1. 序
今天和大家聊聊支付系统安全设计的一些核心知识点。
进入正题前，继续先讲个小故事。
多年前国内还没有断直连，我当时负责对接银行通道，因为银行对安全看得很重，部署了很多硬件加密机，在接口上也要求我们使用硬件加密机。当时公司有上千名研发工程师，但都没有硬件加密机的使用经验，我是第一个。当时还需要经常跑到机房去操作硬件加密机，因为硬件加密机的要求设计要求，很多管理操作是要多张IC卡加独立口令通过管理口登录才能进行，不能远程操作。
记得第一次从加密机厂家提供的使用手册和技术规范读到主密钥，区域主密钥，工作密钥等概念，让我如同开了天眼：原来密钥还分这么多种，一个密钥还需要另外一个密钥来保护！
对接完渠道后，发现我们很多密钥都明文放在代码、配置或数据库中，其实是不安全的，于是利用硬件加密机作为主密钥服务，设计了一套统一密钥存储与加解密系统，并推广到了全公司使用。
在设计统一密钥存储与加解密系统过程中，啃了好几本密码学和信息安全方面的大部头书，所以支付安全相关的知识储备还是可以的。
在一些大型互联网公司或专业的支付公司，有专业的安全团队提供安全保障，但很多中小型公司其实是没有这方面的技术或人才储备的，那么可以根据这篇文章做一个初步的了解：支付安全如何做。
以前发过一篇1万7千字的长文论述支付安全设计，这里抽取出精华部分，想了解更多细节的，可以去找那篇“一文搞懂支付安全”看看。
2. 前言
支付安全是支付系统最重要的根基之一，没有支付安全，在线支付系统就无从谈起。但是安全又是一门很大的学科，涉及密码学，网络设备，法律法规，流程制度等方方面面。
这里只谈一些和软件研发比较紧密的一部分内容，不涉及网络防火墙等网络设备安全。主要包括以下几点内容：
- 支付安全体系概要；
- 常见加解密、加验签等密码学知识。
- 统一密钥存储及加解密系统设计概要。
3. 支付安全体系概要
3.1. 支付安全核心关注点
安全的范围很广，我们重点关注以下几点：
- 传输安全：个人与支付平台，商户与支付平台，支付与外部银行渠道都需要有数据传输。这些数据要求：1）不可被盗取。2）不可以篡改。
- 存储安全：个人敏感信息，密码信息，交易数据等，都需要被安全存储。
- 交易安全：确保各交易方都是合法的（身份验证），交易内容是合法的（安全合规与防欺诈），交易数据是合法的（防篡改防抵赖）。
3.2. 支付安全体系大图
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制度是基础，指导各项安全措施落地。
3.3. 传输安全
这里的传输安全主要指支付平台和外部的数据传输，包括用户、商户、银行渠道等。
最简单的当然是加密后再传输。但是所有数据全部经过加密后再传输比较麻烦，还有一个办法就是直接把传输的管道进行加密，然后传输明文数据。
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SSL，TLS，HTTPS，VPN，专线等技术都是属于这类技术。
3.4. 存储安全
存储安全不是简单地加密后保存到数据库，这样的成本太高。通常数据的安全级别是不一样的，下面是一个不太严谨的分级及应对手段：
- 支付密码：安全等级非常高，加密后存储，且加密用的主密钥需要保存到硬件加密机中。
- 信用卡有关的敏感数据：安全等级高，加密后存储，且需要单独保存在PCI区域，供年度检查认证。
- 个人敏感数据：安全等级中，加密后存储。
- 普通交易数据：安全等级低，明文存储。虽然是明文存储，但仍然受公司的安全网络设备保护。
需要留意的是，敏感信息是不能打印明文到日志中的，这是大家经常容易忽略的地方。
3.5. 交易安全
交易安全涉及的范围比较广，甚至上面说的传输安全和存储安全也可以纳入到交易安全的范围。
严格意义上的交易安全通常指：确保各交易方都是合法的（身份验证），交易内容是合法的（安全合规与防欺诈），交易数据是合法的（防篡改防抵赖）。
身份验证：证明你是你。比如登录密码，支付密码，个人证书，手机验证码等。
安全合规与防欺诈：买卖的交易标的是合法的（安全合规），没有被盗刷（欺诈交易）等。比如买卖国家保护动物就是非法不合规交易；支付密码被盗后的交易就是欺诈交易。
防篡改防抵赖：通过数字签名技术，防止数据被篡改或事后抵赖。比如商户发了一笔转账交易，事后说没有发过这笔交易，就是抵赖。
4. 密码学知识入门
只要涉及到安全，就一定绕不开密码学。上面提到的大部分问题在技术上的落地，基本上都是围绕密码学在打转。
