Open APIs encrypt Method V1.1

非对称密码加密解密&签名机制&重放攻击

《Internal APIs encrypt Method V1.0》文章中已经描述了我们正在线上产品所用的加密算法，实际上他不仅仅是解决防参数篡改的问题，同时也解决了数据隐私保护的问题。即便如此这套算法还是有漏洞的，也是做所以定义为 Internal APIs的主要原因了，由于只提供给内部使用所以安全性暂且得到保障，一旦提供给外部使用则全盘”露馅”了,这也是我为什么要编辑此篇《Open APIs encrypt Method V1.1》文章了。

其中最为致命的问题是要在客户端代码中公开自己的密钥以及算法，一旦黑客从客户端程序中反编译源码，这样就会导致整个加密体系的崩盘，而且连补救的措施都没有。

同时第二个比较严重的问题就是黑客从放攻击的问题，黑客在抓取到包体后，直接再次提交请求导致服务器端不断受到重复请求。

所以基于以上两点，我们了解到《Internal APIs encrypt Method V1.0》所存在的问题如下表所示

问题描述	安全性	解决方案
脱敏（数据隐私保护）	安全
完整性（防参数篡改）	安全
重放攻击（重复提交）	未解决	timestamp + nonce
对称密钥	不够安全	非对称密钥

签名机制：

所以本文重点就是要解决重放攻击 (重复提交) & 密钥安全这两个问题。在此之前再介绍一种常用的解决数据传输过程中确保完整性（防参数篡改）的解决方案，过程如下：

客户端使用约定好的秘钥对传输参数进行加密，得到签名值signature，并且将签名值也放入请求参数中，发送请求给服务端
服务端接收客户端的请求，然后使用约定好的秘钥对请求的参数（除了signature以外）再次进行签名，得到签名值autograph。
服务端对比signature和autograph的值，如果对比一致，认定为合法请求。如果对比不一致，说明参数被篡改，认定为非法请求。

Eg.客户端 zhangsan 执行登录请求

将要发送的数据：
apihost?action=login&username=zhangsan&password=123456&sign=

签名算法：(java 实现)

//1.对除sign外的所有参数按字典排序 对所有待签名参数按照字段名的 ASCII码从小到大排序（字典序）后		
String[] arr =  new String[] { "username=zhangsan","password=123456", "action=login"};
Arrays.sort(arr); 

//2.将排序后的结果拼接成一个字符串（即key1=value1&key2=value2…）
String content = arr[0].concat("&"+arr[1]).concat("&"+arr[2]);

//3、将字符串进行sha1加密得到sign值
MessageDigest md = null;
String sign = null;  
try {
    md = MessageDigest.getInstance("SHA-1");
    byte[] digest = md.digest(content.toString().getBytes());
    sign = StrUtil.byteToStr(digest);
} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
    e.printStackTrace();
}
System.out.println("sign="+sign);

输出的sign为:
sign=ebb36366bd9d8656e2327ca913a4f854f35a0e95

最终请求服务器的数据为：

apihost?action=login&username=zhangsan&password=123456&sign=ebb36366bd9d8656e2327ca913a4f854f35a0e95

当服务器拿到数据后再进行同样的算法然后再匹配sign值是否一致，如果对比一致，认定为合法请求。如果对比不一致，说明参数被篡改，认定为非法请求。

注意事项：

参数排序很重要，不同的排序会导致签名值不一致。所以要事先规定好排序算法。
sign算法也要事先规定好，示例中是一个简单的算法并没有使用到密钥。实际过程中可能更加复杂签名的秘钥我们可以使用很多方案，可以采用对称加密或者非对称加密。
因为黑客不知道签名的秘钥，也不知道签名的算法，所以即使截取到请求数据，对请求参数进行篡改，但是却无法对参数进行签名，无法得到修改后参数的签名值signature。
示例中并没有解决数据脱敏的问题，应用过程中可以根据实际情况再进行脱敏算法。

防止重放攻击

基于timestamp的方案

每次HTTP请求，都需要加上timestamp参数，然后把timestamp和其他参数一起进行数字签名。因为一次正常的HTTP请求，从发出到达服务器一般都不会超过60s，所以服务器收到HTTP请求之后，首先判断时间戳参数与当前时间相比较，是否超过了60s，如果超过了则认为是非法的请求。

