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安全加密模块

安全加密模块是 DocuSnap-Backend 系统的关键安全组件，负责实现端到端加密和请求验证，保护敏感文档和表单数据的传输安全。该模块采用 RSA 和 AES 混合加密方案，结合哈希验证机制，提供全面的数据安全保障。

模块职责

安全加密模块的主要职责包括：

  1. 密钥管理：生成、存储和管理 RSA 密钥对
  2. 请求解密：解密客户端发送的加密请求
  3. 响应加密：加密返回给客户端的响应数据
  4. 请求验证：验证请求的完整性和真实性
  5. 安全配置：管理系统的安全相关配置

核心组件

1. RSA 加密/解密器

RSA 加密/解密器负责处理非对称加密操作，主要用于密钥交换。系统使用 RSA 加密保护 AES 密钥的传输安全。

代码示例：

def load_private_key():
    """加载 RSA 私钥"""
    try:
        with open(PRIVATE_KEY_PATH, 'rb') as f:
            private_key = RSA.import_key(f.read())
        return private_key
    except Exception as e:
        raise Exception(f"加载私钥失败: {str(e)}")

def rsa_decrypt(encrypted_data, private_key):
    """使用 RSA 私钥解密数据"""
    try:
        cipher = PKCS1_OAEP.new(private_key)
        decrypted_data = cipher.decrypt(base64.b64decode(encrypted_data))
        return decrypted_data
    except Exception as e:
        raise Exception(f"RSA 解密失败: {str(e)}")

2. AES 加密/解密器

AES 加密/解密器负责处理对称加密操作，用于加密和解密实际的请求和响应数据。系统使用 AES 加密提供高效的数据加密。

代码示例：

def aes_decrypt(encrypted_data, key):
    """使用 AES 密钥解密数据"""
    try:
        # 从 Base64 解码加密数据
        encrypted_data_bytes = base64.b64decode(encrypted_data)
        
        # 提取 IV（前 16 字节）
        iv = encrypted_data_bytes[:16]
        ciphertext = encrypted_data_bytes[16:]
        
        # 创建 AES 解密器
        cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
        
        # 解密数据
        padded_data = cipher.decrypt(ciphertext)
        
        # 移除填充
        unpadder = padding.PKCS7(AES.block_size).unpadder()
        data = unpadder.update(padded_data) + unpadder.finalize()
        
        return data.decode('utf-8')
    except Exception as e:
        raise Exception(f"AES 解密失败: {str(e)}")

def aes_encrypt(data, key):
    """使用 AES 密钥加密数据"""
    try:
        # 生成随机 IV
        iv = get_random_bytes(16)
        
        # 创建 AES 加密器
        cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
        
        # 添加填充
        padder = padding.PKCS7(AES.block_size).padder()
        padded_data = padder.update(data.encode('utf-8')) + padder.finalize()
        
        # 加密数据
        ciphertext = cipher.encrypt(padded_data)
        
        # 组合 IV 和密文，并进行 Base64 编码
        encrypted_data = base64.b64encode(iv + ciphertext).decode('utf-8')
        
        return encrypted_data
    except Exception as e:
        raise Exception(f"AES 加密失败: {str(e)}")

3. 哈希验证器

哈希验证器负责生成和验证数据的哈希值，确保数据的完整性和真实性。系统使用 SHA256 哈希算法进行验证。

代码示例：

def sha256_hash(data):
    """计算数据的 SHA256 哈希值"""
    try:
        if isinstance(data, str):
            data = data.encode('utf-8')
        return hashlib.sha256(data).hexdigest()
    except Exception as e:
        raise Exception(f"计算哈希失败: {str(e)}")

def verify_signature(data, signature):
    """验证数据的签名（哈希值）"""
    computed_hash = sha256_hash(data)
    return computed_hash == signature

4. 请求处理器

请求处理器负责解密和验证客户端请求，以及加密返回给客户端的响应。

代码示例：

def decrypt_request(encrypted_data, encrypted_key, signature):
    """解密请求数据并验证完整性"""
    try:
        # 使用私钥解密 AES 密钥
        private_key = load_private_key()
        aes_key = rsa_decrypt(encrypted_key, private_key)
        
        # 使用 AES 密钥解密数据
        data = aes_decrypt(encrypted_data, aes_key)
        
        # 验证签名
        if not verify_signature(data, signature):
            raise Exception("签名验证失败")
        
        return json.loads(data), aes_key
    except Exception as e:
        raise Exception(f"请求解密失败: {str(e)}")

def encrypt_response(data, aes_key):
    """加密响应数据"""
    try:
        # 将数据转换为 JSON 字符串
        json_data = json.dumps(data, ensure_ascii=False)
        
