誰(shuí)家的加密密鑰，寫死在代碼里？
系統(tǒng)設(shè)計(jì)，協(xié)議先行。
大部分人不了解協(xié)議的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，更多使用已有協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用層設(shè)計(jì)，例如：
- 使用HTTP，設(shè)計(jì) get/post/cookie 參數(shù)，以及json包格式；
- 使用dubbo，而不用去深究?jī)?nèi)部的二進(jìn)制包頭包體細(xì)節(jié)；
無(wú)論如何，了解協(xié)議設(shè)計(jì)的原則，對(duì)深入理解系統(tǒng)通信非常有幫助。
一、協(xié)議的分層設(shè)計(jì)
所謂“協(xié)議”，是雙方共同遵守的規(guī)則，例如：離婚協(xié)議，停戰(zhàn)協(xié)議。協(xié)議有語(yǔ)法、語(yǔ)義、時(shí)序三要素：
- 語(yǔ)法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式；
- 語(yǔ)義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動(dòng)作以及做出何種響應(yīng)；
- 時(shí)序，即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明；
畫外音：后文主要講語(yǔ)法設(shè)計(jì)。
協(xié)議設(shè)計(jì)通常分為三層：應(yīng)用層協(xié)議、安全層協(xié)議、傳輸層協(xié)議。
下面分別看下這三層的協(xié)議應(yīng)該如何選型。
二、應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)
應(yīng)用層協(xié)議選型，常見的有三種：文本協(xié)議、二進(jìn)制協(xié)議、流式XML協(xié)議。
(1) 文本協(xié)議
文本協(xié)議是指“貼近人類書面語(yǔ)言表達(dá)”的通訊傳輸協(xié)議，典型的協(xié)議是HTTP協(xié)議，一個(gè)HTTP協(xié)議的請(qǐng)求報(bào)文樣例如下：
GET / HTTP/1.1
User-Agent: curl
Host: musicml.net
Accept: */*
文本協(xié)議的特點(diǎn)是：
- 可讀性好，便于調(diào)試；
- 擴(kuò)展性較好，能通過key:value擴(kuò)展；
- 解析效率不高，一行一行讀入，按照冒號(hào)分割，解析key和value；
- 對(duì)二進(jìn)制不友好 ，比如語(yǔ)音/視頻等；
(2) 二進(jìn)制協(xié)議
二進(jìn)制協(xié)議即binary協(xié)議，典型是IP協(xié)議，以下是IP協(xié)議的一個(gè)圖示：
二進(jìn)制協(xié)議一般包含：一般包含：
- 定長(zhǎng)包頭；
- 可擴(kuò)展變長(zhǎng)包體；
- 一般每個(gè)字段有固定的含義，以IP協(xié)議為例，前4個(gè)bit表示協(xié)議版本號(hào)（Version）；
二進(jìn)制協(xié)議的特點(diǎn)是：
- 可讀性差，難于調(diào)試；畫外音：打日志一般需要一個(gè)toString()函數(shù)增強(qiáng)可讀性。
- 擴(kuò)展性不好，如果要擴(kuò)展字段，舊版協(xié)議就不兼容了，所以設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)有一個(gè)Version字段；
- 解析效率超高，幾乎沒有解析代價(jià)，二進(jìn)制流的每個(gè)字段表示固定含義；
- 天然支持二進(jìn)制流 ，比如語(yǔ)音/視頻；
這是一個(gè)典型的16字節(jié)二進(jìn)制定長(zhǎng)包頭的例子：
//sizeof(cs_header)=16
struct cs_header {
uint32_t version;
uint32_t magic_num;
uint32_t cmd;
uint32_t len;
uint8_t data[];
}__attribute__((packed));
