ESFramework 通信框架安全机制的设计与实现

      在分布式通信系统中，安全无疑是非常重要的。ESFramework通信框架提供了哪些安全保障了？由于ESFramework通信框架是应用层的开发框架，那么本文我们只讨论ESFramework通信框架在应用层涉及到的安全问题。如果黑客是在网络层或链路层进行攻击，位于应用层的系统是无能为力的。从应用层来说，安全的重要性主要体现在以下几个方面：
（1） 防止恶意用户使用格式不正确的消息来试探服务端。
（2） 防止通信的消息被恶意用户截获，或者，即使被恶意用户截获，也无法破解其内容。
（3） 防止恶意用户在未成功登录前，就向服务器发送格式正确的伪装消息。
（4） 防止恶意用户使用巨大数量的空连接来消耗服务器的资源。

      ESFramework通信框架内置了一些安全机制，以对上述的安全性提供一些保障，下面我们一一说明。

1.消息格式验证

      ESFramework通信框架定义了通信消息的总体格式（即消息必须由消息头Header和消息体Body构成），而为了支持快速开发，ESPlus则定义了消息的详细格式（如StreamMessageHeader、TextMessageHeader等）。

      当网络引擎（无论是服务端的还是客户端的）从网络上接收到一批二进制数据时，会尝试去解析它。如果解析时发现，这批二进制数据的格式不是我们预定义好的消息的格式时，将会认为其是非法消息。此时，网络引擎将会丢弃非法数据，并关闭对应的连接（如果引擎是基于TCP协议的），然后再触发INetEngine接口的InvalidMessageReceived事件。

  /// <summary>
  /// 当接收到不完整或无法解析的数据时触发该事件
  /// </summary>
  event CbGeneric<UserAddress, MessageInvalidType> InvalidMessageReceived;

      事件的参数UserAddress说明了非法消息来源于哪个用户地址；而MessageInvalidType参数则说明了非法消息的类型：

    /// <summary>
    /// 接收到的无效的消息分类。
    /// </summary>
    public enum MessageInvalidType
    {
        /// <summary>
        /// 正常消息。
        /// </summary>
        Valid = 0, 
        /// <summary>
        /// 消息尺寸溢出。
        /// </summary>
        MessageSizeOverflow,
        /// <summary>
        /// 无效的消息头
        /// </summary>
        InvalidHeader,
        /// <summary>
        /// 无效的标识符
        /// </summary>
        InvalidToken,
        /// <summary>
        /// 数据包长度不够
        /// </summary>
        DataLacked,
        /// <summary>
        /// 无效的客户端类型
        /// </summary>
        InvalidClientType
    }

       从该枚举可以看出，网络引擎收到的数据无法解析的愿意有几种：消息尺寸超过规定的大小，消息头无效、消息的标识符无效等。

2.消息加密

       对于一些关键的信息，是绝对不允许以明文的形式在网络上进行传送的。所以，消息在发送之前，必须进行加密。

      如果直接基于ESFramework通信框架开发（不使用ESPlus），那么，熟悉ESFramework通信框架骨架流程的朋友都知道IMessageTransformer接口，我们可以将其实现类的实例挂接在骨架流程的对应位置，以对进出的消息进行变形处理。所以，我们可以在IMessageTransformer的实现类中，完成对消息的加密和解密动作，比如，像这样：

    public class MessageEncryptor : IMessageTransformer
    {
        public IMessage CaptureBeforeSendMessage(IMessage msg)
        {
            //加密消息
            return Encrypt(msg);
        }

        public IMessage CaptureReceivedMessage(IMessage msg)
        {
            //解密消息
            return Decrypt(msg);
        }
    }

      如果使用的是ESPlus提供的Rapid引擎，由于Rapid内部在组装骨架流程时，是没有使用加密组件的，所以不能使用IMessageTransformer接口。但是，我们仍然可以在发送自定义信息时，保证信息的安全。我们是使用ICustomizeOutter发送自定义信息的，以Send方法为例：

  /// <summary>
  /// 向服务器发送信息。
  /// </summary>
  /// <param name="informationType">自定义信息类型</param>
  /// <param name="info">信息</param>
  void Send(int informationType, byte[] info);

      在调用Send方法之前，我们可以先将要发送的内容info进行加密，然后再发送加密后的结果。
      而在接收方，会调用ICustomizeHandler的HandleInformation方法来处理接收到的信息：  

