建立RSA協商加密的安全通道
在基於TCP長連線的CS鏈路中，如何保證資料流的安全性是開發者最關注的問題之一。本文深入淺出的給大家介紹一下在TCP連線中，使用RSA協商加密的方式，建立一個安全加密的通訊鏈路，保證資料傳輸的安全性。文章分為3個主要部分，即RSA演算法簡介，安全通道協商流程詳解和一些工程優化方法。期望大家在讀了我這篇文章之後能夠透徹的理解基於RSA協商加密方式的通道建立方式並能夠運用在自己的業務實踐中。
RSA演算法簡介
加密演算法是計算機通訊安全的基石，加密演算法分為2個大類，即”對稱加密演算法“和”非對稱加密演算法“。”對稱加密演算法“的缺點比較明顯，即甲方必須把加密規則告訴乙方，否則無法解密。因此儲存和傳遞金鑰，就成了最頭疼的問題。本文所依賴的加密演算法RSA演算法是一種”非對稱加密演算法“，其具有以下特點：
- 乙方生成兩把金鑰（公鑰和私鑰）。公鑰是公開的，任何人都可以獲得，私鑰則是保密的。
- 甲方獲取乙方的公鑰，然後用它對資訊加密。
- 乙方得到加密後的資訊，用私鑰解密。
安全通道協商流程
我們選擇使用RSA加密演算法建立安全通道，在介紹具體方法之前，我們先約定幾個術語：
- C表示客戶端（Client）
- S表示服務端（Server）
- priKey表示私鑰（PrivateKey）
- pubKey表示公鑰（PublicKey）
下面分步驟對流程進行詳細描述。
前提說明
在安全通道建立之前，客戶端和服務端已經擁有一套公私鑰對，公鑰由客戶端持有，私鑰由服務端持有。這裡的公私鑰分別表示為：pubKey0和priKey0
C->S傳遞pubKey
- 客戶端生成一對公私鑰，分別表示為pubKeyC和priKeyC，其中priKeyC客戶端自己持有，pubKeyC需要傳遞給服務端；
- 客戶端使用pubKey0對pubKeyC進行加密，然後通過TCP鏈路將加密後的資料傳輸給服務端；（這個過程我們稱為Stage1）
- 服務端收到客戶端加密的資訊後，使用priKey0對資訊進行解密，得到pubKeyC.
S->C傳遞pubKey
- 服務端生成一對公私鑰，分別表示為pubKeyS和priKeyS，其中priKeyS服務端自己持有，pubKeyS需要傳遞給客戶端；
- 服務端使用pubKeyC對pubKeyS進行加密，然後通過TCP鏈路將加密後的資料傳輸給客戶端；(這個過程我們稱為Stage3)
- 客戶端收到服務端加密的資訊後，使用priKeyC對資訊進行解密，得到pubKeyS.
加密通訊
經過上述全雙工的加密協商過程，客戶端和服務端之間就建立了使用RSA演算法進行加密的通訊通道，後續的資料傳輸就是在上述安全通道下進行的。具體如下：
- C-->S的資料，在C端加密，在S端解密，使用的是由客戶端初始化生成的公私鑰對（priKeyC和pubKeyC）；
- S-->C的資料，在S端加密，在C端解密，使用的是由服務端初始化生成的公私鑰對（priKeyS和pubKeyS）.
工程實踐中的一些優化點
儘量降低初始化私鑰priKey0洩漏風險
上述公私鑰協商過程的安全性是建立在初始化私鑰，即服務端所持有的priKey0未洩漏的基礎上的。如果priKey0洩漏了，那麼理論上這個”安全“通道就不安全了。一般工程實踐中，會通過2中方式去儘量降低私鑰洩漏風險：
- 將初始化公私鑰對從一對擴充套件到多對，在Stage1的過程中，選擇某一個公鑰對資料進行加密，同時將公鑰索引追加到傳遞給服務端的資訊中去。服務端在收到資訊後先解析出索引，然後取出對應的私鑰進行解密；
- 不定期的更新公私鑰對，這種方案會有一定的弊端，服務端需要同時維護針對不同客戶端版本的私鑰資訊，並且還要額外增加一個欄位標識服務端使用那對私鑰進行解密，不過可以通過控制客戶端版本數量的方式，將維護成本降低，如維護2個版本客戶端，其他版本強制退出。
服務端Stage3初始化公私鑰效能
對於客戶端來說，每次建立安全通道，單個客戶端只需要進行一次公私鑰對的初始化計算，效能不是瓶頸。但是，對於服務端來說，尤其是接入層，服務了眾多TCP長連線，如果頻繁的進行公私鑰對的初始化計算，CPU效能的消耗成本是巨大的。所以一般工程實踐中，會選擇一種更為理性的方案。 具體做法可以是：
- 在服務端啟動的時候，預先初始化多對公私鑰對，如可以初始化128對或者更多，然後將這些公私鑰對儲存在記憶體中。
- 在Stage3截斷，服務端不即時生成公私鑰對，只需要隨機選擇一個記憶體中的一對公私鑰，並進行加密操作，將對於的公鑰傳遞給客戶端即可。
以上，就是本文的所有內容，期望大家看了之後能有所收穫，謝謝大家！