基于分布式系統(tǒng)的加密實(shí)時(shí)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

王鎮(zhèn)威，張 皓，朱命冬

(河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

1單服務(wù)器通信

在通信模式中，單服務(wù)器通信架構(gòu)將服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，采用傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽通信端鏈接請(qǐng)求，并完成端到端通信。當(dāng)通信端向服務(wù)器發(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽的服務(wù)器會(huì)接收通信端的通信請(qǐng)求，采用TCP建立鏈接(3次握手)，并且在通信端與服務(wù)器之間建立一個(gè)套接字(socket)信道[1]。

當(dāng)通信端向其他通信端發(fā)起通信時(shí)，服務(wù)器作為通信的中轉(zhuǎn)站，通過與各個(gè)服務(wù)端之間的socket信道完成信息的交互，達(dá)到通信的目的。在單服務(wù)器通信模式中不難發(fā)現(xiàn)，通信過程沒有任何保密措施，服務(wù)器持續(xù)監(jiān)聽，通信端和服務(wù)端的身份得不到驗(yàn)證和授權(quán)。服務(wù)器端和通信端都可以被偽裝，進(jìn)而竊取通信信息。

2 分布式系統(tǒng)解決的問題

對(duì)于分布式系統(tǒng)來說，相關(guān)的挑戰(zhàn)主要有7個(gè)：異構(gòu)性、開放性、安全性、可伸縮性、故障處理、并發(fā)性、透明性[2]。本文主要關(guān)注并發(fā)性和透明性對(duì)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的影響。

2.1 并發(fā)性

多個(gè)通信端同時(shí)請(qǐng)求訪問一個(gè)資源，將導(dǎo)致并發(fā)問題的出現(xiàn)。例如，在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中，如果多個(gè)通信端試圖閱讀當(dāng)前通信用戶列表，而又有多個(gè)通信端同時(shí)退出通信。當(dāng)每個(gè)通信端連接到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器中將有一個(gè)新線程，線程將遇到并發(fā)問題。有些線程的操作可能被其他線程覆蓋，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)室列表可能與預(yù)期結(jié)果不符。因此，在操作相同的資源時(shí)，需要同步線程。

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程同時(shí)訪問一個(gè)對(duì)象的相同資源時(shí)，可以使用同步方法和同步塊。至于同步方法，不同對(duì)象實(shí)例中的不同同步方法是不相關(guān)的，意味著其他線程仍然可以訪問同步方法，即使在同一個(gè)類中，只要方法屬于不同的對(duì)象。

如果兩個(gè)線程需要訪問同一對(duì)象中的同一個(gè)同步方法，則必須按順序訪問。一個(gè)線程將先訪問資源，另一個(gè)線程必須等到前一個(gè)線程完成任務(wù)。使用同步方法也有缺點(diǎn)，同步方法的訪問效率會(huì)降低。另一種方法是使用同步塊，可以將塊分配給任何對(duì)象，因?yàn)榭梢葬槍?duì)特定的代碼塊，在同時(shí)訪問同一資源時(shí)線程將按順序執(zhí)行事務(wù)。

2.2 透明性

對(duì)透明性而言，一個(gè)分布式系統(tǒng)主要有8個(gè)方面的透明性：訪問透明、位置透明、并發(fā)透明、復(fù)制透明、故障透明、移動(dòng)透明、性能透明和伸縮透明[2]。在單服務(wù)器實(shí)時(shí)通信中，位置透明是顯而易見的，因?yàn)橥ㄐ哦瞬恍枰婪?wù)器在哪里，也不需要知道其他通信端的位置信息，而是需要通過服務(wù)器的IP地址連接到服務(wù)器。

在系統(tǒng)中，故障透明性是可靠的，因?yàn)槿绻ㄐ畔到y(tǒng)接收到異常，不會(huì)將其拋給通信端，而是處理異常并向通信端提供反饋，用戶仍然可以根據(jù)反饋完成任務(wù)，而不是退出。還有一些透明度在通信系統(tǒng)中不可用，比如，訪問透明，因?yàn)樗械馁Y源都在同一個(gè)服務(wù)器上。換句話說，服務(wù)器不是分布式的，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)服務(wù)器。

