Golang 中的 crypto/ecdh 包详解

什么是 ECDH 算法？

ECDH（Elliptic Curve Diffie-Hellman）算法是一种基于椭圆曲线的密钥交换协议，用于安全地协商共享密钥（Secret Key），步骤如下：

1. 选择椭圆曲线：ECDH 算法的第一步是选择一个适当的椭圆曲线。通常情况下使用一个已知且被广泛接受的椭圆曲线，例如 NIST 曲线（如 P-256、P-384 等）。

2. 密钥生成：每个参与方（通常是通信的两个实体）都会生成一对密钥，其中包括一个私钥（Private Key）和一个公钥（Public Key）。私钥是一个随机生成的秘密值，而公钥是通过使用算法规定的椭圆曲线上的点乘法来计算得出的。

3. 密钥交换：参与方交换各自的公钥。一般情况下，这些公钥可以被公开分享而不会泄露私钥。

4. 密钥协商：参与方利用对方的公钥和自己的私钥进行计算，生成一个共享的密钥。计算方式是通过将对方的公钥与自己的私钥进行点乘法运算，得到一个共享的曲线上的点。这个点的横坐标或纵坐标值可以作为共享密钥的，具体取决于使用的椭圆曲线参数。

5. 密钥派生：在 ECDH 中，生成的共享点并不直接用作密钥，而是通过一个密钥派生函数（Key Derivation Function，KDF）进行处理，生成一段具有足够随机性和长度的共享密钥。

ECDH 算法的关键优势在于安全性和效率。相较于传统的 Diffie-Hellman（DH）算法，ECDH 使用较短的密钥长度提供相当高的安全性，从而减少了计算和传输开销。同时，椭圆曲线加密算法天生具有防抵御量子计算攻击的性质，这使得 ECDH 对于未来的加密需求更具备可持续性。

Golang 从1.20版本开始提供的 crypto/ecdh 包支持 NIST 曲线和 Curve25519 上的椭圆曲线 Diffie-Hellman 密钥交换（P-256、P-384、P-521 和 X25519），使用起来非常方便。

crypto/ecdh 包的使用方法

首先创建两个密钥。一个给 Alice，一个给 Bob。Alice 和 Bob 需要就他们可以加密的共享密钥达成一致。

package main

import (
	"crypto/ecdh"
	"crypto/rand"
)

func main() {
	aliceKey, err := ecdh.P256().GenerateKey(rand.Reader)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	bobKey, err := ecdh.P256().GenerateKey(rand.Reader)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
}

Alice 把自己的公钥给 Bob，Bob 可以使用这个公钥和自己的私钥生成共享密钥，因为生成的密钥中存在不可见字符，所以通过计算出密钥的哈希值来观察 Alice 和 Bob 生成的密钥是否相同。

Bob 把自己的公钥给 Alice，Alice 可以使用这个公钥和自己的私钥生成密钥，并且 Alice 和 Bob 生成的秘钥是相同的。如下：

package main

import (
	"crypto/ecdh"
	"crypto/rand"
	"crypto/sha256"
	"fmt"
)

func main() {
	aliceKey, err := ecdh.P256().GenerateKey(rand.Reader)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	bobKey, err := ecdh.P256().GenerateKey(rand.Reader)
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	alicePubkey := aliceKey.PublicKey()

	shared, _ := bobKey.ECDH(alicePubkey)
	bobShared := sha256.Sum256(shared)
	fmt.Printf("秘钥哈希(Bob)  %x\n", bobShared) 
  // 秘钥哈希(Bob)  a74e7949e71ead5f3bd4de031e2ad45c3f5b80b48ccf50e50eb86f4bdb025c3a

	bobPubkey := bobKey.PublicKey()
	shared, _ = aliceKey.ECDH(bobPubkey)
	aliceShared := sha256.Sum256(shared)
	fmt.Printf("秘钥哈希(Alice)  %x\n", aliceShared)
  // 秘钥哈希(Alice)  a74e7949e71ead5f3bd4de031e2ad45c3f5b80b48ccf50e50eb86f4bdb025c3a
}

可以看出 Alice 和 Bob 生成的密钥是相同的。

小结

需要注意的是，ECDH 只提供密钥交换功能，并不涉及加密或身份验证。因此，在实际应用中，通常将 ECDH 与对称加密算法（如 AES）结合使用，以实现安全的通信。