一般情况下，黑客从抓包重放请求耗时远远超过了60s，所以此时请求中的timestamp参数已经失效了。

如果黑客修改timestamp参数为当前的时间戳，则signature参数对应的数字签名就会失效，因为黑客不知道签名秘钥，没有办法生成新的数字签名。

但这种方式的漏洞也是显而易见的，如果在60s之后进行重放攻击，那就没办法了，所以这种方式不能保证请求仅一次有效。

基于nonce的方案

nonce的意思是仅一次有效的随机字符串，要求每次请求时，该参数要保证不同，所以该参数一般与时间戳有关，我们这里为了方便起见，直接使用时间戳的16进制，实际使用时可以加上客户端的ip地址，mac地址等信息做个哈希之后，作为nonce参数。

我们将每次请求的nonce参数存储到一个“集合”中，可以json格式存储到数据库或缓存中。

每次处理HTTP请求时，首先判断该请求的nonce参数是否在该“集合”中，如果存在则认为是非法请求。

nonce参数在首次请求时，已经被存储到了服务器上的“集合”中，再次发送请求会被识别并拒绝。

nonce参数作为数字签名的一部分，是无法篡改的，因为黑客不清楚token，所以不能生成新的sign。

这种方式也有很大的问题，那就是存储nonce参数的“集合”会越来越大，验证nonce是否存在“集合”中的耗时会越来越长。我们不能让nonce“集合”无限大，所以需要定期清理该“集合”，但是一旦该“集合”被清理，我们就无法验证被清理了的nonce参数了。也就是说，假设该“集合”平均1天清理一次的话，我们抓取到的该url，虽然当时无法进行重放攻击，但是我们还是可以每隔一天进行一次重放攻击的。而且存储24小时内，所有请求的“nonce”参数，也是一笔不小的开销。

基于timestamp和nonce的方案

nonce的一次性可以解决timestamp参数60s的问题，timestamp可以解决nonce参数“集合”越来越大的问题。
防止重放攻击一般和防止请求参数被串改一起做，请求的Headers数据如下图所示。

我们在timestamp方案的基础上，加上nonce参数，因为timstamp参数对于超过60s的请求，都认为非法请求，所以我们只需要存储60s的nonce参数的“集合”即可。

HTTP请求头，参数说明：

由于每次数据请求都要带上这几个参数，所以直接将这几个参数设置在请求头中，从而简化body长度；当然也可以在去请求参数中拼凑视具体情况而定。

参数名	参数说明	备注
token	用户令牌，用于认证用户身份	稍微长一点的文本
sign	签名，用于监测请求数据的完整性	中等文本
timestamp	请求时间戳	根据的约定的保留毫秒或者精度到秒
nonce	请求随机字符串: MD5(时间戳+随机字符)	单位时间内产生不重复字符就好

有关token的详细说明，请查看《Access Token & Refresh Token 机制》这篇文章

服务器端校验：

服务器端的校验配置通常会放在Filter / Interceptor 中,作为全局的管理。
nonce参数通常会存在redis中，并且设置TTL过期时间。

String token = request.getHeader("token");
String timestamp = request.getHeader("timestamp");
String nonce = request.getHeader("nonce");
String sign = request.getHeader("sign");

//时间限制配置 s
int timeLimit = 60;

//请求头参数非空验证
if (StringUtils.isEmpty(token) || StringUtils.isEmpty(timestamp) || StringUtils.isEmpty(nonce) || StringUtils.isEmpty(sign)) {
    ctx.setResponseBody(JSON.toJSONString(new Result("-1", "请求头参数不正确")));
    return null;
}

//请求时间和现在时间对比验证，发起请求时间和服务器时间不能超过timeLimit秒
if (StringUtils.timeDiffSeconds(new Date(), timestamp) > timeLimit) {
    ctx.setResponseBody(JSON.toJSONString(new Result("-1", "请求发起时间超过服务器限制")));
    return null;
}

//验证用户信息
UserInfo userInfo = UserInfoUtil.getInfoByToken(token);
if (userInfo == null) {
    ctx.setResponseBody(JSON.toJSONString(new Result("-1", "错误的token信息")));
    return null;
}

//验证相同noce的请求是否已经存在，存在表示为重复请求
if (NoceUtil.exsit(userInfo, nonce)) {
    ctx.setResponseBody(JSON.toJSONString(new Result("-1", "重复的请求")));
    return null;
} else {
    //如果noce没有在缓存中，则需要加入，并设置过期时间为timeLimit秒
    NoceUtil.addNoce(userInfo, nonce, timeLimit);
}