3 分布式服務(wù)端架構(gòu)

分布式多服務(wù)端體系結(jié)構(gòu)也基于通信端-服務(wù)器模型。然而，多服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)中的通信端和服務(wù)器是分布式的，與基本的通信端和服務(wù)器模型有所區(qū)別。

如果傳統(tǒng)的通信端和服務(wù)器模型中有兩臺(tái)服務(wù)器，模型如圖1所示。

圖1 分布式服務(wù)端通信架構(gòu)

兩個(gè)服務(wù)器可以互相交換消息，因?yàn)橹g有一個(gè)鏈接，可以看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式服務(wù)器系統(tǒng)。每臺(tái)服務(wù)器將為一組特定的通信端維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，服務(wù)器還將保留其他服務(wù)器的信息。不同的服務(wù)器位于不同的位置，但仍然可以相互通信。例如，如果通信端A需要與通信端C和D通信，首先，向服務(wù)器1發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，當(dāng)服務(wù)器1開始處理該請(qǐng)求時(shí)，會(huì)在本地通信端列表中搜索通信端C和通信端D。如果不在本地通信端列表中，則服務(wù)器1將向服務(wù)器2發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，以進(jìn)行通信端通信。當(dāng)服務(wù)器2收到請(qǐng)求時(shí)，將在處理請(qǐng)求后響應(yīng)服務(wù)器1。通信端A可以與通信端C和通信端D進(jìn)行通信，而不需要服務(wù)器2的端口和地址，信息將由分布式服務(wù)器處理。

3.1 分布式服務(wù)器交互

對(duì)于多服務(wù)器分布式通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器將在不同的地方接入互聯(lián)網(wǎng)。通信端將只連接到自己的服務(wù)器，因此，服務(wù)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)映射，如果通信端需要與屬于遠(yuǎn)程服務(wù)器的其他通信端通信，則為該通信端創(chuàng)建的本地服務(wù)器中的線程將向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求。

對(duì)于本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信，可以看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的通信端和服務(wù)器模型。本地服務(wù)器將扮演通信端的角色，而遠(yuǎn)程服務(wù)器將接收本地服務(wù)器發(fā)送的請(qǐng)求。將在本地和遠(yuǎn)程服務(wù)器的兩個(gè)線程之間構(gòu)建一個(gè)socket信道。該模型中的服務(wù)器不僅要維護(hù)本地通信端信息，還要維護(hù)其他服務(wù)器的部分或全部信息，如IP地址、端口號(hào)以及特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中其他服務(wù)器的通信端列表。當(dāng)本地通信端需要與遠(yuǎn)程通信端建立連接時(shí)，本地服務(wù)器就可以準(zhǔn)確地連接到特定的遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3.2 服務(wù)器間數(shù)據(jù)分布

在單服務(wù)器模型中，數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在同一個(gè)服務(wù)器中，而在多服務(wù)器模型中，數(shù)據(jù)是分布式的。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的每個(gè)服務(wù)器將只維護(hù)屬于本地服務(wù)器區(qū)域的通信端數(shù)據(jù)，此外，還將使用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存其他服務(wù)器的信息。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以輕松幫助本地服務(wù)器建立與遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接，就像一個(gè)分層的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在不同的地區(qū)，并在當(dāng)?shù)亟⑺饕退饕夸洝?/p>

從單服務(wù)器系統(tǒng)到多服務(wù)器系統(tǒng)，由于多服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的高透明度，通信端操作不需要改變。當(dāng)用戶請(qǐng)求本地或遠(yuǎn)程服務(wù)器上的資源時(shí)，用戶不知道自己訪問的是哪個(gè)服務(wù)器，從通信端的角度來看，所有服務(wù)器都可以看作是一臺(tái)服務(wù)器。與單服務(wù)器系統(tǒng)相比，多服務(wù)器系統(tǒng)只改變了服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，使服務(wù)器能夠相互通信。對(duì)于通信端，架構(gòu)可以是相通的。當(dāng)一個(gè)通信端運(yùn)行兩個(gè)線程時(shí)將連接到服務(wù)器，一個(gè)讀、一個(gè)寫。

