• 新闻资讯
  • 誰家的加密密鑰，寫死在代碼裡？

誰家的加密密鑰，寫死在代碼裡？

2022.06.28
誰家的加密密鑰，寫死在代碼裡？

大部分人不了解協議的設計細節，更多使用已有協議進行應用層設計，但無論如何，了解協議設計的原則，對深入理解系統通信非常有幫助。

系統設計，協議先行。

大部分人不了解協議的設計細節，更多使用已有協議進行應用層設計，例如：

  • 使用HTTP，設計 get/post/cookie 參數，以及json包格式；
  • 使用dubbo，而不用去深究內部的二進制包頭包體細節；

無論如何，了解協議設計的原則，對深入理解系統通信非常有幫助。

一、協議的分層設計

所謂“協議”，是雙方共同遵守的規則，例如：離婚協議，停戰協議。協議有語法、語義、時序三要素：

  • 語法，即數據與控制信息的結構或格式；
  • 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
  • 时序，即事件实现顺序的详细说明；

画外音：后文主要讲语法设计。

协议设计通常分为三层：应用层协议、安全层协议、传输层协议。

圖片

下面分别看下这三层的协议应该如何选型。

二、应用层协议设计

应用层协议选型，常见的有三种：文本协议、二进制协议、流式XML协议。

(1) 文本协议

文本协议是指“贴近人类书面语言表达”的通讯传输协议，典型的协议是HTTP协议，一个HTTP协议的请求报文样例如下：

GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.

文本协议的特点是：

  • 可读性好，便于调试；
  • 扩展性较好，能通过key:value扩展；
  • 解析效率不高，一行一行读入，按照冒号分割，解析key和value；
  • 对二进制不友好 ，比如语音/视频等；

(2) 二进制协议

二进制协议即binary协议，典型是IP协议，以下是IP协议的一个图示：

圖片

二进制协议一般包含：一般包含：

  • 定长包头；
  • 可扩展变长包体；
  • 一般每个字段有固定的含义，以IP协议为例，前4个bit表示协议版本号（Version）；

二进制协议的特点是：

  • 可读性差，难于调试；画外音：打日志一般需要一个toString()函数增强可读性。
  • 扩展性不好，如果要扩展字段，旧版协议就不兼容了，所以设计时一般会有一个Version字段；
  • 解析效率超高，几乎没有解析代价，二进制流的每个字段表示固定含义；
  • 天然支持二进制流 ，比如语音/视频；

这是一个典型的16字节二进制定长包头的例子：

//sizeof(cs_header)=16
struct cs_header {
  uint32_t version;
  uint32_t magic_num;
  uint32_t cmd;
  uint32_t len;
  uint8_t data[];
}__attribute__((packed));
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.
  • 5.
  • 6.
  • 7.
  • 8.

其中：

（1）前4个字节表示版本号version；

（2）接下来4个字节表示魔法数字magic_num，用来解决数据错位或丢包问题；

画外音：例如，约定好魔法数字是0x01020304，收到的报文，魔法数字匹配，认为是正常报文，否则认为是报文异常，断开连接。

（3）接下来4个字节表示命令号command，不同的命令号对应不同的变长包体；

（4）最后4个字节表示包体长度length，以确定变长包体有多少字节；

这是一个实际的二进制变长包体：

message CUserLoginReq {
  optional string username = 1;
  optional string passwd = 2;
}

message CUserLoginResp {
  optional uint64 uid =1;
}
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.
  • 5.
  • 6.
  • 7.
  • 8.

它使用的是Google的Protobuf协议，容易看到：

  • 请求报文传入的是用户名与密码；
  • 响应包返回的是用户的uid；

PB是很流行的二进制变长包体协议，其优点为：

  • 通用，可以生成C++、Java、PHP等多语言代码；
  • 自带压缩功能；
  • 对二进制友好；
  • 在工业界已广泛应用；画外音：Google出品，必属精品。

流式XML协议流式XML似乎是文本协议的一个特例，亦可以单独作为一类。例如：xmpp就是典型的流式XML协议，下面是xmpp协议的一个典型报文：

<message
to=’romeo@example.net’
from=’juliet@example.com’
type=’chat’
xml : lang=’en’>
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>
  • 1.
  • 2.
  • 3.
  • 4.
  • 5.
  • 6.
  • 7.

从xml标签中大致可以判断这是一个romeo发给juliet的聊天消息。

XML协议有几个特点：

  • 可读性好，扩展性好，这是XML的特性；
  • 解析代价超高，需要进行dom树分析；
  • 有效数据传输率超低，有大量的标签；
  • 对二进制不友好 ，比如语音/视频等；

三、安全层协议设计

安全层协议设计，除了使用SSL，自行实现的话，常见的又有以下三种方案。

画外音：SSL秘钥管理是个问题。

(1) 固定密钥

服务端和客户端约定好一个密钥，同时约定好一个加密算法（例如：AES），每次客户端发送报文前，就用约定好的算法，以及约定好的密钥加密再传输，服务端收到报文后，用约定好的算法，约定好的密钥再解密。

画外音：安全性低，安全性基于程序员的职业操守。

(2) 一人一密

简单来说，就是一个人的密钥是固定的，但是每个人之间又不同。常见的实现方式是：

  • 固定加密算法；
  • 加密秘钥使用“用户的某一特殊属性”，比如用户uid、手机号、qq号、用户密码等；

(3) 一次一密

即动态密钥，一Session一密钥的安全性更高，每次会话前协商密钥。密钥协商的过程要经过2次非对称密钥的随机生成，1次对称加密密钥的随机生成，具体详情这里不展开。

四、传输层协议设计

可选的协议有TCP和UDP，现在基本都是使用TCP，有了epoll等技术后，多连接就不是瓶颈了，单机几十万链接没什么问题。