一接口和类型抽象

首先是统一接口和类型抽象，这在最顶层的crypto包中就能充分体现。

crypto包定义了一个Hash类型和一个创建具体哈希实现的方法。这个设计允许统一管理不同的哈希算法，同时保持了良好的可扩展性：

// $GOROOT/src/crypto/crypto.go

type Hash uint

// New returns a new hash.Hash calculating the given hash function. New panics
// if the hash function is not linked into the binary.
func (h Hash) New() hash.Hash {
    if h > 0 && h < maxHash {
        f := hashes[h]
        if f != nil {
            return f()
        }
    }
    panic("crypto: requested hash function #" + strconv.Itoa(int(h)) + " is unavailable")
}

// HashFunc simply returns the value of h so that [Hash] implements [SignerOpts].
func (h Hash) HashFunc() Hash {
    return h
}

// RegisterHash registers a function that returns a new instance of the given
// hash function. This is intended to be called from the init function in
// packages that implement hash functions.
func RegisterHash(h Hash, f func() hash.Hash) {
    if h >= maxHash {
        panic("crypto: RegisterHash of unknown hash function")
    }
    hashes[h] = f
}

var hashes = make([]func() hash.Hash, maxHash)

Hash类型作为一个统一的标识符，用于表示不同的哈希算法。New方法则“像一个工厂方法”，用于创建具体的哈希实现。新的哈希算法可以很容易地添加到这个系统中，只需定义一个新的常量并提供相应的实现，并将实现通过RegisterHash注册到hashes中即可。下面是一个使用sha256算法的示例(仅做演示，并非惯例写法)：

package main

import (
    "crypto"
    _ "crypto/sha256" // register h256 to hashes
)

func main() {
    ht := crypto.SHA256
    h := ht.New()
    h.Write([]byte("hello world"))
    sum := h.Sum(nil)
    println(sum)
}

注：也许是早期标准库的设计问题，hash接口目前没有放到crypto下面，而是在标准库顶层目录下。crypto库中的hash实现通过New方法返回真正的hash.Hash实现。

crypto包还定义了几个关键接口，这些接口被各个子包实现，从而实现了高度的可扩展性和互操作性，比如下面的Signer、SignerOpts、Decrypter接口：

// Signer is an interface for an opaque private key that can be used for
// signing operations. For example, an RSA key kept in a hardware module.
type Signer interface {
    Public() PublicKey
    Sign(rand io.Reader, digest []byte, opts SignerOpts) (signature []byte, err error)
}

// SignerOpts contains options for signing with a [Signer].
type SignerOpts interface {
    HashFunc() Hash
}

// Decrypter is an interface for an opaque private key that can be used for
// asymmetric decryption operations. An example would be an RSA key
// kept in a hardware module.
type Decrypter interface {
    Public() PublicKey
    Decrypt(rand io.Reader, msg []byte, opts DecrypterOpts) (plaintext []byte, err error)
}

以Signer接口为例，这个Signer接口为不同的签名算法（如RSA、ECDSA、Ed25519等）提供了一个统一的抽象。下面是一个使用统一Signer接口但不同Signer实现的示例：

func signData(signer crypto.Signer, data []byte) ([]byte, error) {
    hash := crypto.SHA256
    h := hash.New()
    h.Write(data)
    digest := h.Sum(nil)

    return signer.Sign(rand.Reader, digest, hash)
}

func main() {
    rsaKey, _ := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)
    signature, _ := signData(rsaKey, []byte("Hello, World!"))
    println(signature)

    ecdsaKey, _ := ecdsa.GenerateKey(elliptic.P256(), rand.Reader)
    signature, _ = signData(ecdsaKey, []byte("Hello, World!"))
    println(signature)
}

在这个例子中，我们看到了如何使用相同的signData函数来处理不同类型的签名算法，这体现了统一接口带来的灵活性和一致性。

在crypto目录下的各个子包中，上述原则也有很好的体现，比如cipher包就定义了Block、Stream等接口，然后aes、des等对称加密包也都提供了创建实现了这些接口的类型的函数，比如aes.NewCipher以及des.NewCipher等。

2.2 模块化

每个子包专注于特定的功能，这种模块化设计使得每个包都相对独立，便于维护和使用。以aes包和des包为例：

// crypto/aes/cipher.go
func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error) {
    // AES specific implementation
}

// crypto/des/cipher.go
func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error) {
    // DES specific implementation
}

这两个包都实现了相同的NewCipher函数，但内部实现完全不同，专注于各自的加密算法。

2.3 易用性与灵活性的平衡

Go crypto库中的很多包既提供了可以满足大多数常见用例的需求、易用性很好的高级API，同时也提供了更灵活的低级API，允许开发者在需要时进行更精细的控制或自定义实现。

