宇连通 IM 之数据加密设计

宇连通 IM 数据加密设计方案

宇连通 IM 的数据加密设计需要从端到端全链路考虑，确保消息内容和用户隐私的安全性。以下是一个完整的加密设计方案：

1. 密钥管理系统

采用分层密钥管理架构，确保密钥的安全性和可管理性：

python

运行

class KeyManagementSystem:
    def __init__(self):
        self.master_key = self._generate_master_key()  # 主密钥
        self.device_keys = {}  # 设备密钥
        self.session_keys = {}  # 会话密钥
        
    def _generate_master_key(self):
        # 使用密码学安全的随机数生成主密钥
        return os.urandom(32)  # 256位主密钥
    
    def generate_device_key(self, device_id):
        # 为每个设备生成唯一的设备密钥
        key = derive_key(self.master_key, f"device_{device_id}")
        self.device_keys[device_id] = key
        return key
    
    def generate_session_key(self, sender_id, receiver_id):
        # 为每次会话生成临时会话密钥
        session_id = f"{sender_id}_{receiver_id}_{uuid.uuid4()}"
        key = derive_key(self.master_key, session_id)
        self.session_keys[session_id] = key
        return session_id, key
    
    def rotate_keys(self):
        # 定期轮换密钥以增强安全性
        self.master_key = self._generate_master_key()
        # 重新生成所有设备和会话密钥
        for device_id in self.device_keys:
            self.generate_device_key(device_id)
        # 会话将在下次通信时重新建立

2. 端到端加密实现

采用混合加密方案，结合对称加密和非对称加密的优势：

python

运行

class E2EEncryption:
    def __init__(self, kms):
        self.kms = kms
        
    def encrypt_message(self, plaintext, receiver_public_key, session_id=None):
        # 生成或获取会话密钥
        if not session_id:
            session_id, session_key = self.kms.generate_session_key("sender", "receiver")
        else:
            session_key = self.kms.session_keys[session_id]
        
        # 使用AES-GCM对称加密消息
        nonce = os.urandom(12)
        ciphertext, tag = self._aes_encrypt(plaintext, session_key, nonce)
        
        # 使用接收方公钥加密会话密钥
        encrypted_session_key = self._rsa_encrypt(session_key, receiver_public_key)
        
        return {
            "session_key": encrypted_session_key,
            "nonce": nonce,
            "ciphertext": ciphertext,
            "tag": tag,
            "session_id": session_id
        }
    
    def decrypt_message(self, encrypted_data, receiver_private_key):
        # 使用接收方私钥解密会话密钥
        session_key = self._rsa_decrypt(
            encrypted_data["session_key"], 
            receiver_private_key
        )
        
        # 使用会话密钥解密消息
        plaintext = self._aes_decrypt(
            encrypted_data["ciphertext"], 
            session_key, 
            encrypted_data["nonce"],
            encrypted_data["tag"]
        )
        
        return plaintext
    
    def _aes_encrypt(self, plaintext, key, nonce):
        cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)
        ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(plaintext.encode('utf-8'))
        return ciphertext, tag
    
    def _aes_decrypt(self, ciphertext, key, nonce, tag):
        cipher = AES.new(key, AES.MODE_GCM, nonce=nonce)
        try:
            plaintext = cipher.decrypt_and_verify(ciphertext, tag)
            return plaintext.decode('utf-8')
        except ValueError:
            raise InvalidTagException("解密失败：消息可能被篡改")
    
    def _rsa_encrypt(self, data, public_key):
        ciphertext = public_key.encrypt(
            data,
            padding.OAEP(
                mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
                algorithm=hashes.SHA256(),
                label=None
            )
        )
        return ciphertext
    
    def _rsa_decrypt(self, ciphertext, private_key):
        plaintext = private_key.decrypt(
            ciphertext,
            padding.OAEP(
                mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
                algorithm=hashes.SHA256(),
                label=None
            )
        )
        return plaintext

3. 消息完整性和防篡改设计

使用消息认证码和时间戳确保消息完整性和时效性：

python

运行

class MessageIntegrity:
    def __init__(self):
        self.timestamp_threshold = 300  # 5分钟时间窗口
        
    def generate_mac(self, message, key):
        # 生成消息认证码
        h = hmac.new(key, message.encode('utf-8'), hashes.SHA256())
        return h.hexdigest()
    
    def verify_mac(self, message, mac, key):
        # 验证消息认证码
        expected_mac = self.generate_mac(message, key)
        return hmac.compare_digest(mac, expected_mac)
    
    def add_timestamp(self, message):
        # 添加时间戳到消息
        timestamp = int(time.time())
        return f"{timestamp}|{message}"
    
    def verify_timestamp(self, message_with_timestamp):
        # 验证消息时间戳
        timestamp, message = message_with_timestamp.split('|', 1)
        timestamp = int(timestamp)
        current_time = int(time.time())
        
        if abs(current_time - timestamp) > self.timestamp_threshold:
            raise ExpiredMessageException("消息已过期")
        
        return message

4. 密钥交换协议

实现安全的密钥交换机制，确保会话密钥的安全建立：

python

运行

class KeyExchange:
    def __init__(self):
        self.elliptic_curve = ec.SECP256R1()
        
    def generate_key_pair(self):
        # 生成椭圆曲线密钥对
        private_key = ec.generate_private_key(self.elliptic_curve)
        public_key = private_key.public_key()
        return private_key, public_key
    
    def derive_shared_secret(self, own_private_key, peer_public_key):
        # 基于ECDH算法生成共享密钥
        shared_secret = own_private_key.exchange(ec.ECDH(), peer_public_key)
        # 使用HKDF扩展密钥
        derived_key = HKDF(
            algorithm=hashes.SHA256(),
            length=32,
            salt=None,
            info=b'handshake data',
        ).derive(shared_secret)
        return derived_key
    
    def generate_device_id(self):
        # 生成唯一设备ID
        return str(uuid.uuid4())

加密设计的安全考虑

1. 前向安全性：每次会话使用独立的会话密钥，旧会话密钥泄露不会影响历史消息
2. 密钥备份与恢复：提供安全的密钥备份机制，支持多设备同步
3. 密钥泄露处理：支持设备吊销和密钥轮换
4. 量子安全：考虑引入量子 - resistant 密码算法作为未来增强
5. 合规性：设计符合相关法律法规要求，如数据本地化存储

这个设计方案提供了一个完整的 IM 加密系统框架，实际实现时还需要根据具体需求进行调整和优化。