其中：
（1）前4個(gè)字節(jié)表示版本號(hào)version；
（2）接下來(lái)4個(gè)字節(jié)表示魔法數(shù)字magic_num，用來(lái)解決數(shù)據(jù)錯(cuò)位或丟包問題；
畫外音：例如，約定好魔法數(shù)字是0x01020304，收到的報(bào)文，魔法數(shù)字匹配，認(rèn)為是正常報(bào)文，否則認(rèn)為是報(bào)文異常，斷開連接。
（3）接下來(lái)4個(gè)字節(jié)表示命令號(hào)command，不同的命令號(hào)對(duì)應(yīng)不同的變長(zhǎng)包體；
（4）最后4個(gè)字節(jié)表示包體長(zhǎng)度length，以確定變長(zhǎng)包體有多少字節(jié)；
這是一個(gè)實(shí)際的二進(jìn)制變長(zhǎng)包體：
message CUserLoginReq {
optional string username = 1;
optional string passwd = 2;
}
message CUserLoginResp {
optional uint64 uid =1;
}
它使用的是Google的Protobuf協(xié)議，容易看到：
- 請(qǐng)求報(bào)文傳入的是用戶名與密碼；
- 響應(yīng)包返回的是用戶的uid；
PB是很流行的二進(jìn)制變長(zhǎng)包體協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)為：
- 通用，可以生成C++、Java、PHP等多語(yǔ)言代碼；
- 自帶壓縮功能；
- 對(duì)二進(jìn)制友好；
- 在工業(yè)界已廣泛應(yīng)用；畫外音：Google出品，必屬精品。
流式XML協(xié)議流式XML似乎是文本協(xié)議的一個(gè)特例，亦可以單獨(dú)作為一類。例如：xmpp就是典型的流式XML協(xié)議，下面是xmpp協(xié)議的一個(gè)典型報(bào)文：
<message
to=’romeo@example.net’
from=’juliet@example.com’
type=’chat’
xml : lang=’en’>
<body>Wherefore art thou, Romeo?</body>
</message>
從xml標(biāo)簽中大致可以判斷這是一個(gè)romeo發(fā)給juliet的聊天消息。
XML協(xié)議有幾個(gè)特點(diǎn)：
- 可讀性好，擴(kuò)展性好，這是XML的特性；
- 解析代價(jià)超高，需要進(jìn)行dom樹分析；
- 有效數(shù)據(jù)傳輸率超低，有大量的標(biāo)簽；
- 對(duì)二進(jìn)制不友好 ，比如語(yǔ)音/視頻等；
三、安全層協(xié)議設(shè)計(jì)
安全層協(xié)議設(shè)計(jì)，除了使用SSL，自行實(shí)現(xiàn)的話，常見的又有以下三種方案。
畫外音：SSL秘鑰管理是個(gè)問題。
(1) 固定密鑰
服務(wù)端和客戶端約定好一個(gè)密鑰，同時(shí)約定好一個(gè)加密算法（例如：AES），每次客戶端發(fā)送報(bào)文前，就用約定好的算法，以及約定好的密鑰加密再傳輸，服務(wù)端收到報(bào)文后，用約定好的算法，約定好的密鑰再解密。
畫外音：安全性低，安全性基于程序員的職業(yè)操守。
(2) 一人一密
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)人的密鑰是固定的，但是每個(gè)人之間又不同。常見的實(shí)現(xiàn)方式是：
- 固定加密算法；
- 加密秘鑰使用“用戶的某一特殊屬性”，比如用戶uid、手機(jī)號(hào)、qq號(hào)、用戶密碼等；
(3) 一次一密
即動(dòng)態(tài)密鑰，一Session一密鑰的安全性更高，每次會(huì)話前協(xié)商密鑰。密鑰協(xié)商的過程要經(jīng)過2次非對(duì)稱密鑰的隨機(jī)生成，1次對(duì)稱加密密鑰的隨機(jī)生成，具體詳情這里不展開。
四、傳輸層協(xié)議設(shè)計(jì)
可選的協(xié)議有TCP和UDP，現(xiàn)在基本都是使用TCP，有了epoll等技術(shù)后，多連接就不是瓶頸了，單機(jī)幾十萬(wàn)鏈接沒什么問題。