让我们以SHA256哈希函数为例来说明这一点：

// 高级API
func highLevelAPI(data []byte) [32]byte {
    return sha256.Sum256(data)
}

// 低级API
func lowLevelAPI(data []byte) [32]byte {
    h := sha256.New()
    h.Write(data)
    return *(*[32]byte)(h.Sum(nil))
}

func main() {
    fmt.Println(lowLevelAPI([]byte("hello world")))
    fmt.Println(highLevelAPI([]byte("hello world")))
}

在这个例子中，sha256.Sum256是高级API，而lowLevelAPI中使用的那套逻辑则是对低级API的组合以实现Sum256功能。

2.4 可扩展性

基于“统一接口和类型抽象”原则设计的crypto库可以让用户轻松地集成自己的实现或第三方库，这种可扩展性便于我们添加新的算法或功能，而不影响现有结构。比如，我们可以像这下面这样实现自定义的cipher.Block：

type MyCustomCipher struct {
    // ...
}

func (c *MyCustomCipher) BlockSize() int {
    // ...
}

func (c *MyCustomCipher) Encrypt(dst, src []byte) {
    // ...
}

func (c *MyCustomCipher) Decrypt(dst, src []byte) {
    // ...
}

之后，这个自定义的cipher.Block实现便可以直接用在标准库提供的分组密码模式中。

作为crypto库的扩展和实验库，golang.org/x/crypto也遵循了与标准库crypto相关包一致的设计原则，这里就不举例说明了。

有了上述对crypto库的整体设计原则的认知后，我们再来看一下Go标准库crypto目录下的子包结构，了解了这个结果，你就会像拥有了crypto库的“导航”，可以顺利方便地找到你想要的密码学包了。

3. 子包结构概览

众所周知，Go标准库crypto目录下不仅有crypto包，还有众多种类的密码学包，下面这张示意图对这些包进行了简单分类：

下面我会按照图中的类别对各个包做简单介绍，包括功能、用途、简单的示例以及是否推荐使用。密码学一直在发展，很多算法因为不再“牢不可破”而逐渐不再被推荐使用。但Go为了保证Go1兼容性，这些包依赖留在了Go标准库中。

我们自上而下，先从哈希函数开始。

3.1 哈希函数

3.1.1 md5

功能：实现MD5哈希算法
用途：生成数据的128位哈希值
示例：

import "crypto/md5"
hash := md5.Sum([]byte("hello world"))

使用建议：不推荐用于安全相关用途，因为MD5已被证明不够安全。

3.1.2 sha1

功能：实现SHA-1哈希算法
用途：生成数据的160位哈希值
示例：

import "crypto/sha1"
hash := sha1.Sum([]byte("hello world"))

使用建议：不推荐用于安全相关用途，因为SHA-1已被证明存在碰撞风险。

3.1.3 sha256

功能：实现SHA-256哈希算法
用途：生成数据的256位哈希值
示例：

import "crypto/sha256"
hash := sha256.Sum256([]byte("hello world"))

使用建议：推荐使用，安全性高。

3.1.4 sha512

功能：实现SHA-512哈希算法
用途：生成数据的512位哈希值
示例：

import "crypto/sha512"
hash := sha512.Sum512([]byte("hello world"))

使用建议：推荐使用，安全性很高。

3.2 加密和解密

3.2.1 aes

功能：实现AES(Advanced Encryption Standard)对称加密算法
用途：数据对称加密和解密
示例：

import "crypto/aes"
key := []byte("example key 1234") // 16字节的key
block, _ := aes.NewCipher(key)

使用建议：推荐使用，是目前最广泛使用的对称加密算法。

3.2.2 des

功能：实现DES(Data Encryption Standard)和Triple DES加密算法
用途：数据对称加密和解密
示例：

import "crypto/des"
key := []byte("example!") // 8字节的key
block, _ := des.NewCipher(key)

使用建议：不推荐使用DES，密钥长度不足(DES使用56位密钥，实际上是64位，但其中8位是奇偶校验位，不用于加密)，容易被暴力破解。推荐使用AES；Triple DES在某些遗留系统中仍在使用。

3.2.3 rc4

功能：实现RC4(Rivest Cipher 4)流加密算法
用途：流数据的加密和解密
示例：

import "crypto/rc4"
key := []byte("secret key")
cipher, _ := rc4.NewCipher(key)

使用建议：不推荐使用，因为RC4已被证明存在安全漏洞。由于这些已知的安全问题，RC4已经被许多现代加密协议和应用所弃用。例如，TLS（Transport Layer Security）协议已经移除了对RC4的支持。

