接口安全设计之防篡改和防重放

概述

背景

之所以想跟大家分享怎么做好基础的接口安全，一方面是工作需要，之前这部分的工作是我在负责，所以正好有这部分的经验；二是我之前也接触过很多做后端的同学，对于这一块大部分涉及不深或不太了解，也不知道怎么样做才算相对安全。所以把我的想法写出来，供大家参考和讨论，共同学习和进步。

当然了，我分享的也只是我的个人经验，自然有很多的不足之处，也并不是说我后续阐述的一些观点和实现就一定是安全的，大家要加入自己的判断，并且混入一些定制化的东西

适用范围

本章节内容，主要说的HTTP接口的安全设计，涉及内容包括防窃听、防篡改、防重放、密钥传输安全、密钥存储安全、敏感数据处理等。适用于负责后端、测试或信息接口安全的同学

防篡改

数据加签

为了解决这类问题，前端可以给数据加上一个签名，比如采用MD5最简单的签名方式，可以把请求参数当作待签名的数据，计算一个MD5值，然后传给服务端，服务端同样用参数生成MD5值进行比对，发现不一样，那说明数据被篡改过了。

数据加签的机制是没有问题的，并且确实可以解决防篡改的问题，但是算法和机制要选好。

无论是MD5、HMAC、还是其它类型的摘要算法，都有一个问题，就是篡改者要是知道了算法，那还是可以篡改。所以要选用非对称算法来做数据的加签与验签，这样就算篡改者知道了算法，但是没有私钥也篡改不了，因为非对称的机制就是用私钥签名，公钥验签，公钥可以公开出去。

比如客户端用客户端的私钥对请求参数进行签名，并把公钥给到服务端，服务端在收到请求后，用客户端的公钥进行验签。就算篡改者知道了客户端的公钥，也无法对请求数据进行篡改，此时客户端的重心就转移到了，如何保护它的私钥问题上了，而不用担心数据会被别人篡改

签名是只能由私钥生成，公钥验签。公钥是无法生成签名，同时使用公钥验的。这就是非对称算法的好处。

双签(双向传输加密)

同样的，服务端把自己的公钥给到客户端，服务端在响应数据的时候，进行签名，客户端进行验签，这就是双签。即客户请求时，使用客户端的私钥签名，服务端验，服务端响应时，使用服务端的私钥签名，客户端验。来确保数据交互时请求和响应都不会被篡改。

常用算法

常用的算法有RSA1024、RSA2048、SM2，当然还有一些其它ECC类算法。早期大家用的基本是RSA1024，现在大部分都用2048或更长的密钥来生成签名了。当然也有用国密的，不过用的少，像我们公共交通行业用的多，还有就是国企。我现在设计系统，基本是全国密体系了，除了一些要给第三方调用的，会做RSA+SM2，就是任选其一。

SM2有个好处就是生成的签名是64字节的，RSA的话，密钥越长，签名值就越长，计算复杂度也越高，系统负载当然也会跟着上去。国密应用这么多年了，安全性还是不用担心的。

接下来，我们就用国密来实现数据的加签，实战一波。

加签数据设计

GET请求

对于GET类的请求，我们可以将参数先按字母进行一个排序，然后把他们拼装起来，比如：

curl -v 'http://127.0.0.1:8080/testGet?p=testp&ab=123&x=456'
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那么参数排序，并拼装后变成：

ab=123&p=testp&x=456
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POST请求

POST如果是FORMDATA形式，我们也可以像GET请求一样，先将参数进行排序，再拼装，比如：

curl -v -H 'Content-Type: application/x-www-form-urlencoded;charset=UTF-8' --data-binary "p=test1&ab=123&x=456" 'http://127.0.0.1:8080/testPostFromdata'
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同时按照GET的参数拼装方式，拼装后变成：

ab=123&p=test1&x=456
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POST BODY

对于传输的数据是BODY形式的，我们可以约定一种拼装方式，把BODY原封不动的作为entity的值来拼接，如：

curl -v -H 'Content-Type: application/json' --data-binary '{
>     "pInt": 1,
>     "pBoolean": false,
>     "pString": "ssss"
> }' 'http://127.0.0.1:8080/testPostBody'
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拼接后变成：

entity={"pInt": 1,"pBoolean": false,"pString": "ssss"}
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这里entity的值就是BODY的内容，原封不动，有换行也是要体现，这里为了方便大家查看，换行符我就去掉了。

问题一

有了这个规则之后呢，要签名的数据是有了，但大家有没发现一个问题，如果请求参数是空的，咋办，没有数据可签肯定也不行。

问题二

如果两个不同的方法参数个数是一样的，参数名也一样，那是不是有了签名值，别的老六就可以作文章了。

问题解决方案

所以呀，为了解决上面的两个问题，我们可以把要请求的接口地址也加到待签名的数据里去。比如：

curl -v 'http://127.0.0.1:8080/testGet?p=testp&ab=123&x=456'
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可以约定接口地址的键为path，并且不参与排序，直接拼在后面，那么上述请求的待签数据是：

ab=123&p=testp&x=456&path=/testGet
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这样是不是即解决了参数可能为空，又避免了别人用同样的参数和签名值去访问其它接口的问题。

