信息安全 商业场景训练营

这页把信息安全放到真实商业系统里学习。目标不是背 AES、RSA、SHA、JWT、TLS 这些名词，而是能解释一个开放接口如何防窃听、防篡改、防重放，敏感字段如何加密和脱敏，密码为什么不能可逆加密，密钥泄露后怎么止血和轮换。

训练目标

学完这页，你要能做到：

1. 区分编码、哈希、对称加密、非对称加密、数字签名、HMAC。
2. 解释 HTTPS/TLS 为什么使用“非对称加密协商密钥 + 对称加密传输数据”。
3. 设计开放接口的 appId、timestamp、nonce、bodyHash、signature 防篡改和防重放方案。
4. 设计身份证、手机号、银行卡等敏感字段的加密、脱敏、查询和审计方案。
5. 解释密码为什么用 BCrypt/Argon2/PBKDF2 慢哈希，而不是 AES、RSA、MD5。
6. 解释 JWT 是签名 Token，不是默认加密，payload 不能放敏感信息。
7. 设计密钥版本、轮换、禁用、泄露应急和审计。
8. 排查签名失败、时间戳失败、nonce 重复、证书过期、密钥版本不一致。

商业安全总图

以“医院系统调用医疗数据采集平台开放接口”为例：

flowchart TD
    A["医院系统"] --> B["HTTPS 传输防窃听"]
    B --> C["appId 识别调用方"]
    C --> D["timestamp + nonce 防重放"]
    D --> E["bodyHash 防正文被改"]
    E --> F["HMAC/RSA 验签防篡改"]
    F --> G["业务权限校验"]
    G --> H["敏感字段加密落库"]
    H --> I["脱敏展示和审计日志"]

注意：HTTPS 保护传输链路，接口签名保护业务报文完整性和调用方身份，两者不是互相替代关系。很多开放平台同时使用 HTTPS 和业务签名。

基础概念边界

概念	是否可逆	解决什么	例子
编码	可逆	数据表示转换	Base64、URL Encode
哈希	不可逆	摘要、完整性校验	SHA-256、SM3
HMAC	不可逆	带密钥的完整性校验	HMAC-SHA256
对称加密	可逆	用同一密钥加解密数据	AES、SM4
非对称加密	可逆	公钥加密、私钥解密	RSA、SM2
数字签名	不可逆校验	私钥签名、公钥验签	RSA-SHA256
TLS	协议	保护传输链路	HTTPS

常见误区：

1. Base64 不是加密，任何人都能解码。
2. MD5/SHA 不是加密，是哈希。
3. 密码不应该用 AES 加密保存，因为 AES 可逆。
4. JWT 普通 payload 只是 Base64Url 编码，不是加密。
5. RSA 不适合加密大报文，通常用于签名或密钥协商。

HTTPS/TLS 为什么这样设计

如果所有数据都用 RSA 加密，性能差且有长度限制；如果只用 AES，又无法安全把 AES 密钥交给对方。TLS 使用混合思路：

flowchart TD
    A["客户端发起握手"] --> B["服务端返回证书"]
    B --> C["客户端验证证书链"]
    C --> D["协商会话密钥"]
    D --> E["后续数据使用对称加密传输"]

为什么安全：

1. 证书证明服务端身份，防止访问假站点。
2. 非对称能力用于安全协商密钥。
3. 对称加密用于大量业务数据传输，性能更好。
4. 完整性校验防止密文被篡改。

证书过期、域名不匹配、信任链不完整都会导致 HTTPS 失败。

Demo 一：开放接口签名

请求头设计

X-App-Id: hospital-a
X-Timestamp: 1720000000000
X-Nonce: 6f0b9d6d8f5a4d5a
X-Body-Hash: base64(sha256(body))
X-Signature: base64(hmacSha256(canonicalString, secret))