3.2.4 cipher

功能：定义了块加密的通用接口
用途：为其他加密算法提供通用的加密和解密方法
示例：

import "crypto/cipher"
// 使用AES-GCM模式
block, _ := aes.NewCipher(key)
aesgcm, _ := cipher.NewGCM(block)

使用建议：推荐使用，特别是GCM等认证加密模式。

3.3 签名和验证

3.3.1 dsa

功能：实现数字签名算法（DSA, Digital Signature Algorithm）
用途：生成和验证数字签名
示例：

import "crypto/dsa"
var privateKey dsa.PrivateKey
dsa.GenerateKey(&privateKey, rand.Reader)

使用建议：目前的趋势是DSA在许多应用中不再被推荐使用。DSA的安全性高度依赖于密钥长度。随着计算能力的提升，较短的DSA密钥长度（例如1024位）已经不再被认为是安全的。NIST建议使用更长的密钥长度（例如2048位或更长），但这会增加计算复杂性和资源消耗。ECDSA使用椭圆曲线密码学，可以在更短的密钥长度下提供相同级别的安全性。

3.3.2 ecdsa

功能：实现椭圆曲线数字签名算法（ECDSA, Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）
用途：生成和验证数字签名
示例：

import "crypto/ecdsa"
privateKey, _ := ecdsa.GenerateKey(elliptic.P256(), rand.Reader)

使用建议：强烈推荐使用，安全性高且效率好。

3.3.3 ed25519

功能：实现Ed25519签名算法(Edwards-curve Digital Signature Algorithm with Curve25519)
用途：生成和验证数字签名
示例：

import "crypto/ed25519"
publicKey, privateKey, _ := ed25519.GenerateKey(rand.Reader)

使用建议：强烈推荐使用，安全性高且性能优秀。Ed25519提供了比传统ECDSA更高的安全性和性能，同时减少了某些类型的实现风险。因此，在选择数字签名算法时，Ed25519是一个非常有吸引力的选项，尤其是在需要高性能和强安全保障的应用中。

3.3.4 rsa

功能：实现RSA(Rivest–Shamir–Adleman)加密和签名算法
用途：非对称加密、数字签名
示例：

import "crypto/rsa"
privateKey, _ := rsa.GenerateKey(rand.Reader, 2048)

使用建议：关于是否推荐使用RSA，这取决于具体的应用场景和安全需求。RSA在许多应用中仍然被广泛使用，尤其是在需要公钥加密和数字签名的场景。它是一个经过时间考验的算法，有着良好的安全记录。随着计算能力的提升，特别是量子计算的发展，RSA的安全性可能会受到威胁。此外，对于某些高性能或资源受限的环境，RSA可能不如其他算法（如椭圆曲线加密算法，如ECDSA或Ed25519）高效。尤其是签名，ECDSA或Ed25519可能是更好的选择。

3.4 密钥交换

3.4.1 ecdh

功能：实现椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换(Elliptic Curve Diffie-Hellman)
用途：安全地在不安全的通道上协商共享密钥
示例：

import "crypto/ecdh"
curve := ecdh.P256()
privateKey, _ := curve.GenerateKey(rand.Reader)

使用建议：ECDH是一个强大且高效的密钥交换协议，在许多现代安全通信中被推荐使用，是现代密钥交换的首选方法。

3.5 安全随机数生成

3.5.1 rand

功能：提供加密安全的随机数生成器
用途：生成密钥、随机填充等
示例：

import "crypto/rand"
randomBytes := make([]byte, 32)
rand.Read(randomBytes)

使用建议：强烈推荐使用，不要使用math/rand包(包括math/rand/v2)生成密码学相关的随机数(这些随机数是伪随机)。

3.6 证书和协议

3.6.1 tls

功能：实现传输层安全（TLS, Transport Layer Security）协议
用途：安全网络通信
示例：

import "crypto/tls"
config := &tls.Config{MinVersion: tls.VersionTLS12}

使用建议：强烈推荐使用，是保护网络通信的标准方法。

3.6.2 x509

功能：实现X.509公钥基础设施标准
用途：处理数字证书、证书签名请求（CSR）等
示例：

import "crypto/x509"
cert, _ := x509.ParseCertificate(certDER)

使用建议：推荐使用，是处理数字证书的标准方法。

3.7. 辅助功能

3.7.1 elliptic

功能：实现几个标准的椭圆曲线
用途：为ECDSA和ECDH提供基础
示例：

import "crypto/elliptic"
curve := elliptic.P256()

使用建议：推荐使用，但通常不直接使用，而是通过ecdsa或ecdh包间接使用。

3.7.2 hmac

功能：实现密钥散列消息认证码（HMAC, Hash-based Message Authentication Code）
用途：消息完整性验证
示例：

import "crypto/hmac"
h := hmac.New(sha256.New, []byte("secret key"))
h.Write([]byte("message"))