        # 使用 AES 密钥加密数据
        encrypted_data = aes_encrypt(json_data, aes_key)
        
        # 计算签名
        signature = sha256_hash(json_data)
        
        return {
            "encrypted_data": encrypted_data,
            "signature": signature
        }
    except Exception as e:
        raise Exception(f"响应加密失败: {str(e)}")

加密方案设计

DocuSnap-Backend 采用 RSA 和 AES 混合加密方案，结合了两种加密技术的优势：

  1. RSA 非对称加密：
    • 用于安全传输 AES 密钥
    • 服务器持有私钥，客户端使用公钥加密
    • 解决了密钥分发问题
  2. AES 对称加密：
    • 用于加密实际的请求和响应数据
    • 提供高效的数据加密
    • 支持大量数据的加密
  3. SHA256 哈希验证：
    • 验证数据的完整性
    • 防止数据被篡改
    • 提供额外的安全保障

这种混合加密方案平衡了安全性和性能，适合处理敏感文档和表单数据的传输安全需求。

工作流程

安全加密模块的工作流程如下：

请求处理流程

  1. 接收加密请求：
    • 客户端使用服务器的 RSA 公钥加密 AES 密钥
    • 客户端使用 AES 密钥加密请求数据
    • 客户端计算请求数据的 SHA256 哈希值作为签名
    • 客户端发送加密的 AES 密钥、加密的请求数据和签名
  2. 解密和验证：
    • 服务器使用 RSA 私钥解密 AES 密钥
    • 服务器使用 AES 密钥解密请求数据
    • 服务器计算解密后数据的 SHA256 哈希值
    • 服务器验证计算的哈希值与签名是否匹配
  3. 处理请求：
    • 如果验证通过，服务器处理解密后的请求
    • 如果验证失败，服务器返回错误响应

响应处理流程

  1. 准备响应：
    • 服务器准备响应数据
    • 服务器将响应数据转换为 JSON 格式
  2. 加密响应：
    • 服务器使用之前解密得到的 AES 密钥加密响应数据
    • 服务器计算响应数据的 SHA256 哈希值作为签名
  3. 发送加密响应：
    • 服务器发送加密的响应数据和签名给客户端
    • 客户端使用 AES 密钥解密响应数据
    • 客户端验证响应数据的完整性

密钥管理

安全加密模块实现了以下密钥管理机制：

  1. RSA 密钥对生成：
    • 使用 genKeyPairs.sh 脚本生成 RSA 密钥对
    • 私钥保存在服务器，公钥分发给客户端
  2. 密钥存储：
    • 私钥存储在服务器的安全位置
    • 访问权限受到严格控制
  3. AES 密钥生成：
    • 每个请求使用新的随机 AES 密钥
    • 增强安全性，防止重放攻击

安全措施

安全加密模块实现了多层安全措施：

  1. 端到端加密：
    • 数据在传输过程中始终保持加密状态
    • 只有合法的接收方可以解密数据
  2. 完整性验证：
    • 使用 SHA256 哈希验证数据完整性
    • 防止数据被篡改或损坏
  3. 参数验证：
    • 验证请求参数的格式和内容
    • 防止恶意输入和注入攻击
  4. 错误处理：
    • 安全的错误处理机制
    • 不泄露敏感信息的错误消息

模块接口

安全加密模块提供以下主要接口：

  1. 对外接口：
    • decrypt_request：解密和验证客户端请求
    • encrypt_response：加密返回给客户端的响应
  2. 对内接口：
    • load_private_key：加载 RSA 私钥
    • rsa_decrypt：使用 RSA 私钥解密数据
    • aes_decrypt：使用 AES 密钥解密数据
    • aes_encrypt：使用 AES 密钥加密数据
    • sha256_hash：计算数据的 SHA256 哈希值
    • verify_signature：验证数据的签名

安全最佳实践

安全加密模块遵循以下安全最佳实践：

  1. 使用标准加密算法：
    • RSA 用于非对称加密
    • AES 用于对称加密
    • SHA256 用于哈希验证
  2. 安全的密钥管理：
    • 私钥安全存储
    • 每个请求使用新的 AES 密钥
    • 密钥长度符合安全标准
  3. 完整的验证机制：
    • 验证请求的完整性和真实性
    • 多层验证确保安全性
  4. 安全的错误处理：
    • 不泄露敏感信息
    • 提供适当的错误消息

扩展性

安全加密模块的扩展性体现在：

  1. 支持多种加密算法：
    • 设计支持未来升级或更换加密算法
    • 可以根据安全需求调整参数
  2. 可配置的安全策略：
    • 可以根据需求调整安全级别
    • 支持添加新的安全措施
  3. 密钥轮换机制：
    • 支持定期轮换 RSA 密钥对
    • 增强长期安全性

通过这些设计和实现，安全加密模块为 DocuSnap-Backend 系统提供了全面的数据安全保障，确保敏感文档和表单数据的传输安全。