签名原文

HTTP_METHOD
PATH
QUERY_STRING
TIMESTAMP
NONCE
BODY_HASH

示例：

POST
/api/open/collect/push
hospitalId=1001
1720000000000
6f0b9d6d8f5a4d5a
5xY...bodyHash

为什么要规范化签名原文？

1. 客户端和服务端必须对同一串内容签名。
2. 参数顺序、大小写、空格、编码不一致都会导致验签失败。
3. 规范化可以减少“我签了但你验不过”的问题。

Java HMAC Demo

public final class SignUtils {
    public static String hmacSha256Base64(String text, String secret) {
        try {
            Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
            SecretKeySpec key = new SecretKeySpec(
                    secret.getBytes(StandardCharsets.UTF_8),
                    "HmacSHA256"
            );
            mac.init(key);
            byte[] result = mac.doFinal(text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
            return Base64.getEncoder().encodeToString(result);
        } catch (GeneralSecurityException ex) {
            throw new IllegalStateException("签名失败", ex);
        }
    }

    public static String sha256Base64(byte[] body) {
        try {
            MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            return Base64.getEncoder().encodeToString(digest.digest(body));
        } catch (NoSuchAlgorithmException ex) {
            throw new IllegalStateException("摘要失败", ex);
        }
    }
}

服务端验签流程

flowchart TD
    A["收到请求"] --> B["检查 appId 是否存在"]
    B --> C["检查 timestamp 是否在窗口内"]
    C --> D["检查 nonce 是否已使用"]
    D --> E["计算 bodyHash"]
    E --> F["重建 canonicalString"]
    F --> G["用 secret 计算签名"]
    G --> H{"是否一致"}
    H -- "否" --> I["拒绝请求"]
    H -- "是" --> J["保存 nonce 并进入业务"]

nonce 要存 Redis：

String nonceKey = "openapi:nonce:" + appId + ":" + nonce;
Boolean first = redisTemplate.opsForValue()
        .setIfAbsent(nonceKey, "1", Duration.ofMinutes(5));
if (!Boolean.TRUE.equals(first)) {
    throw new SecurityException("重复请求");
}

如果没有 timestamp 和 nonce，攻击者抓到一次合法请求后可以反复重放。

Demo 二：敏感字段加密和脱敏

字段加密设计

create table patient_info (
  id bigint primary key,
  patient_no varchar(64) not null,
  id_card_cipher text not null,
  id_card_hash varchar(64) not null,
  phone_cipher text not null,
  phone_hash varchar(64) not null,
  key_version int not null,
  created_at datetime not null,
  updated_at datetime not null,
  index idx_id_card_hash (id_card_hash),
  index idx_phone_hash (phone_hash)
);

为什么同时存 cipher 和 hash？

1. cipher 用于需要授权查看明文时解密。
2. hash 用于等值查询，例如按身份证查人。
3. 加密后的密文通常不能直接做普通索引等值查询。
4. hash 要加盐或使用安全方案，避免被彩虹表反推。

Java AES-GCM Demo

public class FieldCryptoService {
    private final KeyProvider keyProvider;

    public EncryptedValue encrypt(String plainText) {
        int version = keyProvider.currentVersion();
        SecretKey key = keyProvider.getAesKey(version);
        byte[] iv = SecureRandom.getInstanceStrong().generateSeed(12);

        Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
        cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key, new GCMParameterSpec(128, iv));
        byte[] encrypted = cipher.doFinal(plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        return new EncryptedValue(
                version,
                Base64.getEncoder().encodeToString(iv),
                Base64.getEncoder().encodeToString(encrypted)
        );
    }
}

GCM 提供机密性和完整性校验。不要自己发明加密模式，不要固定 IV，不要把密钥写死在代码里。

脱敏展示

public String maskIdCard(String idCard) {
    if (idCard == null || idCard.length() < 8) {
        return "****";
    }
    return idCard.substring(0, 4) + "**********" + idCard.substring(idCard.length() - 4);
}