3.3 分布式實(shí)時(shí)通信模型評(píng)估

使用多服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)有許多好處，其效率高于單服務(wù)器系統(tǒng)。例如，如果一個(gè)任務(wù)有10個(gè)子任務(wù)，則每個(gè)子任務(wù)需要1 h才能完成，所以，使用單服務(wù)器系統(tǒng)需要10 h才能完成任務(wù)。但是如果系統(tǒng)有10臺(tái)服務(wù)器，可以同時(shí)處理10個(gè)子任務(wù)。理想狀態(tài)下完成任務(wù)只需要1 h左右，此外，故障容忍度比單服務(wù)器系統(tǒng)更高。例如，如果一個(gè)服務(wù)器在一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)中發(fā)生故障，那么所有的通信端都將受到影響。如果系統(tǒng)中有多臺(tái)服務(wù)器，其中，一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障不會(huì)影響其他服務(wù)器，用戶就可以在其他服務(wù)器上完成自己的任務(wù)。此外，多服務(wù)器系統(tǒng)的可擴(kuò)展性很高，因?yàn)榭梢栽黾踊驕p少多個(gè)服務(wù)器中的通信端數(shù)量，而不會(huì)影響系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

多服務(wù)器架構(gòu)也有缺點(diǎn)：首先，不同服務(wù)器的維護(hù)將花費(fèi)大量資源。其次，多服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)的安全性很難保證，因?yàn)槿魏我粋€(gè)服務(wù)器都有可能受到攻擊并引發(fā)問題。最后，由于服務(wù)器的位置和數(shù)量的限制，管理和復(fù)雜度控制變得困難。

4 加密實(shí)現(xiàn)

密碼學(xué)的基本概念是對(duì)信息進(jìn)行加密和解密。原始數(shù)據(jù)稱為明文，具體來說，通過使用一些算法和密鑰，可以將明文轉(zhuǎn)換為一些不規(guī)則的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被稱為“密文”，過程稱為加密，算法稱為加密算法。同理，只要得到密鑰和算法，解密就是加密的相反過程。在實(shí)時(shí)通信的過程當(dāng)中，通信的加密大致分為兩種，分別是對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密[3]。

4.1 證書和安全的套接層

在通信系統(tǒng)中，服務(wù)器擁有一個(gè)官方證書，可以看作是一個(gè)可靠的第三方[4]。服務(wù)器將向通信端授予公鑰證書，以便通信端可以獲取服務(wù)器的公鑰，然后通信端可以使用公鑰加密發(fā)送到服務(wù)器的信息。服務(wù)器可以使用自己的私鑰來解密信息，使用非對(duì)稱加密的方法保證信息準(zhǔn)確性。SSL協(xié)議為基于TCP/IP協(xié)議和通信端-服務(wù)器模型的Web應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)完整性和安全傳輸?shù)劝踩胧?shí)際上SSL協(xié)議可以看作是開發(fā)系統(tǒng)模型(Open System Infrastructure，OSI)中傳輸層和應(yīng)用層之間的中間件，給信息交互提供一個(gè)安全的信道[6]。

基于SSL協(xié)議連接的特點(diǎn)：首先，安全連接。當(dāng)初始握手完成后，SSL使用對(duì)稱加密方法協(xié)商密鑰。其次，SSL可以使用RSA等非對(duì)稱加密(公鑰)方法進(jìn)行身份驗(yàn)證。最后，由于數(shù)據(jù)中含有校驗(yàn)和以保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，所以，可以保證傳輸?shù)目煽啃訹7]。