//服务器生成签名与header中签名对比
String serverSign = SignUtil.getSign(userinfo, token, timestamp, nonce, request);
if (!serverSign.equals(sign)) {
    ctx.setResponseBody(JSON.toJSONString(new Result("-1", "错误的签名信息")));
    return null;
}

非对称密钥

拓扑结构

与对称密钥不同，非对称密钥要有一组密钥分别是公钥和私钥，通常情况下公钥加密，私钥解密。公钥可以发布给任意的客户端程序，服务器端则通过私钥解密。以下是非对称密钥的拓扑结构。

如上图所以，发送者用接收方公开出来的公钥PK进行加密。接受方在收到密文后，再用与公钥对应的私钥SK进行解密。同样，密文即便被截获，但是由于截获者只有公钥，没有私钥，他不能进行解密

非对称加密优缺点

非对称加密的突出优点是用于解密的密钥（也就是私钥）永远不需要传递给对方。但是，它的缺点也很突出：非对称加密算法复杂，导致加解密速度慢，故只适合小量数据的场合。而对称加密加解密效率高，系统开销小，适合进行大数据量的加解密。由于文件一般比较大，这个特性决定了适合它的加密方式最好是对称加密。

Eg.RSA对称密钥算法（java实现）


package com.fanfq.util.commons.encrypt.rsa;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.*;
import java.security.spec.PKCS8EncodedKeySpec;
import java.security.spec.X509EncodedKeySpec;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;


/**
<dependency>
    <groupId>commons-codec</groupId>
    <artifactId>commons-codec</artifactId>
    <version>1.11</version>
</dependency>
https://www.jianshu.com/p/ff8281f034f4
 * @author fred
 *
 */

public class RSAUtil2 {
  public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";
    public static final String SIGNATURE_ALGORITHM = "MD5withRSA";

    private static final String PUBLIC_KEY = "RSAPublicKey";
    private static final String PRIVATE_KEY = "RSAPrivateKey";

    public static byte[] decryptBASE64(String key) {
        return Base64.decodeBase64(key);
    }

    public static String encryptBASE64(byte[] bytes) {
        return Base64.encodeBase64String(bytes);
    }

    /**
     * 用私钥对信息生成数字签名
     *
     * @param data       加密数据
     * @param privateKey 私钥
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String sign(String data, String privateKey) throws Exception {
        // 解密由base64编码的私钥
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(privateKey);
        // 构造PKCS8EncodedKeySpec对象
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        // KEY_ALGORITHM 指定的加密算法
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        // 取私钥匙对象
        PrivateKey priKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 用私钥对信息生成数字签名
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initSign(priKey);
        signature.update(data.getBytes());
        return encryptBASE64(signature.sign());
    }

    /**
     * 校验数字签名
     *
     * @param data      加密数据
     * @param publicKey 公钥
     * @param sign      数字签名
     * @return 校验成功返回true 失败返回false
     * @throws Exception
     */
    public static boolean verify(String data, String publicKey, String sign)
            throws Exception {
        // 解密由base64编码的公钥
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(publicKey);
        // 构造X509EncodedKeySpec对象
        X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        // KEY_ALGORITHM 指定的加密算法
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        // 取公钥匙对象
        PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
        Signature signature = Signature.getInstance(SIGNATURE_ALGORITHM);
        signature.initVerify(pubKey);
        signature.update(data.getBytes());
        // 验证签名是否正常
        return signature.verify(decryptBASE64(sign));
    }

    public static byte[] decryptByPrivateKey(byte[] data, String key) throws Exception{
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得私钥
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 对数据解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
        return cipher.doFinal(data);
    }

    /**
     * 解密<br>
     * 用私钥解密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static byte[] decryptByPrivateKey(String data, String key)
            throws Exception {
        return decryptByPrivateKey(decryptBASE64(data),key);
    }

    /**
     * 解密<br>
     * 用公钥解密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String decryptByPublicKey(String data, String key)
            throws Exception {
        byte[] datas = decryptBASE64(data);
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得公钥
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        // 对数据解密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, publicKey);
        return new String(cipher.doFinal(datas));
    }

    /**
     * 加密<br>
     * 用公钥加密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptByPublicKey(String data, String key)
            throws Exception {
        // 对公钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得公钥
        X509EncodedKeySpec x509KeySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key publicKey = keyFactory.generatePublic(x509KeySpec);
        // 对数据加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
        return encryptBASE64(cipher.doFinal(data.getBytes()));
    }