使用建议：推荐使用，是保护数据完整性和消息认证的标准方法。

3.7.3 subtle

功能：提供一些用于实现加密功能的常用但容易出错的操作
用途：比较、常量时间操作等
示例：

import "crypto/subtle"
equal := subtle.ConstantTimeCompare([]byte("a"), []byte("b"))

使用建议：推荐在需要时使用，有助于防止时序攻击。

结合上面两节，我们看到crypto库的内部依赖结构设计得非常巧妙，以最小化耦合。大多数子包依赖于crypto基础包中定义的接口和类型。crypto/subtle包提供了一些底层的辅助函数，被多个其他包使用。每个加密算法包（如crypto/aes，crypto/rsa）通常是独立的，减少了包间的直接依赖。一些高级功能包（如crypto/tls）会依赖多个基础算法包。大多数需要随机性的包都依赖crypto/rand作为安全随机源。

此外，crypto库与其他Go标准库可紧密集成，包括：

与io包集成：使用io.Reader和io.Writer接口，便于流式处理和与其他I/O操作集成。
与encoding相关包集成：比如与encoding/pem和encoding/asn1包配合，用于处理密钥和证书的编码。
与hash包集成：加密哈希函数实现了hash.Hash接口，保持一致性。
与net包集成：如crypto/tls包与net包紧密集成，提供安全的网络通信。

接下来，再来看看golang.org/x/crypto扩展库，我们同样借鉴上面的分类和介绍方法，看看crypto扩展库中都有哪些有价值的实用密码学包。

4 golang.org/x/crypto扩展库

我们还是从哈希函数开始介绍。

4.1 哈希函数

4.1.1 blake2b和blake2s

功能：实现BLAKE2b和BLAKE2s哈希函数。BLAKE2是一种加密哈希函数，由Jean-Philippe Aumasson、Samuel Neves、Zooko Wilcox-O’Hearn和Christian Winnerlein设计，旨在替代MD5和SHA-1等旧的哈希函数。BLAKE2有两种主要变体：BLAKE2b和BLAKE2s。
用途：生成高速、安全的哈希值。
示例：

import "golang.org/x/crypto/blake2b"
hash := blake2b.Sum256([]byte("hello world"))

使用建议：推荐使用，BLAKE2提供了比MD5和SHA-1更高的安全性，同时保持与SHA-2和SHA-3相当的强度，安全性高且速度快。

4.1.2 md4

功能：实现MD4(Message Digest Algorithm 4)哈希算法
用途：生成128位哈希值
示例：

import "golang.org/x/crypto/md4"
h := md4.New()
h.Write([]byte("hello world"))
hash := h.Sum(nil)

使用建议：不推荐用于安全相关用途，MD4已被证明不安全，容易受到碰撞攻击和其他类型的攻击。已经被更安全的哈希函数所取代，如SHA-2和SHA-3等。

4.1.3 ripemd160

功能：实现RIPEMD-160(RACE Integrity Primitives Evaluation Message Digest 160)哈希算法。
用途：生成160位哈希值
示例：

import "golang.org/x/crypto/ripemd160"
h := ripemd160.New()
h.Write([]byte("hello world"))
hash := h.Sum(nil)

使用建议：RIPEMD-160提供了比MD5和SHA-1更高的安全性，尽管它不像SHA-2和SHA-3那样被广泛研究和使用。但它仍然在某些特定场景（如比特币地址生成）中使用，但一般情况下推荐使用更现代的哈希函数(如SHA-256和SHA-512)。

4.1.4 sha3

功能：实现SHA-3(Secure Hash Algorithm 3)哈希算法族。SHA-3是由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2015年发布的一种加密哈希函数，作为SHA-2的后继者。SHA-3的设计基于Keccak算法，由Guido Bertoni、Joan Daemen、Michaël Peeters和Gilles Van Assche开发。
用途：生成不同长度的哈希值。SHA-3包括多种变体，如SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384和SHA3-512，分别生成224位、256位、384位和512位的哈希值。
示例：

import "golang.org/x/crypto/sha3"
hash := sha3.Sum256([]byte("hello world"))

使用建议：强烈推荐使用，是最新的NIST标准哈希函数。

4.2 加密和解密

4.2.1 blowfish

功能：实现Blowfish(设计者Bruce Schneier)加密算法
用途：数据的对称加密和解密
示例：

import "golang.org/x/crypto/blowfish"
cipher, _ := blowfish.NewCipher([]byte("key"))

