如何建立安全的傳輸通道

0x00 完整思路

大家都知道，在客戶端與服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，采用明文進行傳輸集峦，是不安全的。那么如何建立安全的傳輸通道進行傳輸數(shù)據(jù)呢抠刺？

1.添加時間戳 => 防止重放 √
2.用對稱加密傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容 => 通道加密 √
3.用非對稱加密傳輸對稱加密的密鑰 => 加密傳輸密鑰 √
4.用數(shù)字證書傳輸非對稱加密的公鑰 => 防偽造 √

0x01 時間戳：防止重放攻擊

重放攻擊是計算機世界黑客常用的攻擊方式之一塔淤，所謂重放攻擊就是攻擊者發(fā)送一個目的主機已接收過的包，來達到欺騙系統(tǒng)的目的速妖，主要用于身份認證過程高蜂。為了確保每次請求都是一次性的，可采用timestamp + nonce的模式罕容。

實現(xiàn)方法：

timestamp：一次正常的請求备恤，從發(fā)出到接收一般不會超過30秒。通過將時間戳與明文加密后一起傳輸锦秒，接收方解出時間戳后判斷是否超過30秒露泊，超過則認為非法。
- 優(yōu)點：無需儲存旅择；
- 缺點：無法抵御短時間內(nèi)的重放攻擊惭笑，即無法確保短時間內(nèi)的每次請求都是一次性的。
nonce：一次有效的隨機字符串生真，要求每次請求時沉噩，將時間戳+ip地址+mac地址等信息生成哈希值，作為nonce參數(shù)柱蟀。接收方會存儲每次的nonce參數(shù)川蒙，若識別到nonce參數(shù)已存在，則認為非法长已。
- 優(yōu)點：真正實現(xiàn)每次請求都是一次性的派歌；
- 缺點：存儲空間會越來越大弯囊，即無法確保長時間的一次性校驗。
nonce+timestamp：nonce可以解決timestamp短時間內(nèi)的一次性問題胶果，timestamp可以解決nonce的存儲越來越大的問題（即只存儲短時間內(nèi)的nonce參數(shù)）匾嘱。
- nonce存儲的清理：
  - 每次校驗前判斷nonce存儲最后修改時間，超過閾值則清理早抠。（適用低并發(fā)）
  - 每隔固定時間霎烙，清理一次。
  - 若接口每秒最多并發(fā)1000次蕊连，時間限制30秒悬垃，則可在校驗后判斷nonce數(shù)量是否超過1000*30=30000個，超過則清理甘苍。（適用高并發(fā)）
- 優(yōu)點：短時間由nonce確保一次性尝蠕，長時間由timestamp確保一次性

安全風(fēng)險：傳輸?shù)膬?nèi)容易被竊取或篡改。

0x02 對稱加密：加密傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

通過對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容進行加密载庭，使得中間人無法解析數(shù)據(jù)內(nèi)容看彼，就可以提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

加密的方法：

DES：一種對稱密鑰加密塊密碼算法，以64位為分組對數(shù)據(jù)加密囚聚，它的密鑰長度是56位靖榕，加密解密用同一算法；DES現(xiàn)在已經(jīng)不是一種安全的加密方法顽铸，主要因為它使用的56位密鑰過短茁计。
AES：高級加密標準，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標準谓松。AES的區(qū)塊長度固定為128比特星压，密鑰長度則可以是128，192或256比特鬼譬。AES是一種分組加密算法租幕，其模式又分為：
- ECB（ElectronicCodebook，電子密碼本）
  方法：將整個明文分成若干段相同的小段拧簸，然后對每一小段進行加密劲绪。
  優(yōu)點：簡單、可并行計算盆赤、誤差不傳遞
  缺點：不能隱藏明文模式（比如圖像加密輪廓仍在）贾富、可能對明文進行主動攻擊（改明文，后續(xù)內(nèi)容不影響）
  風(fēng)險：ECB不需要初始向量（IV）牺六，因此在于輸入和輸出存在非常明顯的關(guān)聯(lián)颤枪，攻擊者可以從輸出輕松地猜出輸入數(shù)據(jù)。
- CBC（Cipher Block Chaining淑际，密碼分組鏈接）
  方法：先將明文切分成若干小段畏纲，然后每一小段與初始塊或者上一段的密文段進行異或運算后扇住，再與密鑰進行加密。
  優(yōu)點：不容易主動攻擊（誤差傳遞）盗胀、適合長報文傳輸
  缺點：無法并行艘蹋、誤差傳遞、初始化向量IV的選取比較復(fù)雜
  初始化IV的選取方式：固定IV票灰，計數(shù)器IV女阀，隨機IV（只能得到偽隨機數(shù)，用的最多）屑迂，瞬時IV（難以得到瞬時值）
  用途：長報文傳輸浸策，是SSL、IPSec標準
- CFB（CipherFeedback惹盼，密碼反饋）
  方法：首先通過加密器加密iv生成密鑰流（key stream）庸汗；然后將密鑰流和明文異或得到密文。第二次手报，將第一次得到的密文通過加密器加密得到新的密鑰流蚯舱，然后把第二次要加密的明文和密鑰流進行異或生成密文......如此類推，最終得到密文昧诱。
  優(yōu)點：不容易主動攻擊（誤差傳遞），隱藏了明文模式所袁，分組轉(zhuǎn)變?yōu)榱髂Ｊ秸档担杉用苄∮诜纸M數(shù)據(jù)
  缺點：無法并行、誤差傳遞燥爷，唯一的IV
- OFB（OutputFeedback蜈亩，輸出反饋）
  方法：先用塊加密器生成密鑰流（Keystream）斑芜，然后再將密鑰流與明文流異或得到密文流铸敏；解密是先用塊加密器生成密鑰流，再將密鑰流與密文流異或得到明文柏副。由于異或操作的對稱性所以加密和解密的流程是完全一樣的港华。
  優(yōu)點：隱藏了明文模式道川，分組轉(zhuǎn)為流模式、可加密小于分組數(shù)據(jù)
  缺點：無法并行立宜，可能對明文進行主動攻擊
  用途：通信信道質(zhì)量不高時使用冒萄，比如衛(wèi)星通信
- CTR（Counter，計數(shù)器模式）
  方法：完全的流模式橙数。將瞬時值與計數(shù)器連接起來尊流，然后對此進行加密產(chǎn)生密鑰流的一個密鑰塊，再進行XOR操作灯帮。
  優(yōu)點：不泄露明文崖技，并行逻住、一次一密、僅需實現(xiàn)加密函數(shù)迎献，無需填充
  缺點：可能對明文進行主動攻擊瞎访，使用重復(fù)瞬時值會泄露所有信息。