  /// <summary>
  /// 处理来自客户端的自定义信息。
  /// </summary>
  /// <param name="sourceUserID">发送该信息的用户ID</param>
  /// <param name="informationType">自定义信息类型</param>
  /// <param name="info">信息</param>
  void HandleInformation(string sourceUserID, int informationType, byte[] info);

      在实现HandleInformation方法时，我们可以先解密info，然后再进行正常的业务处理。

      无论是挂接IMessageTransformer组件，还是在发送或接收自定义信息时，手动加解密信息，都要注意一点，那就是加解密都是要消耗CPU和内存资源的，对于那些高频通信的消息来说，这个开销是绝不可忽视的。所以，我们应该尽可能的只加密那些极其重要的消息/信息（根据MessageType或InfomationType来进行区分），而不是将所有的消息/信息一视同仁。

3.验证第一个消息

      有的恶意用户，在破解了消息的格式之后，会尝试在不登录的情况下，向服务器发送其他类型的请求消息。ESFramework通信框架支持在服务端对每个连接上收到的第一个消息进行验证，如果验证通不过，则将关闭对应的连接。验证第一个消息的组件的接口是IFirstMessageVerifier：

    public interface IFirstMessageVerifier
    {
        /// <summary>
        // 当每个TCP连接建立成功后，将会验证从该连接上接收到的第一个消息。如果通不过验证，服务端TCP引擎将会关闭对应的连接。
        /// </summary>
        /// <param name="firstMessage">TCP连接上的第一个消息</param>
        /// <param name="address">TCP连接的客户端地址</param>
        /// <returns>验证是否通过</returns>
        bool VerifyFirstMessage(UserAddress address , IMessage firstMessage);
    }

      我们可以实现这个接口，并将其注入到ITcpServerEngine对应的属性上。当VerifyFirstMessage方法返回false时，表示验证失败，此时，服务端网络引擎将会关闭对应的TCP连接。

      如果我们使用的是ESPlus提供的Rapid引擎，Rapid引擎内部已经实现了IFirstMessageVerifier接口来为我们验证第一个消息，它主要是保证第一个消息必须是Logon消息，再结合前面介绍的登陆账号密码验证，就可以解决恶意用户在未登录的情况下，就进行其它类型的业务请求的情况出现。

4.绑定连接（Session）

      当Logon消息中的帐号密码通过服务端的验证之后，服务端会将该帐号与对应的TCP连接绑定起来，构成一个完整的Session。如果该连接上接收到的后续消息中，只要发现消息头中的UserID与该TCP连接绑定的帐号不一致，则认为该消息为非法消息，此时，服务端网络引擎将会关闭对应的TCP连接。如此，可以防止用一个帐号登录成功后，再用另一个帐号来请求服务。

5.空连接

      到这里，我们已经解决了本文开始提出的前三个问题，这就保证了恶意用户无法向服务器发送恶意的消息了。但是，恶意用户在应用层还可以做一件事情，就是消耗服务端的TCP连接。对于每个已成功建立的TCP连接，服务端都要为其分配一定的资源并对其进行管理。如果恶意的用户和服务器之间建立很多空闲的连接，对服务器资源的消耗也是不可忽视的。

      ESFramework通信框架提供的服务端引擎ITcpServerEngine支持及时地关闭上述的恶意用户的空闲连接。ITcpServerEngine有一个ExpiredSpanInSecs属性，该属性的含义是：某个TCP连接连上后，如果在ExpiredSpanInSecs时间内服务端网络引擎都接收不到来自该连接的任何数据，则将关闭该连接。

      一般正常的TCP连接建立成功后，客户端会立即向服务器发送Logon消息进行登录。所以，这个机制是可以成立的。我们可以将ExpiredSpanInSecs设为一个有效值（如3s），来减轻空连接的影响。之所以说是“减轻”，而不是“消除”，是因为在应用层系统中，无法完全规避这个问题，就按照3秒钟的超时来说，你服务端关闭连接的速度一定赶不上恶意用户建立连接的速度。

      解决这个问题的更好办法，应该是在防火墙上做相关的策略设定，比如屏蔽掉恶意用户的IP地址，过滤由该地址发出TCP握手请求的Syn包，等等。