使用建议：不推荐用于新系统，其密钥长度上限为448位，不如更现代的算法安全，建议使用AES。

4.2.2 cast5

功能：实现CAST5（又名CAST-128）加密算法
用途：数据对称加密和解密
示例：

import "golang.org/x/crypto/cast5"
cipher, _ := cast5.NewCipher([]byte("16-byte key"))

使用建议：不推荐用于新系统，建议使用AES。

4.2.3 chacha20

功能：实现ChaCha20流加密算法(ChaCha20 stream cipher)
用途：流数据的对称加密和解密
示例：

import "golang.org/x/crypto/chacha20"
cipher, _ := chacha20.NewUnauthenticatedCipher(key, nonce)

使用建议：推荐使用，特别是在移动设备上性能优于AES。它被广泛用于各种安全协议和应用中，包括TLS（Transport Layer Security）、SSH（Secure Shell）和QUIC（Quick UDP Internet Connections）等。

4.2.4 salsa20

功能：实现Salsa20流加密算法(Salsa20 stream cipher)
用途：流数据的对称加密和解密
示例：

import "golang.org/x/crypto/salsa20"
salsa20.XORKeyStream(dst, src, nonce, key)

使用建议：推荐使用，但ChaCha20可能因其性能优势和更广泛的标准支持而成为更受欢迎的选择。

4.2.4 tea

功能：实现TEA（Tiny Encryption Algorithm）加密算法
用途：轻量级数据加密
示例：

import "golang.org/x/crypto/tea"
cipher, _ := tea.NewCipher([]byte("16-byte key"))

使用建议：尽管TEA算法在过去被认为是安全的，但它已经出现了一些已知的安全漏洞，如密钥相关攻击和差分攻击。因此，TEA算法可能不适合需要高安全性的应用。不推荐将它用于新系统，建议使用AES。

4.2.5 twofish

功能：实现Twofish(Twofish block cipher)加密算法
用途：数据对称加密和解密
示例：

import "golang.org/x/crypto/twofish"
cipher, _ := twofish.NewCipher([]byte("16, 24, or 32 byte key"))

使用建议：不推荐将它用于新系统，建议使用AES。

4.2.6 xtea

功能：实现XTEA(eXtended Tiny Encryption Algorithm)加密算法
用途：轻量级对称数据加密
示例：

import "golang.org/x/crypto/xtea"
cipher, _ := xtea.NewCipher([]byte("16-byte key"))

使用建议：尽管XTEA修复了TEA的一些安全漏洞，但它仍然可能存在其他安全问题，特别是在面对现代计算能力和攻击技术时。因此，不推荐用于新系统，建议使用AES。

4.2.7 xts

功能：实现XTS (XEX-based tweaked-codebook mode with ciphertext stealing) 模式
用途：是一种块加密的标准操作模式，主要用于全磁盘加密
示例：

import "golang.org/x/crypto/xts"
cipher, _ := xts.NewCipher(aes.NewCipher, []byte("32-byte key"))

使用建议：在全磁盘加密场景，即需要对存储设备进行加密的应用中推荐使用。

4.3 认证加密

4.3.1 chacha20poly1305

功能：实现ChaCha20-Poly1305(ChaCha20流加密算法和Poly1305消息认证码) AEAD（认证加密与关联数据）。
用途：提供加密和认证的组合
示例：

import "golang.org/x/crypto/chacha20poly1305"
aead, _ := chacha20poly1305.New(key)

使用建议：ChaCha20-Poly1305是一个高效且安全的组合加密算法，在许多现代安全应用中被推荐使用。这里也强烈推荐使用，提供了高安全性和高性能。

4.4 密钥派生和密码哈希

4.4.1 argon2

功能：实现Argon2(Argon2 memory-hard key derivation function)密码哈希算法
用途：安全地存储密码
示例：

import "golang.org/x/crypto/argon2"
hash := argon2.IDKey([]byte("password"), salt, 1, 64*1024, 4, 32)

使用建议：强烈推荐使用，是最新的密码哈希标准。

4.4.2 bcrypt

功能：实现bcrypt(Blowfish-based password hashing function)密码哈希算法
用途：安全地存储密码
示例：

import "golang.org/x/crypto/bcrypt"
hash, _ := bcrypt.GenerateFromPassword([]byte("password"), bcrypt.DefaultCost)

使用建议：推荐使用，广泛应用于密码存储。

4.4.3 hkdf

功能：实现HMAC-based Key Derivation Function (HKDF)
用途：HKDF是基于HMAC（Hash-based Message Authentication Code）的一种变体，专门用于从较短的输入密钥材料（如共享密钥或密码）派生出更长的、安全的密钥。
示例：

import "golang.org/x/crypto/hkdf"
hkdf := hkdf.New(sha256.New, secret, salt, info)

