面试题：Node.js 网络通信协议自定义与解析中的安全性与扩展性设计

Question

设计一个用于金融交易的Node.js网络通信系统，需要自定义一套安全且可扩展的通信协议。协议不仅要保证数据传输的保密性、完整性和不可抵赖性，还要能方便地添加新的功能和消息类型。请详细说明协议设计思路、加密与认证机制、以及如何实现协议的无缝升级和扩展，同时分析可能面临的安全风险及应对措施。

Answer 1

协议设计思路

1. 消息结构：设计一个通用的消息头和消息体结构。消息头包含消息类型、版本号、长度等元信息，消息体承载具体的交易数据。例如：

// 消息头示例
{
  type: 'TRANSACTION',
  version: 1,
  length: 1024
}

2. 分层架构：采用分层架构，如应用层、传输层、网络层。应用层处理业务逻辑和协议解析，传输层负责数据的可靠传输（可基于TCP），网络层处理网络连接和路由。

加密与认证机制

1. 加密：
   • 对称加密：在交易双方建立连接时，协商一个对称加密密钥，用于对交易数据进行加密传输。例如使用AES算法。
   • 非对称加密：用于交换对称加密密钥。发送方使用接收方的公钥加密对称密钥，接收方用私钥解密获取对称密钥。
2. 认证：
   • 数字签名：发送方使用私钥对消息摘要进行签名，接收方使用发送方的公钥验证签名，确保消息的完整性和不可抵赖性。
   • 证书机制：引入数字证书，由可信的证书颁发机构（CA）颁发，用于验证通信双方的身份。

协议的无缝升级和扩展

1. 版本号：在消息头中包含版本号，接收方根据版本号选择合适的解析逻辑。当有新功能或消息类型添加时，增加版本号。
2. 插件机制：设计插件式架构，新的功能模块可以作为插件动态加载。例如，新的消息类型处理逻辑可以封装成插件，在运行时动态注册到系统中。

安全风险及应对措施

1. 中间人攻击：
   • 应对措施：使用SSL/TLS协议建立安全连接，保证数据传输过程中的加密和认证，防止中间人篡改数据。
2. 重放攻击：
   • 应对措施：在消息中添加时间戳或随机数，接收方验证时间戳的有效性或记录已接收的随机数，拒绝重复的消息。
3. 密钥管理风险：
   • 应对措施：采用安全的密钥生成、存储和分发机制。例如，使用硬件安全模块（HSM）存储密钥，定期更新密钥。