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图解支付系统安全设计

大熊•2024-09-20 22:15:26•支付,架构,安全

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

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

支付安全体系大图

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。

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”。

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。

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）。

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：

数字信封加解密过程

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：
加签验签过程

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。