    /**
     * 加密<br>
     * 用私钥加密
     *
     * @param data
     * @param key
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String encryptByPrivateKey(String data, String key)
            throws Exception {
        // 对密钥解密
        byte[] keyBytes = decryptBASE64(key);
        // 取得私钥
        PKCS8EncodedKeySpec pkcs8KeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(keyBytes);
        KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        Key privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8KeySpec);
        // 对数据加密
        Cipher cipher = Cipher.getInstance(keyFactory.getAlgorithm());
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, privateKey);
        return encryptBASE64(cipher.doFinal(data.getBytes()));
    }

    /**
     * 取得私钥
     *
     * @param keyMap
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String getPrivateKey(Map<String, Key> keyMap)
            throws Exception {
        Key key = (Key) keyMap.get(PRIVATE_KEY);
        return encryptBASE64(key.getEncoded());
    }

    /**
     * 取得公钥
     *
     * @param keyMap
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static String getPublicKey(Map<String, Key> keyMap)
            throws Exception {
        Key key = keyMap.get(PUBLIC_KEY);
        return encryptBASE64(key.getEncoded());
    }

    /**
     * 初始化密钥
     *
     * @return
     * @throws Exception
     */
    public static Map<String, Key> initKey(int length) throws Exception {
        KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator
                .getInstance(KEY_ALGORITHM);
        if(length != 2048) length = 1024;
        keyPairGen.initialize(length);
        KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
        Map<String, Key> keyMap = new HashMap(2);
        keyMap.put(PUBLIC_KEY, keyPair.getPublic());// 公钥
        keyMap.put(PRIVATE_KEY, keyPair.getPrivate());// 私钥
        return keyMap;
    }

}

package com.fanfq.util.commons.encrypt.rsa;

import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.security.Key;
import java.util.Map;

public class RSAUtil2Test {
  
  private String publicKey;
    private String privateKey;

    public void setUp() throws Exception {
        Map<String, Key> keyMap = RSAUtil2.initKey(2048);
        publicKey = RSAUtil2.getPublicKey(keyMap);
        privateKey = RSAUtil2.getPrivateKey(keyMap);
        System.out.println("公钥:" + publicKey.length());
        System.out.println(publicKey);
        System.out.println("私钥:" + privateKey.length());
        System.out.println(privateKey);
        
        ObjectOutputStream oos1 = null;  
        ObjectOutputStream oos2 = null;  
        try {  
            /** 用对象流将生成的密钥写入文件 */  
            oos1 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("RSA_PUBLIC_KEY"));  
            oos2 = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("RSA_PRIVATE_KEY"));  
            oos1.writeObject(publicKey);  
            oos2.writeObject(privateKey);  
        } catch (Exception e) {  
            throw e;  
        } finally {  
            /** 清空缓存，关闭文件输出流 */  
            oos1.close();  
            oos2.close();  
        }  
    }

    public void test() throws Exception {
        System.out.println("\n-------------");
        System.out.println("公钥加密——私钥解密");
        String inputStr = "dounine";
        String encodedData = RSAUtil2.encryptByPublicKey(inputStr, publicKey);
        byte[] decodedData = RSAUtil2.decryptByPrivateKey(encodedData,
                privateKey);
        String outputStr = new String(decodedData);
        System.out.println("加密前: " + inputStr);
        System.out.println("公钥加密后: " + encodedData);
        System.out.println("私钥解密后: " + outputStr);
    }

    public void testSign() throws Exception {
        System.out.println("\n-------------");
        System.out.println("私钥加密——公钥解密");
        String inputStr = "dounine";
        String encodedData = RSAUtil2.encryptByPrivateKey(inputStr, privateKey);
        String decodedData = RSAUtil2.decryptByPublicKey(encodedData, publicKey);
        System.out.println("加密前: " + inputStr);
        System.out.println("私钥加密后: " + encodedData);
        System.out.println("公钥解密后: " + decodedData);
        
        System.out.println("\n私钥签名——公钥验证签名");
        // 产生签名
        String sign = RSAUtil2.sign("123", privateKey);
        System.out.println("私钥签名:("+sign.length()+")" + sign);
        // 验证签名
        boolean status = RSAUtil2.verify(encodedData, publicKey, sign);
        System.out.println("公钥验证签名:" + status);
    }

  public static void main(String[] args) {
    // TODO Auto-generated method stub
    RSAUtil2Test rsa = new RSAUtil2Test();
    
    try {
      rsa.setUp();
      rsa.test();
      rsa.testSign();
    } catch (Exception e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
    
  }

}