4.2 加密信息交互

在通信系統(tǒng)中可以使用Java環(huán)境下的密鑰和證書管理工具(Key tool)。Key tool可以生成一個(gè)密鑰庫(kù)來存儲(chǔ)所有的密鑰和證書，此密鑰庫(kù)也受密碼保護(hù)。通信端和服務(wù)器將構(gòu)建一個(gè)安全套接字，以確保傳輸通道是安全的。在構(gòu)建過程中，服務(wù)器的證書將從服務(wù)器傳輸?shù)酵ㄐ哦嗽趥鬏攲雍蛻?yīng)用層之間它為信息交換、數(shù)據(jù)加密和通信端-服務(wù)器身份驗(yàn)證提供了一個(gè)安全的傳輸通道。

從分布式服務(wù)端通信架構(gòu)可以看出，首先，服務(wù)器會(huì)向通信端發(fā)送一條消息顯示證書，證書中包含服務(wù)器的公鑰和來自可靠第三方的身份驗(yàn)證。傳輸過程采用RSA算法進(jìn)行保護(hù)。通信端使用服務(wù)器的公鑰加密主控密鑰。服務(wù)器可以通過密鑰庫(kù)中的私鑰對(duì)其進(jìn)行解密。其次，服務(wù)器將使用其他算法生成主密鑰作為SSL會(huì)話的私鑰。此時(shí)一個(gè)對(duì)稱算法將在傳輸過程中保護(hù)信息，因?yàn)樗枰^少的時(shí)間來加密和解密。主密鑰是私鑰，還可以提高通信端與服務(wù)器之間的通信效率。加密信息交互的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)通信端將其私有信息傳輸?shù)椒?wù)器時(shí)，服務(wù)器將其放入處理塊中，并使用PBE算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

圖2 加密信息交互

然后將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。當(dāng)服務(wù)器需要調(diào)用或傳輸這些數(shù)據(jù)時(shí)，它將獲取數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行解密。基于密碼的加密(Password Based Encryption, PBE)算法是一種基于密碼和“鹽”(“salt”)概念的結(jié)合。Salt實(shí)際上是內(nèi)存中生成的一個(gè)隨機(jī)數(shù)[8]。這兩個(gè)因素結(jié)合后，還將采用其他多種加密算法對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行加密，被認(rèn)為是對(duì)稱加密算法的一個(gè)密集版本，因?yàn)闆]有建立新的加密算法，而是基于AES和DES等算法。因此，在服務(wù)器中來加密信息更安全。

5 結(jié)語

顯然，單服務(wù)器通信采用關(guān)鍵字同步的方式很容易控制并發(fā)問題，但還存在透明性、安全性和可擴(kuò)展性等問題。在單服務(wù)器系統(tǒng)中，透明度的某些部分沒有被覆蓋。另外，如果服務(wù)器發(fā)生故障，所有通信端都將受到影響。一臺(tái)服務(wù)器的能力也是有限的。對(duì)于分布式多服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)器之間可以通過簡(jiǎn)單的通信端-服務(wù)器模型進(jìn)行通信。此外，它還解決了單服務(wù)器模型中存在的一些透明性問題。而分布式加密通信也有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，可以使用SSL技術(shù)而不是普通的socket來保證傳輸?shù)陌踩裕€采用RSA算法對(duì)算法和私鑰進(jìn)行了加密，所以在SSL中存在雙重加密。其次，防止了其他人冒充官方服務(wù)器的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵诮SL的過程中需要驗(yàn)證服務(wù)器。再次，存儲(chǔ)在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)也是安全的，因?yàn)槭峭ㄟ^PBE算法加密的，降低信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。最后，所有的安全功能對(duì)用戶是透明的。但是此通信系統(tǒng)仍然有一個(gè)局限性。與其他對(duì)稱算法相比，PBE算法是安全的，但密碼也存儲(chǔ)在內(nèi)存中，服務(wù)器中的信息仍然存在被非法解密的風(fēng)險(xiǎn)。