建立RSA协商加密的安全信道
2019-08-14

在基于TCP长连接的CS链路中,如何保证数据流的安全性是开发者最关注的问题之一。本文深入浅出的给大家介绍一下在TCP连接中,使用RSA协商加密的方式,建立一个安全加密的通信链路,保证数据传输的安全性。文章分为3个主要部分,即RSA算法简介,安全信道协商流程详解和一些工程优化方法。期望大家在读了我这篇文章之后能够透彻的理解基于RSA协商加密方式的信道建立方式并能够运用在自己的业务实践中。

RSA算法简介

加密算法是计算机通信安全的基石,加密算法分为2个大类,即”对称加密算法“和”非对称加密算法“。”对称加密算法“的缺点比较明显,即甲方必须把加密规则告诉乙方,否则无法解密。因此保存和传递密钥,就成了最头疼的问题。本文所依赖的加密算法RSA算法是一种”非对称加密算法“,其具有以下特点:

    乙方生成两把密钥(公钥和私钥)。公钥是公开的,任何人都可以获得,私钥则是保密的。甲方获取乙方的公钥,然后用它对信息加密。乙方得到加密后的信息,用私钥解密。

其实关键知识点就是:用公钥加密,用私钥解密,私钥要做好保密RSA算法的原理可以参照阮一峰的博文:http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/06/rsa_algorithm_part_one.html 和 http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/07/rsa_algorithm_part_two.html

安全信道协商流程

我们选择使用RSA加密算法建立安全信道,在介绍具体方法之前,我们先约定几个术语:

C表示客户端(Client)S表示服务端(Server)priKey表示私钥(PrivateKey)pubKey表示公钥(PublicKey)

下面分步骤对流程进行详细描述。

前提说明

在安全信道建立之前,客户端和服务端已经拥有一套公私钥对,公钥由客户端持有,私钥由服务端持有。这里的公私钥分别表示为:pubKey0和priKey0.

C->S传递pubKey

    客户端生成一对公私钥,分别表示为pubKeyC和priKeyC,其中priKeyC客户端自己持有,pubKeyC需要传递给服务端;客户端使用pubKey0对pubKeyC进行加密,然后通过TCP链路将加密后的数据传输给服务端;(这个过程我们称为Stage1)服务端收到客户端加密的信息后,使用priKey0对信息进行解密,得到pubKeyC.

S->C传递pubKey

    服务端生成一对公私钥,分别表示为pubKeyS和priKeyS,其中priKeyS服务端自己持有,pubKeyS需要传递给客户端;服务端使用pubKeyC对pubKeyS进行加密,然后通过TCP链路将加密后的数据传输给客户端;(这个过程我们称为Stage3)客户端收到服务端加密的信息后,使用priKeyC对信息进行解密,得到pubKeyS.

加密通信

经过上述全双工的加密协商过程,客户端和服务端之间就建立了使用RSA算法进行加密的通信信道,后续的数据传输就是在上述安全信道下进行的。具体如下:

    C-->S的数据,在C端加密,在S端解密,使用的是由服务端初始化生成的公私钥对(pubKeyS和priKeyS);S-->C的数据,在S端加密,在C端解密,使用的是由客户端初始化生成的公私钥对(pubKeyC和priKeyC).

工程实践中的一些优化点

尽量降低初始化私钥priKey0泄漏风险

上述公私钥协商过程的安全性是建立在初始化私钥,即服务端所持有的priKey0未泄漏的基础上的。如果priKey0泄漏了,那么理论上这个”安全“信道就不安全了。一般工程实践中,会通过2中方式去尽量降低私钥泄漏风险:

将初始化公私钥对从一对扩展到多对,在Stage1的过程中,选择某一个公钥对数据进行加密,同时将公钥索引追加到传递给服务端的信息中去。服务端在收到信息后先解析出索引,然后取出对应的私钥进行解密;不定期的更新公私钥对,这种方案会有一定的弊端,服务端需要同时维护针对不同客户端版本的私钥信息,并且还要额外增加一个字段标识服务端使用那对私钥进行解密,不过可以通过控制客户端版本数量的方式,将维护成本降低,如维护2个版本客户端,其他版本强制退出。

服务端Stage3初始化公私钥性能

对于客户端来说,每次建立安全通道,单个客户端只需要进行一次公私钥对的初始化计算,性能不是瓶颈。但是,对于服务端来说,尤其是接入层,服务了众多TCP长连接,如果频繁的进行公私钥对的初始化计算,CPU性能的消耗成本是巨大的。所以一般工程实践中,会选择一种更为理性的方案。具体做法可以是:

    在服务端启动的时候,预先初始化多对公私钥对,如可以初始化128对或者更多,然后将这些公私钥对保存在内存中。在Stage3阶段,服务端不即时生成公私钥对,只需要随机选择一个内存中的一对公私钥,并进行加密操作,将对应的公钥传递给客户端即可。

以上,就是本文的所有内容,期望大家看了之后能有所收获,谢谢大家!

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