4.1. 加解密算法
加解密算法的核心作用就是明文数据信息不被窃取。
4.1.1. 什么是加解密
加密是将明文通过一定的算法和密钥转换成无法识别的密文的过程。比如把明文“123”转成“aexyeffidfdfwsd”。
解密则是加密的逆向过程，通过一定的算法和密钥将密文转换成明文的过程。比如把密文“aexyeffidfdfwsd”转成“123”。
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4.1.2. 对称加密算法
对称加密是使用相同的密钥（称为对称密钥）进行加密和解密。双方须共享相同的密钥。好处是使用简单且高效，缺点是密钥分发和管理容易泄露。
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常见的对称加密算法有：
- AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）： 安全性高，速度快，密钥长度可变。广泛应用于网络通信、文件加密、数据库加密等领域。也是支付行业使用的主流对称加密算法。
- DES（Data Encryption Standard，数据加密标准），3DES（Triple DES，三重数据加密标准）， RC4（Rivest Cipher 4），IDEA（International Data Encryption Algorithm）等都因为安全性不够，已经不再推荐使用。
AES目前被认为是最安全和最常用的对称加密算法，推荐在支付行业使用。密钥长度128比特当前够用，但推荐256比特。
AES在实际使用时，还需要有很参数要配置，比如加密模式就有CBC，ECB、CFB等。
4.1.3. 非对称加密算法
非对称加密算法使用一对密钥（公钥和私钥）进行加密和解密。这种加密方式具有密钥分离的特点，即公钥可以公开分发，而私钥则保密保存。
公钥用于加密数据，私钥用于解密数据，一定不能反过来。原因很简单，公钥大家都有，如果使用私钥加密，公钥解密，大家都可以解密，就没有安全性可言。
另外，非对称加密算法也用于签名验签，拿私钥签名，公钥验签（不能反过来）。
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以下是一些常见的非对称加密算法：
- RSA（Rivest-Shamir-Adleman）： 安全性高，可靠性强，广泛应用。用于加密通信、数字签名、密钥交换等各种安全领域。支付行业用得非常多。
- ECDSA（椭圆曲线数字签名算法）： 安全性高，密钥短。ECDSA是比特币（Bitcoin）和其他许多加密货币使用的签名算法。它基于椭圆曲线密码学（ECC），提供了与更大密钥的RSA算法相比更小的密钥尺寸，同时保持了相同的安全性。
RSA当前在支付行业应用非常广泛，推荐密钥长度为2048比特或以上。
4.1.4. 数字信封加密算法
数字信封加密算法组合了对称加密、非对称加密、数字签名和验签等多种加密技术。之所以经常被称为数字信封，是因为传输的数据就像放在信封里面，只有收件人才能打开信封查看明文。
比如经常看见的就是PGP（Pretty Good Privacy）。最开始用于保护电子邮件，后面被广泛用于保护文件传输，比如支付平台和银行之间的文件。
PGP通常推荐使用RSA 2048和AES 256，前者用于加密对称密钥和签名，后面用于加密大数据块。
它的原理是使用对称加密算法对要传输的数据进行加密，然后再使用接收方的公钥对对称密钥进行加密，再使用自己的私钥进行签名，最后将加密后的对称密钥和加密后的数据一起发送给接收方。接收方先使用对方的公钥进行验签，再使用私钥解密对称密钥，最后使用对称密钥解密数据。
下图是数字信封加解密算法的完整过程：
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现在很多银行的打款文件要求使用PGP加密，因为文件里面有卡号等敏感数据。
4.2. 加验签算法
签名验签的核心作用就是防篡改和防抵赖。只要有篡改，验签就通不过。因为加签密钥是私钥，只要用公钥验签通过，就说明是密钥持有人发出来的报文。
4.2.1. 什么是签名验签
签名：发送者将数据通过特定算法和密钥转换成一串唯一的密文串，也称之为数字签名，和报文信息一起发给接收方。
验签：接收者根据接收的数据、数字签名进行验证，确认数据的完整性，以证明数据未被篡改，且确实来自声称的发送方。如果验签成功，就可以确信数据是完好且合法的。