脱敏不是加密。脱敏是展示层减少泄露，加密是存储层保护数据。

密码为什么不能可逆加密

密码校验不需要知道原文，只需要判断用户输入是否匹配。因此应该使用慢哈希：

PasswordEncoder encoder = new BCryptPasswordEncoder();
String hash = encoder.encode(rawPassword);
boolean matches = encoder.matches(inputPassword, hash);

为什么不用 MD5：

1. 太快，容易被暴力破解。
2. 常见密码有彩虹表。
3. 没有合适工作因子。

为什么不用 AES：

1. AES 可逆，密钥泄露后所有密码明文暴露。
2. 密码系统应该避免任何人能解密出原密码。

JWT 安全边界

JWT 结构：

header.payload.signature

payload 是 Base64Url 编码，不是加密。不要放：

1. 身份证号。
2. 手机号。
3. 密码。
4. 详细权限列表。
5. 医疗敏感数据。

适合放：

1. userId。
2. tenantId。
3. tokenVersion。
4. issuer。
5. expireAt。

JWT 泄露后要能撤销，可以用短 access token、refresh token、Redis 黑名单或 tokenVersion。

密钥管理

flowchart TD
    A["生成密钥"] --> B["存入 KMS 或密钥系统"]
    B --> C["应用按权限读取"]
    C --> D["使用 keyVersion 加密"]
    D --> E["定期轮换新版本"]
    E --> F["旧数据逐步重加密"]
    F --> G["禁用旧密钥"]

密钥原则：

1. 不进 Git。
2. 不打印日志。
3. 不写死在镜像。
4. 最小权限访问。
5. 分环境隔离。
6. 定期轮换。
7. 泄露后能禁用和重加密。

生产排查流程

签名失败

flowchart TD
    A["签名失败"] --> B["appId 是否正确"]
    B --> C["secret 是否同版本"]
    C --> D["HTTP method/path 是否一致"]
    D --> E["query 参数排序是否一致"]
    E --> F["bodyHash 是否一致"]
    F --> G["编码和换行是否一致"]

重放校验失败

flowchart TD
    A["重放校验失败"] --> B["timestamp 是否超窗口"]
    B --> C["服务器时间是否同步"]
    C --> D["nonce 是否重复"]
    D --> E["Redis nonce key 是否冲突"]

HTTPS 失败

flowchart TD
    A["HTTPS 失败"] --> B["证书是否过期"]
    B --> C["域名是否匹配"]
    C --> D["证书链是否完整"]
    D --> E["客户端是否信任 CA"]
    E --> F["TLS 版本和加密套件是否支持"]

面试标准回答

对称加密和非对称加密区别

对称加密加密和解密使用同一把密钥，速度快，适合大量数据加密，例如 AES、SM4；非对称加密使用公钥和私钥，公钥加密私钥解密，或私钥签名公钥验签，速度较慢，适合身份认证、签名或密钥协商，例如 RSA、SM2。HTTPS 会用非对称能力协商会话密钥，再用对称加密传输数据。

接口签名怎么防篡改和防重放

开放接口通常用 appId 识别调用方，用 timestamp 限制请求时间窗口，用 nonce 保证同一请求不能重复使用，用 bodyHash 保证正文没被改，再把 method、path、query、timestamp、nonce、bodyHash 组成规范字符串，用 HMAC 或 RSA 签名。服务端重建同样字符串验签，验签通过后把 nonce 写入 Redis，防止抓包重放。

密码为什么不能加密保存

密码校验不需要还原明文，只需要判断输入是否匹配。可逆加密意味着密钥泄露后所有密码都会变成明文，所以密码应该用 BCrypt、Argon2、PBKDF2 这类带盐慢哈希保存，而不是 AES、RSA 或 MD5。

关联知识点

• 信息安全总览
• 加密基础
• HTTPS/TLS 全过程原理
• 开放接口签名与防重放
• 信息安全面试题
• Spring Security
• K8s Secret