签名值存放

关于签名值放置的位置，可以根据大家的需要，放请求头Header里或公共参数都可以。

关于算法

关于SM2签名算法有几点跟大家提一提。

1. 签名肯定都是私钥签名，公钥验签。
2. 验签的复杂度比签名高，因为验签有两次点乘一次点加，而签名是一次点乘。
3. 签名如果只有公钥的话，要多一次点乘，即从私钥生成公钥，所以服务器写签名算法，就把公私钥都保存起来，可以省掉一次点乘。
4. 签名算法在计算z的时候，要传入userid，默认都是1234567812345678。这里如果是非标的话，可以定制和作文章，加大安全性。
5. 签名需要随机生成大数 in [1, n - 1]，不要偷懒，当然别人封装好的，一般都会处理。

集群部署

通常为满足集群部署，水平扩展的要求，我们需要把用户用于验签相关的内容缓存到内存中（比如Redis），以减少数据库这方面的查询压力。

注意事项

1. 对于GET类的请求，通常的参数的值可能需要经过encodeURI处理，这里指的是拼装待签名数据的时候，请求传参时不需要
2. 对于POST类请求，在写拦截器的时候，要定制InputStream，因为拦截验签的时候，会先把BODY读出来，所以处理完要写回去，或采用其它类似方法处理
3. 这类非功能性需求，如果条件允许，可以将缓存用户公钥这类服务独立出来，增加服务的可用性。
4. 前端和后端加密的参数一定要保证每个参数的数据类型一致，否则最后加密的结果可能不同（博主亲自踩的坑）

降级处理

针对Redis不可用的降级处理呢，我个人想法是这样的，可以事先根据用户的公钥，使用服务端的私钥生成一个证书，下发给客户端，比如证书内容为：

一旦发生Redis不可用，防篡改这块业务需要降级处理的话，就让客户端在请求时，将证书也发过来，服务端先验证书，证书有效的情况下，用证书里的公钥验客户端签名。

这种方法呢，会增加客户端的流量、服务端流量以及服务器的负载

防重放一

上一章节，为了防篡改，我们给第一个请求增加了签名和验签，这样就可以解决数据防篡改问题。你觉得这样就安全了吗？我们看，同一接口，同样的参数，同样的签名值，是不是每次调用，都是可以成功的。如果被恶意利用，非法用户疯狂的调用这一个接口呢，服务器资源是不是就浪费了，如果这个接口业务比较复杂，还要操作数据库，正好操作数据库也耗时，那是不是有可能给搞的当机了。

那有没有办法解决这个问题呢，当然有。比如再给每一个请求加上一个时间戳，并且时间戳也加入签名防篡改，是不是可以先验证这个请求是什么时候发起的，有没有超过指定时间（比如3分钟），超过就直接丢弃。

比如这个接口：

curl -v -H 'X-TimeStamp: 1680503150' 'http://127.0.0.1:8080/testGet?p=testp&ab=123&x=456'
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我们在Header里，多传了一个X-TimeStamp，值为距离1970-01-01的UTC秒数，为了防止别人篡改呢，也需要将其作为签名的数据，比如固定参数名为timestamp，放置在path后面，也不参与排序，那么待签名数据就变成了：

ab=123&p=testp&x=456&path=/testGet&timestamp=1680503150
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遗留问题

• 加入时间戳后，可以有效的防止重放，但有效期内请求仍然有效，所以需要加入其它方案来增强，比如限流。又比如后续讲到的nonce（随机串）。

• 时间戳有一个客户端与服务器时间可能会不同步的问题，所以多少分钟内有效，要根据业务需要来定。另外也可以在服务器加入获取服务器当前时间的接口，来同步客户端与服务端的时间。

• 如果加了获取服务器时间这种无状态的接口，也要考虑加入签名及验签机制，或者限流机制，防止攻击。

防重放二

上面讲到了，为了防止接口重放，我们给每一个请求加上一个时间戳，但是这样并没有完全地解决防重放问题，有效期内还是可以多次调用。

所以为了解决这一问题呢，我们可以在每一个请求上，再加上一个随机串nonce，客户端每个请求的nonce我都记录下来，那么下一次再次请求的时候，就先根据nonce查一下，有没有请求过，请求过就丢弃，没有就正常处理。

比如这个接口：

curl -v -H 'X-TimeStamp: 1680503150' -H 'X-Nonce: wX5krzyVHuaYS8Ta' 'http://127.0.0.1:8080/testGet?p=testp&ab=123&x=456'
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我们在Header里，多传了一个X-Nonce，值为wX5krzyVHuaYS8Ta(随机生成的)，为了防止别人篡改呢，也需要将其作为签名的数据，比如固定参数名为nonce，放置在timestamp后面，也不参与排序，那么待签名数据就变成了：

ab=123&p=testp&x=456&path=/testGet&timestamp=1680503150&nonce=wX5krzyVHuaYS8Ta
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注意事项

• 如果客户端超时重传，需要产生新的Nonce，要不可能会被拒

• Nonce需要配合Timestamp一起，比如将Nonce存放到Redis，给Nonce设置一个过期时间，这个过期时间可以为Timestamp的有效期

• 如果条件允许，可以将Nonce缓存独立出来，避免故障引起服务不可用