Socket开发框架之数据加密及完整性检查

Posted 2020-07-01 wuhuacong(伍华聪)的专栏

 在前面两篇介绍了Socket框架的设计思路以及数据传输方面的内容，整个框架的设计指导原则就是易于使用及安全性较好，可以用来从客户端到服务端的数据安全传输，那么实现这个目标就需要设计好消息的传输和数据加密的处理。本篇主要介绍如何利用Socket传输协议来实现数据加密和数据完整性校验的处理，数据加密我们可以采用基于RSA非对称加密的方式来实现，数据的完整性，我们可以对传输的内容进行MD5数据的校验对比。

1、Socket框架传输内容分析

前面介绍过Socket的协议，除了起止标识符外，整个内容是一个JSON的字符串内容，这种格式如下所示。

上述消息内容，我们可以通过开始标识位和结束标识位，抽取出一个完整的Socket消息，这样我们对其中的JSON内容进行序列号就可以得到对应的实体类，我们定义实体类的内容如下所示。

我们把消息对象分为请求消息对象和应答消息对象，他们对应的是Request和Response的消息，也就是一个是发起的消息，一个是应答的消息。其中上图的“承载的JSON内容就是我们另一个传输对象的JSON字符串，这样我们通过这种字符串来传输不同对象的信息，就构造出了一个通用的消息实体对象。

另外这些传输的消息对象，它本身可以继承于一个实体类的基类，这样方便我们对它们的统一处理，如下图所示，就是一个通用的消息对象BaseMessage和其中JSON内容的对象关系图，如AuthRequest是登陆验证请求，AuthorRepsonse是登陆验证的应答。

当然，我们整个Socket应用，可以派生出很多类似的Request和Response的消息对象，如下所示是部分消息的定义。

对于非对称加密的处理，一般来说会有一些性能上的损失，不过我们考虑到如果是安全环境的数据传输处理的话，我们使用非对称加密还是比较好的。

当然也有人建议采用非对称加密部分内容，如双方采用约定的对称加密键，通过非对称加密的方式来传输这个加密键，然后两边采用对称加密算法来处理也是可以的。不过本框架主要介绍采用非对称加密的方式来加密其中的JSON内容，其他部分常规的信息不进行加密。

 

2、非对称加密的公钥传递

消息加密数据的传输前，我们需要交换算法的公钥，也就是服务器把自己公钥给客户端，客户端收到服务器的公钥请求后，返回客户端的公钥给服务器，实现两者的交换，以后双方的消息都通过对方公钥加密，把加密内容通过标准的Socket消息对象传递，这样对方收到的加密内容，就可以通过自身的私钥进行解密了。

那么要在传递消息前处理这个公钥交换的话，我们可以设计在服务器接入一个新的客户端连接后（在登录处理前），向客户端发送服务器的公钥，客户端受到服务器的公钥后，回应自己的公钥信息，并存储服务器的公钥。这样我们就可以在登陆的时候以及后面的消息传递过程中，使用对方公钥进行加密数据，实现较好的安全性。

公钥传递的过程如下图所示，也就是客户端发起连接服务器请求后，由服务器主动发送一个公钥请求命令，客户端收到后进行响应，发送自身的公钥给服务器，服务器把客户端的公钥信息存储在对应的Socket对象上，以后所有消息都通过客户端公钥加密，然后发送给客户端。

前面我们介绍过，我们所有的自定义Socket对象，都是继承于一个BaseSocketClient这样的基类对象，那么我们只需要在它的对象里面增加几个属性几个，一个是自己的公钥、私钥，一个是对方的公钥信息，如下所示。

在程序的启动后，包括客户端启动，服务器启动，我们都需要构建好自己的公钥私钥信息，如下代码是产生对应的公钥私钥信息，并存储在属性里面。

            using (RSACryptoServiceProvider rsa = new RSACryptoServiceProvider())
            {
                this.RSAPublicKey = rsa.ToXmlString(false);// 公钥
                this.RSAPrivateKey = rsa.ToXmlString(true);// 私钥
            }