使用建议：推荐使用，是标准的密钥派生函数。

4.4.4 pbkdf2

功能：实现PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2, 基于密码的密钥派生函数2）
用途：从密码派生密钥
示例：

import "golang.org/x/crypto/pbkdf2"
dk := pbkdf2.Key([]byte("password"), salt, 4096, 32, sha1.New)

使用建议：对于需要高安全性和抵抗暴力破解攻击的应用，PBKDF2是一个很好的选择。然而，对于更现代的应用，特别是那些对安全性有极高要求的应用，可能更推荐使用更现代的密码哈希算法，如Argon2。

4.4.5 scrypt

功能：实现scrypt(Scrypt key derivation function)密钥派生函数
用途：从密码派生密钥，特别适合抵抗硬件暴力破解
示例：

import "golang.org/x/crypto/scrypt"
dk, _ := scrypt.Key([]byte("password"), salt, 32768, 8, 1, 32)

使用建议：推荐使用，特别是在需要抵抗硬件攻击或并行计算攻击的场景。

4.5 公钥密码学

4.5.1 bn256

功能：实现256位Barreto-Naehrig曲线
用途：支持双线性对运算，用于某些高级密码协议
示例：

import "golang.org/x/crypto/bn256"
g1 := new(bn256.G1).ScalarBaseMult(k)

使用建议：该包已作废并冻结，不推荐使用。github.com/cloudflare/bn256有更完整的实现，但对于新的应用，特别是那些对安全性有极高要求的应用，不推荐使用bn256。

4.5.2 nacl

功能：提供NaCl（Networking and Cryptography library）的Go实现
用途：NaCl主要用于需要高效加密和安全通信的应用。它提供了各种加密原语，包括对称加密、公钥加密、哈希函数、消息认证码（MAC）和密钥协商协议等。
示例：

import "golang.org/x/crypto/nacl/box"
publicKey, privateKey, _ := box.GenerateKey(rand.Reader)

使用建议：推荐使用，提供了易用的高级加密接口

4.6 协议和标准

4.6.1 acme

功能：实现ACME（Automatic Certificate Management Environment）协议，该协议旨在自动化证书的颁发、更新和管理。它允许服务器自动请求和接收TLS/SSL证书，而无需人工干预。
用途：自动化证书管理，如Let’s Encrypt
示例：使用较复杂，通常通过更高级的库如golang.org/x/crypto/acme/autocert使用，鉴于篇幅，这里就不贴代码了。
使用建议：在需要自动化证书管理的场景中推荐使用

4.6.2 ocsp

功能：实现在线证书状态协议（OCSP, Online Certificate Status Protocol），该协议提供了一种实时查询数字证书状态的方法。它允许客户端在建立安全连接之前，向证书颁发机构（CA）查询特定证书的有效性。
用途：检查X.509数字证书的撤销状态
示例：

import "golang.org/x/crypto/ocsp"
resp, _ := ocsp.ParseResponse(responseBytes, issuer)

使用建议：在需要证书状态检查的应用中推荐使用

4.6.3 openpgp

功能：实现OpenPGP(Open Pretty Good Privacy)标准。OpenPGP是一种加密标准，旨在提供数据加密和解密、数字签名和数据完整性保护。
用途：主要用于保护电子邮件通信、文件存储和数据传输的安全。它支持对称加密、公钥加密、哈希函数和消息认证码（MAC），以及生成和验证数字签名。
示例：

import "golang.org/x/crypto/openpgp"
entity, _ := openpgp.NewEntity("name", "comment", "email", nil)

使用建议：OpenPGP是一个强大、灵活和安全的加密标准，被广泛用于各种安全协议和应用中，包括电子邮件加密、文件加密和数据传输加密。在许多现代安全应用中被推荐使用。

4.6.4 otr

功能：实现Off-The-Record Messaging (OTR) 离线消息传递协议
用途：提供即时通讯场景的端到端加密，确保通信内容只能被预期的接收者阅读，而不会被第三方窃听或篡改。
示例：（使用较复杂，通常需要结合具体的即时通讯应用）
使用建议：在开发加密即时通讯应用时可以考虑使用

4.6.5 pkcs12

功能：实现PKCS#12标准(Public-Key Cryptography Standards #12)，PKCS#12是由RSA Laboratories设计的，旨在定义一种标准格式，用于存储和传输私钥、公钥和证书链。PKCS#12文件通常以.p12或.pfx扩展名结尾。
用途：存储和传输服务器证书、中间证书和私钥
示例：

import "golang.org/x/crypto/pkcs12"
blocks, _ := pkcs12.ToPEM(pfxData, "password")