安全風(fēng)險：初次交互需要交換密鑰忿晕，若交換過程中無保護措施装诡，可能會泄露密鑰。

0x03 非對稱加密：傳輸對稱加密的密鑰

非對稱加密存在公鑰和密鑰践盼，用公鑰加密的數(shù)據(jù)鸦采，只有對應(yīng)的私鑰才能解密；用私鑰加密的數(shù)據(jù)咕幻，只有對應(yīng)的公鑰才能解密渔伯。因此，A傳輸密鑰給B的過程中肄程，A先用B的公鑰加密密鑰锣吼，B收到后再用自己的私鑰解密得到密鑰。反之亦然蓝厌，這樣雙方可安全地傳輸密鑰玄叠。

加密方法：

RSA：RSA算法基于一個十分簡單的數(shù)論事實：將兩個大質(zhì)數(shù)相乘十分容易，但是想要對其乘積進行因式分解卻極其困難拓提，因此可以將乘積公開作為加密密鑰读恃。RSA是目前最有影響力和最常用的公鑰加密算法，它能夠抵抗到目前為止已知的絕大多數(shù)密碼攻擊代态，已被ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標準寺惫。RSA算法理論可以參考：RSA算法理論

為何不用RSA直接傳輸數(shù)據(jù)：RSA的解密速度太慢

AES加密1M數(shù)據(jù)，需要0.16秒蹦疑；密文體積是明文的2倍西雀；解密時間是加密時間的兩倍0.33秒；
RSA加密1M數(shù)據(jù)歉摧，需要5秒艇肴；密文體積與明文相同；解密時間需要325秒叁温；
AES加密1G數(shù)據(jù)豆挽，需要4分鐘；密文體積是明文的2倍券盅；解密時間是加密時間的兩倍帮哈；
RSA加密1G數(shù)據(jù)，需要1分鐘锰镀；密文體積與明文相同娘侍；解密時間需要65小時咖刃；

安全風(fēng)險：公鑰不可信，無法保證公鑰就是對方發(fā)送的憾筏。

0x04 數(shù)字證書：傳輸可信公鑰

數(shù)字證書是一個經(jīng)證書授權(quán)中心數(shù)字簽名的包含公開密鑰擁有者信息以及公開密鑰的文件嚎杨。

加密方法：
1.把公鑰和識別信息用Hash算法生成消息摘要；
2.為防止冒充氧腰，用認證中心(CA)提供的私鑰加密消息摘要枫浙，生成數(shù)字簽名；
3.將公鑰古拴、識別信息箩帚、數(shù)字簽名合在一起形成數(shù)字證書；

驗證方法：
1.用認證中心（CA）提供的公鑰解密數(shù)字證書中的數(shù)字簽名黄痪，得到消息摘要A紧帕；
2.用Hash算法，生成數(shù)字證書中公鑰和識別信息的消息摘要B桅打；
3.校驗消息摘要A和消息摘要B是否一致是嗜；

流程圖如下：

數(shù)字證書