例如在服务器端，在客户端Socket成功接入后，我们就给对应的客户端发送公钥请求消息，如下代码所示。

        /// <summary>
        /// 客户端连接后的处理（如发送公钥秘钥）
        /// </summary>
        /// <param name="client">连接客户端</param>
        protected override void OnAfterClientConnected(ClientOfShop client)
        {
            //先记录服务端的公钥，私钥
            client.RSAPrivateKey = Portal.gc.RSAPrivateKey;
            client.RSAPublicKey = Portal.gc.RSAPublicKey;

            //发送一个公钥交换命令
            var request = new RsaKeyRequest(Portal.gc.RSAPublicKey);
            var data = request.PackData();
            client.SendData(data);
            Thread.Sleep(100);
        }

那么在客户端，接收到服务端的消息后，对消息类型判断，如果是公钥请求，那么我们需要进行回应，把自己的公钥发给服务器，否则就进行其他的业务处理了。

        /// <summary>
        /// 重写读取消息的处理
        /// </summary>
        /// <param name="message">获取到的完整Socket消息对象</param>
        protected override void OnMessageReceived(BaseMessage message)
        {
            if (message.MsgType == DataTypeKey.RSARequest)
            {
                var info = JsonTools.DeserializeObject<RsaKeyRequest>(message.Content);
                if (info != null)
                {
                    //记录对方的公钥到Socket对象里面
                    this.PeerRSAPublicKey = Portal.gc.UseRSAEncrypt ? info.RSAPublicKey : "";
                    Console.WriteLine("使用RAS加密：{0}，获取到加密公钥为：{1}", Portal.gc.UseRSAEncrypt, info.RSAPublicKey);

                    //公钥请求应答
                    var publicKey = Portal.gc.UseRSAEncrypt ? Portal.gc.RSAPublicKey : "";
                    var data = new RsaKeyResponse(publicKey);//返回客户端的公钥
                    var msg = data.PackData(message);

                    SendData(msg);
                    Thread.Sleep(100);//暂停下
                }
            }
            else
            {
                //交给业务消息处理过程
                this.MessageReceiver.AppendMessage(message);
                this.MessageReceiver.Check();
            }
        }

如果我们交换成功后，我们后续的消息，就可以通过RSA非对称加密进行处理了，如下代码所示。

data.Content = RSASecurityHelper.RSAEncrypt(this.PeerRSAPublicKey, data.Content);

而解密消息，则是上面代码的逆过程，如下所示。

message.Content = RSASecurityHelper.RSADecrypt(this.RSAPrivateKey, message.Content);

最后我们把加密后的内容组成一个待发送的Socket消息，包含起止标识符，如下所示。

                //转为JSON，并组装为发送协议格式
                var json = JsonTools.ObjectToJson(data);
                toSendData = string.Format("{0}{1}{2}", (char)this.StartByte, json, (char)this.EndByte);

这样就是我们需要发送的消息内容了，我们拦截内容，可以看到大概的内容如下所示。

上面红色框的内容，必须使用原有的私钥才能进行解密，也就是在网络上，被谁拦截了，也无法进行解开，保证了数据的安全性。

 

3、数据完整性检查

 数据的完整性，我们可以通过消息内容的MD5值进行比对，实现检查是否内容被篡改过，不过如果是采用了非对称加密，这种 完整性检查也可以忽略，不过我们可以保留它作为一个检查处理。

因此在封装数据的时候，就把内容部分MD5值计算出来，如下所示。

data.MD5 = MD5Util.GetMD5_32(data.Content);//获取内容的MD5值

然后在获得消息，并进行解密后（如果有），那么在服务器端计算一下MD5值，并和传递过来的MD5值进行比对，如果一致则说明没有被篡改过，如下代码所示。

                var md5 = MD5Util.GetMD5_32(message.Content);
                if (md5 == message.MD5)
                {
                    OnMessageReceived(message);//给子类重载
                }
                else
                {
                    Log.WriteInfo(string.Format("收到一个被修改过的消息：\r\n{0}", message.Content));
                }

 

以上就是我在Socket开发框架里面，实现传输数据的非对称加密，以及数据完整性校验的处理过程。