使用建议：PKCS#12是一个强大、安全和标准化的密钥和证书存储格式，在需要安全存储和传输加密密钥和证书的应用中被推荐使用。不过该包已经冻结，如需要，可考虑software.sslmate.com/src/go-pkcs12的实现(github.com/SSLMate/go-pkcs12)。

4.6.6 ssh

功能：实现SSH客户端和服务器
用途：提供安全的远程登录和其他安全网络服务
示例：

import "golang.org/x/crypto/ssh"
config := &ssh.ClientConfig{User: "user", Auth: []ssh.AuthMethod{ssh.Password("password")}}

使用建议：强烈推荐用于实现SSH功能

4.7 其他

4.7.1 poly1305

功能：实现Poly1305消息认证码。Poly1305是一种高速的消息认证码（MAC）算法, 通常与ChaCha20流加密算法结合使用，形成ChaCha20-Poly1305组合，用于提供加密和消息认证的完整解决方案。
用途：用于消息认证，确保消息在传输过程中的完整性和真实性，未被篡改。
示例：

import "golang.org/x/crypto/poly1305"
var key [32]byte
var out [16]byte
poly1305.Sum(&out, msg, &key)

使用建议：这个包的实现已作废，推荐使用golang.org/x/crypto/chacha20poly1305

5. Go密码学库的现状与后续方向

Gotime在2023年末和今年年初对Go密码学库的前负责人Filippo Valsorda和现负责人Roland Shoemaker进行了三期访谈(见参考资料)，通过这三次访谈我们大约可以梳理出Go密码学库的现状与后续方向：

RSA后端实现的改进，提高了安全性和性能。
引入godebug机制，允许在不破坏兼容性的情况下逐步引入新的安全改进。
正在考虑对一些密码学包进行v2版本的设计，以提供更高级和更易用的API。
正在逐步弃用一些不安全的算法，如SHA1和MD5。
简化配置选项，减少用户需要做的选择，提供更多默认安全设置。
正在将golang.org/x/crypto中的重要包移入标准库，以减少混淆，包括继TLS之后的另外一个重要协议包ssh库。
使用BoringSSL的BoGo测试套件来全面测试Go的TLS实现。
Go密码学库正在实现这些新的后量子密码算法，但目前还没有完全集成到标准库中。

总的来说，Go密码学库(包括golang.org/x/crypto)正在积极发展和改进，同时也在为后量子密码学时代做准备。虽然后量子算法的完全集成和广泛应用还需要一段时间，但Go团队正在积极跟进这一领域的发展，努力在保持兼容性的同时提升安全性和性能。

6. 小结

在这篇文章中，我们对Go生态中密码学功能的核心：Go crypto库(包括标准库crypto相关包以及golang.org/x/crypto相关包)进行了全面的了解，包括两者的关系、整体结构设计原则以及每个库的子包概览。

我们看到：Go crypto库以其安全性、全面性、易用性、高性能以及与Go生态系统的高度集成而著称。它不仅涵盖了广泛的加密算法和协议，还通过统一且直观的API降低了使用门槛。

相信通过上述的了解，大家都已经理解了Go crypto库的架构与设计思想，并建立起了一张crypto库的“地图”。按照这幅图的指示，大家可以根据具体需求，快速找到合适的密码学包，并利用这些包构建安全可靠的Go应用。

7. 参考资料

What’s new in Go’s cryptography libraries: Part 1 – https://changelog.com/gotime/295
What’s new in Go’s cryptography libraries: Part 2 – https://changelog.com/gotime/298
What’s new in Go’s cryptography libraries: Part 3 – https://changelog.com/gotime/313
Crypto 101: A Brief Tour of Practical Crypto in Golang – https://cyberspy.io/articles/crypto101/
Go for Crypto Developers – https://www.youtube.com/watch?v=2r_KMzXB74w

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智能时代临近：我眼中AI编程的现在与未来

十月 14, 2024
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自2022年末ChatGPT发布以来，人工智能（AI）正在深刻地改变软件开发的格局。从简单的代码补全到复杂的逻辑生成，AI正逐渐成为程序员不可或缺的助手。最近，OpenAI首席执行官山姆·奥特曼在其个人博客中发表的文章《智能时代》(The Intelligence Age)更让我们深切体会到，超级智能似乎离我们越来越近了。

正如100年前的打孔卡编程方式与现今编程方式的天壤之别，如今的我们也难以完全预见超级AI时代的编程模式。尽管现阶段的大语言模型（如ChatGPT、Claude等）在AI辅助编程方面已经展现出强大的能力，并显著提升了开发效率，但它们仍面临诸多挑战。不过，与打孔卡时代的程序员相比，我们这一代程序员是幸运的，因为我们已经嗅到了超级AI的气息。

