在基於TCP長連接的CS鏈路中，如何保證數據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連接中，使用RSA協商加密的方式，建立一個安全加密的通信鏈路，保證數據傳輸的安全性。文章分為3個主要部分，即RSA算法簡介，安全信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后能夠透徹的理解基於RSA協商加密方式的信道建立方式並能夠運用在自己的業務實踐中。
RSA算法簡介
加密算法是計算機通信安全的基石，加密算法分為2個大類，即”對稱加密算法“和”非對稱加密算法“。”對稱加密算法“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。因此保存和傳遞密鑰，就成了最頭疼的問題。本文所依賴的加密算法RSA算法是一種”非對稱加密算法“，其具有以下特點：
- 乙方生成兩把密鑰（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，然后用它對信息加密。
- 乙方得到加密后的信息，用私鑰解密。
其實關鍵知識點就是：用公鑰加密，用私鑰解密，私鑰要做好保密。
RSA算法的原理可以參照阮一峰的博文：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
安全信道協商流程
我們選擇使用RSA加密算法建立安全信道，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
在安全信道建立之前，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。這里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，然后通過TCP鏈路將加密后的數據傳輸給服務端；（這個過程我們稱為Stage1）
- 服務端收到客戶端加密的信息后，使用priKey0對信息進行解密，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，然后通過TCP鏈路將加密后的數據傳輸給客戶端；(這個過程我們稱為Stage3)
- 客戶端收到服務端加密的信息后，使用priKeyC對信息進行解密，得到pubKeyS.
加密通信
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算法進行加密的通信信道，后續的數據傳輸就是在上述安全信道下進行的。具體如下：
- C-->S的數據，在C端加密，在S端解密，使用的是由服務端初始化生成的公私鑰對（pubKeyS和priKeyS）；
- S-->C的數據，在S端加密，在C端解密，使用的是由客戶端初始化生成的公私鑰對（pubKeyC和priKeyC）.
工程實踐中的一些優化點
盡量降低初始化私鑰priKey0泄漏風險
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未泄漏的基礎上的。如果priKey0泄漏了，那么理論上這個”安全“信道就不安全了。一般工程實踐中，會通過2中方式去盡量降低私鑰泄漏風險：
- 將初始化公私鑰對從一對擴展到多對，在Stage1的過程中，選擇某一個公鑰對數據進行加密，同時將公鑰索引追加到傳遞給服務端的信息中去。服務端在收到信息后先解析出索引，然后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信息，並且還要額外增加一個字段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初始化公私鑰性能
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，性能不是瓶頸。但是，對於服務端來說，尤其是接入層，服務了眾多TCP長連接，如果頻繁的進行公私鑰對的初始化計算，CPU性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，然后將這些公私鑰對保存在內存中。
- 在Stage3階段，服務端不即時生成公私鑰對，只需要隨機選擇一個內存中的一對公私鑰，並進行加密操作，將對應的公鑰傳遞給客戶端即可。
以上，就是本文的所有內容，期望大家看了之后能有所收獲，謝謝大家！