下面是一个极简的签名验签数学公式。
假设被签名的数据（m），签名串（Σ），散列函数（H），私钥（Pr），公钥（Pu），加密算法（S），解密算法（S^），判断相等（eq）。
简化后的数学公式如下：
签名：Σ=S[H(m), Pr]。
验签：f(v)=[H(m) eq S^(Σ, Pu)]。
流程图如下：
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如果两个散列值相等，那么验签成功，消息（m)被认为是完整的，且确实来自声称的发送方。如果不一致，就是验签失败，消息可能被篡改，或者签名是伪造的。
现实中的算法会复杂非常多，比如RSA，ECDSA等，还涉及到填充方案，随机数生成，数据编码等。
4.2.2. 常见签名验算法
常见的数字签名算法包括：
- RSA（Rivest-Shamir-Adleman）：RSA是一种基于大素数因子分解难题的非对称加密算法，被广泛应用于数字签名和密钥交换等领域。
- DSA（Digital Signature Algorithm）：DSA是一种基于离散对数问题的数字签名算法，主要用于数字签名领域。
- ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）：ECDSA是一种基于椭圆曲线离散对数问题的数字签名算法，具有比RSA更短的密钥长度和更高的安全性。
- EdDSA（Edwards-curve Digital Signature Algorithm）：EdDSA是一种基于扭曲爱德华斯曲线的数字签名算法，具有高效性和安全性，被广泛用于加密货币等领域。
在普通在线支付场景来说，RSA使用最为广泛，密钥长度推荐2048比特。
5. 统一密钥存储及加解密系统设计概要
5.1. 密钥安全理论基础
明文数据被加密安全存储，还需要考虑用于加密的密钥如何安全存储。
密钥的重要性，有一个不成文的公式是这样的：密钥的价值 = 密文的价值。比如你加密存储的密文价值10亿，那对应的密钥价值也有10亿。
密钥的管理涉及4个方面：密钥存储、更新、备份和恢复、废止和销毁。如果想要管好这些密钥，就需要建设一个统一的密钥存储服务，否则密钥很容易被泄露。
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密钥存储需要满足2个条件：
- 安全存储环境：密钥保存在特殊的安全环境中，包括服务器、网络环境、硬件加密机等。
- 最小权限原则：接触密钥明文的人越少越好。
密钥分为主密钥和工作密钥，其中工作密钥用来加解密普通的业务数据，而主密钥用来加解密工作密钥。
一般来说主密钥应该存储在专门的硬件加密机中，官方也称硬件安全模块（HSM）中。特点是安全性极高，但是性能有限，且价格昂贵，管理复杂。
工作密钥一般由主密钥加密后保存在DB中，在需要的时候调用主密钥解密后，缓存在内存中，然后再去加解密普通的业务数据。
以前在和银行对接时，工作密钥是合成的，支付平台生成一半，银行生成一半，各自输入到硬件加密机，生成一份工作密钥，受硬件加密机的主密钥保护。这样支付平台和银行都不知道工作密钥是什么。
密钥更新机制：
- 需要定期更新，减少被破解的风险。
- 自动定时更新，减少人为失误。‘
- 版本控制和回滚：要有版本号，要能快速回滚。
5.2. 设计概要
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说明：
- 需要使用硬件加密机HSM生成并保存主密钥。
- 工作密钥被主密钥加密后，保存到DB中。
- 各应用调用密钥管理系统进行加密解密、签名验签，保证密钥不被业务应用读取，减少泄露风险。
6. 常见工程问题
- 如何选择加密算法及密钥长度？
大数据块通常采用对称加密算法，一般是AE 128或AES 256。比如大段的报文。
小数据块，且涉及公开环境，通常采用非对称算法，一般是RSA 2048或RSA 4096。比如在前端把用户的密码使用公钥加密，后端使用私钥转加密。
文件类通常采用PGP，把整个文件加密后上传下载，既防窃取又防篡改。
- 如何选择签名算法算法及密钥长度？
普通支付场景一般是RSA 2048 或RSA 4096。安全足够，各家都支持。
- 什么场景下使用硬件加密机？
如果交易规模大，建议使用硬件加密机用于加密工作密钥，否则出了安全问题，损失巨大。
