面试题：Swift自定义IO流并实现数据加密传输

Question

在Swift中自定义一个类来模拟类似IO流的功能，要求该类能够对传输的数据进行加密和解密操作（可自行选择一种常见加密算法，如AES）。请详细说明类的设计思路、成员变量、方法以及如何与系统的文件操作或网络操作相结合来实现安全的数据传输，给出完整的关键代码片段。

Answer 1

设计思路

1. 类的定义：创建一个自定义类，用于处理数据的加密和解密，同时模拟IO流功能。
2. 加密算法选择：选择AES加密算法，Swift中可以使用CryptoKit库来实现AES加密。
3. 成员变量：包含加密密钥、初始化向量（IV）等用于加密和解密的必要参数。
4. 方法：设计加密方法、解密方法，以及模拟IO流的读取和写入方法。
5. 结合系统操作：在文件操作或网络操作中，在写入数据前调用加密方法，在读取数据后调用解密方法。

成员变量

1. 密钥（Key）：用于加密和解密的关键参数。
2. 初始化向量（IV）：增加加密安全性，通常长度固定。

方法

1. 加密方法：接受原始数据，使用AES算法进行加密并返回加密后的数据。
2. 解密方法：接受加密后的数据，使用AES算法进行解密并返回原始数据。
3. 模拟写入方法：接受数据，先加密再进行实际的文件或网络写入操作。
4. 模拟读取方法：进行实际的文件或网络读取操作，读取后解密并返回数据。

关键代码片段

import CryptoKit
import Foundation

class SecureIOStream {
    let key: SymmetricKey
    let iv: AES.GCM.Nonce
    
    init(key: SymmetricKey, iv: AES.GCM.Nonce) {
        self.key = key
        self.iv = iv
    }
    
    func encrypt(data: Data) throws -> Data {
        let sealedBox = try AES.GCM.seal(data, using: key, nonce: iv)
        return sealedBox.combined
    }
    
    func decrypt(data: Data) throws -> Data {
        let sealedBox = try AES.GCM.SealedBox(combined: data)
        return try AES.GCM.open(sealedBox, using: key, nonce: iv)
    }
    
    func writeToFile(data: Data, filePath: String) throws {
        let encryptedData = try encrypt(data: data)
        try encryptedData.write(to: URL(fileURLWithPath: filePath))
    }
    
    func readFromFile(filePath: String) throws -> Data {
        let encryptedData = try Data(contentsOf: URL(fileURLWithPath: filePath))
        return try decrypt(data: encryptedData)
    }
}

与系统操作结合示例

// 创建密钥和IV
let key = SymmetricKey(size: .bits256)
let iv = try! AES.GCM.Nonce(data: Data(count: AES.GCM.Nonce.byteCount))

let secureStream = SecureIOStream(key: key, iv: iv)
let originalData = "Hello, Secure World!".data(using: .utf8)!

// 写入文件
try secureStream.writeToFile(data: originalData, filePath: "/tmp/secureData")

// 读取文件
let decryptedData = try secureStream.readFromFile(filePath: "/tmp/secureData")
print(String(data: decryptedData, encoding: .utf8)!)

在网络操作中，类似地，在发送数据前调用encrypt方法，在接收数据后调用decrypt方法。例如，使用URLSession进行网络请求：

func sendDataOverNetwork(data: Data, url: URL) async throws {
    let encryptedData = try secureStream.encrypt(data: data)
    var request = URLRequest(url: url)
    request.httpMethod = "POST"
    request.httpBody = encryptedData
    let (_, _) = try await URLSession.shared.data(for: request)
}

func receiveDataFromNetwork(url: URL) async throws -> Data {
    let (data, _) = try await URLSession.shared.data(from: url)
    return try secureStream.decrypt(data: data)
}