当前AI辅助编程的现状

目前，AI辅助编程主要有三种模式：

IDE模式：通过使用工具（如Cursor等）智能分析代码上下文，仅需简单的TAB键操作即可生成代码片段甚至是完整代码，显著提高编程效率。
Prompt模式：开发者提供描述性的prompt，AI据此生成代码块，然后开发者将其整合到项目中。这种模式要求开发者对prompt撰写有较高的理解与能力。
Agent模式：在这种模式下，AI作为自主的编程助手，理解开发者的意图并主动规划(强化学习增强的思维链等)和执行任务。开发者可以与AI对话，提出问题或请求功能，而AI则基于上下文自动生成代码、测试用例，甚至进行调试。Agent模式更接近于超级AI的初级模拟，试图通过自然语言交互与上下文理解，模拟人类思维，自主规划并处理复杂编程任务。

虽然IDE和Agent模式本质上都是Prompt模式的变种，但Agent模式更像是对超级AI的初级尝试，使开发者能够更专注于高层设计，将重复性任务交给AI处理。

不过，这三种模式都属于初级辅助模式，虽然已经能显著提升开发效率。这些模式的辅助效能还与多种因素相关，比如：

人类提示工程(Prompt engineering )水平：开发者如何有效地与AI沟通需求，直接影响输出质量。
AI对不同编程语言的掌握和擅长程度：这与AI训练时使用的语料丰富程度和训练方法密切相关。日常实践中事实也证明，像Rust这样语法复杂的语言，AI生成的代码可能更容易出现编译错误。相比之下，Go语言生成的代码往往更容易直接运行。
编程任务的特性：不同类型的编程任务可能更适合不同的AI辅助方式。

注：随着AI在推理方面的提升(乃至形成独立的推理层)，“过提示工程”可能不仅无法提高推理性能，还有可能妨碍模型工作。也就是说对于推理能力越来越强的大模型，反倒是提示词越简洁越好，因为思维链都隐藏到了模型内部，如果再用思维链提示反而会适得其反。

当前AI的局限性与未来展望

当前的AI系统更像是一个知识数据库，主要基于已有的知识进行推理，与现实世界的互动能力仍然有限，如缺乏访问互联网和本地系统的能力。这种限制导致AI只能生成代码，却无法验证其逻辑是否正确或者能否编译运行。此外，AI与人类的交互手段仍相对初级，大多局限于文本、图片或语音的形式，这些方式在面对复杂需求时显得笨拙。

那么未来理想的AI辅助编程模式应该是什么样的呢？我认为应是端到端编程，即通过多种交互手段（自然语言、语音、图片以及将来的未知方式等）输入需求，AI直接输出已部署完毕且可正确运行的完整程序。在超级AI时代，这种编程模式将成为现实，届时AI与程序员的交互方式将迎来革命性变化。

我们可以将当前阶段称为”AI的过渡时代“。正如OpenAI的Sam Altman所预言那样，真正的智能时代可能还需要几千天才能到来。在这个超级AI出现的时代，端到端的编程模式可能才会真正实现。

根据Sequoia Capital的最新研究报告，AI技术正在从”快速思考”(System 1)向”慢速思考”(System 2)演进。System 1指的是快速、直觉性的反应，而System 2则涉及更深层次的推理和问题解决能力。这种演进正在推动一种新的”推理层”的发展，这可能是通向真正智能时代的关键一步：

来自Sequoia Capital的最新研究报告

超级AI时代的编程模式可能包括：

脑机接口：通过思维直接传达编程意图。
AR手势交互：在虚拟空间中操控代码组件，如钢铁侠电影中的场景。
多模态融合交互：结合语音、手势、眼动跟踪等多种方式。
自适应自然语言处理：AI能够理解和解析非结构化的自然语言，转换为代码逻辑。

这些技术的发展可能会让未来的编程体验更像是与高度智能的助手协作，而非单纯的工具使用。如今脑机接口、AR增强现界等技术也在快速演进，很可能与超级AI带来的智能时代同时到来。

程序员角色的转变

在超级AI时代，程序员的角色将发生显著的变化。程序员基本上不再编码，而是更多地转变为”系统架构师”、”AI协作者”和”创新推动者”。他们的工作会更多地涉及高层次的问题解决、创新思考和跨学科合作。技术知识仍然重要，但更重要的是理解业务需求、系统设计、伦理考量和用户体验等更广泛的技能。

Sequoia Capital的报告指出，随着AI技术的进步，软件开发正在从”软件即服务”(SaaS, Software as a Service)模式转向”服务即软件(Service as a Software”模式。这意味着AI应用不仅仅是提供软件工具，而是直接提供完整的服务解决方案。这种转变将极大地扩展AI应用的市场，从软件市场扩展到更广阔的服务市场：