誰家的加密金鑰，寫死在代碼里？
2022.12.29
誰家的加密金鑰，寫死在代碼里？
大部分人不瞭解協議的設計細節，更多使用已有協議進行應用層設計，但無論如何，瞭解協定設計的原則，對深入理解系統通信非常有説明。
系統設計，協定先行。
大部分人不瞭解協議的設計細節，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位包頭包體細節;
無論如何，瞭解協議設計的原則，對深入理解系統通信非常有説明。
一、協定的分層設計
所謂「協定」，是雙方共同遵守的規則，例如：離婚協定，停戰協定。 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;
- 語義，即需要發出何種控制資訊，完成何種動作以及做出何種回應;
- 時序，即事件實現順序的詳細說明;
畫外音：後文主要講語法設計。
協議設計通常分為三層：應用層協定、安全層協定、傳輸層協定。
下面分別看下這三層的協議應該如何選型。
二、應用層協議設計
應用層協議選型，常見的有三種：文本協定、二進制協定、流式XML協定。
（1） 文字協定
文本協定是指「貼近人類書面語言表達」的通訊傳輸協定，典型的協定是HTTP協定，一個HTTP協定的請求報文樣例如下：
GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*- 1.
- 2.
- 3.
- 4.
文字協議的特點是：
- 可讀性好，便於調試;
- 擴展性較好，能通過key：value擴展;
- 解析效率不高，一行一行讀入，按照冒號分割，解析key和value;
- 對二進位不友好 ，比如語音/視頻等;
（2） 二進位協定
二進位協定即binary協定，典型是IP協定，以下是IP協定的一個圖示：
二進位協定一般包含：一般包含：
- 定長包頭;
- 可擴展變長包體;
- 一般每個欄位有固定的含義，以IP協定為例，前4個bit表示協定版本號（Version）;
二進位協議的特點是：
- 可讀性差，難於調試; 畫外音：打日誌一般需要一個toString（）函數增強可讀性。
- 擴展性不好，如果要擴展欄位，舊版協定就不相容了，所以設計時一般會有一個Version字段;
- 解析效率超高，幾乎沒有解析代價，二進位流的每個字段表示固定含義;
- 天然支援二進位流 ，比如語音/視頻;
這是一個典型的16位元組二進制定長包頭的例子：
//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個字節表示版本號version;
（2）接下來4個字節表示魔法數位magic_num，用來解決數據錯位或丟包問題;
畫外音：例如，約定好魔法數位是0x01020304，收到的報文，魔法數位匹配，認為是正常報文，否則認為是報文異常，斷開連接。
（3）接下來4個字節表示命令號command，不同的命令號對應不同的變長包體;
（4）最後4個字節表示包體長度length，以確定變長包體有多少位元組;
這是一個實際的二進位變長包體：
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協定，容易看到：
- 請求報文傳入的是使用者名與密碼;
- 回應包返回的是使用者的uid;
PB是很流行的二進位變長包體協定，其優點為：
- 通用，可以生成C++、Java、PHP等多語言代碼;
- 自帶壓縮功能;
- 對二進位友好;
- 在工業界已廣泛應用; 畫外音：Google出品，必屬精品。
流式XML協定流式XML似乎是文本協定的一個特例，亦可以單獨作為一類。 例如：xmpp就是典型的流式XML協定，下面是xmpp協定的一個典型報文：
<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.
從xml標籤中大致可以判斷這是一個romeo發給juliet的聊天消息。
XML協定有幾個特點：
- 可讀性好，擴展性好，這是XML的特性;
- 解析代價超高，需要進行dom樹分析;
- 有效數據傳輸率超低，有大量的標籤;
- 對二進位不友好 ，比如語音/視頻等;
三、安全層協議設計
安全層協議設計，除了使用SSL，自行實現的話，常見的又有以下三種方案。
畫外音：SSL秘鑰管理是個問題。
（1） 固定金鑰
服務端和客戶端約定好一個密鑰，同時約定好一個加密演算法（例如：AES），每次用戶端發送報文前，就用約定好的演算法，以及約定好的密鑰加密再傳輸，服務端收到報文后，用約定好的演算法，約定好的密鑰再解密。
畫外音：安全性低，安全性基於程式師的職業操守。
（2） 一人一密
簡單來說，就是一個人的密鑰是固定的，但是每個人之間又不同。 常見的實現方式是：
- 固定加密演算法;
- 加密秘鑰使用「使用者的某一特殊屬性」，比如使用者uid、手機號、qq號、用戶密碼等;
（3） 一次一密
即動態金鑰，一Session一金鑰的安全性更高，每次會話前協商密鑰。 密鑰協商的過程要經過2次非對稱金鑰的隨機生成，1次對稱加密密鑰的隨機生成，具體詳情這裡不展開。
四、傳輸層協議設計
可選的協定有TCP和UDP，現在基本都是使用TCP，有了epoll等技術后，多連接就不是瓶頸了，單機幾十萬鏈接沒什麼問題。