图解支付系统安全设计（精华篇）

1. 序

今天和大家聊聊支付系统安全设计的图解一些核心知识点 。

进入正题前，支付继续先讲个小故事。系统

多年前国内还没有断直连
，安全我当时负责对接银行通道，设计因为银行对安全看得很重，精华部署了很多硬件加密机 ，图解在接口上也要求我们使用硬件加密机 。支付当时公司有上千名研发工程师，系统但都没有硬件加密机的安全使用经验 ，我是设计第一个 。当时还需要经常跑到机房去操作硬件加密机 ，精华因为硬件加密机的图解要求设计要求，香港云服务器很多管理操作是支付要多张IC卡加独立口令通过管理口登录才能进行，不能远程操作 。系统

记得第一次从加密机厂家提供的使用手册和技术规范读到主密钥 ，区域主密钥，工作密钥等概念 ，让我如同开了天眼 ：原来密钥还分这么多种，一个密钥还需要另外一个密钥来保护！

对接完渠道后，发现我们很多密钥都明文放在代码
、配置或数据库中，其实是不安全的，于是免费模板利用硬件加密机作为主密钥服务 ，设计了一套统一密钥存储与加解密系统，并推广到了全公司使用 。

在设计统一密钥存储与加解密系统过程中 ，啃了好几本密码学和信息安全方面的大部头书  ，所以支付安全相关的知识储备还是可以的。

在一些大型互联网公司或专业的支付公司，有专业的安全团队提供安全保障，但很多中小型公司其实是没有这方面的云计算技术或人才储备的 ，那么可以根据这篇文章做一个初步的了解：支付安全如何做。

以前发过一篇1万7千字的长文论述支付安全设计，这里抽取出精华部分
，想了解更多细节的，可以去找那篇“一文搞懂支付安全”看看 。

2. 前言

支付安全是支付系统最重要的根基之一 ，没有支付安全 ，在线支付系统就无从谈起
。但是模板下载安全又是一门很大的学科 ，涉及密码学，网络设备，法律法规，流程制度等方方面面
。

这里只谈一些和软件研发比较紧密的一部分内容
，不涉及网络防火墙等网络设备安全 。主要包括以下几点内容 ：

支付安全体系概要；常见加解密、加验签等密码学知识。统一密钥存储及加解密系统设计概要 。

3. 支付安全体系概要

3.1. 支付安全核心关注点

安全的范围很广，我们重点关注以下几点
：

传输安全：个人与支付平台 ，高防服务器商户与支付平台，支付与外部银行渠道都需要有数据传输。这些数据要求 ：1）不可被盗取。2）不可以篡改 。存储安全：个人敏感信息 ，密码信息，交易数据等，都需要被安全存储。交易安全 ：确保各交易方都是合法的（身份验证），交易内容是合法的（安全合规与防欺诈），交易数据是合法的服务器租用（防篡改防抵赖） 。

3.2. 支付安全体系大图

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制度是基础，指导各项安全措施落地。

3.3. 传输安全

这里的传输安全主要指支付平台和外部的数据传输，包括用户
、商户、银行渠道等 。

最简单的当然是加密后再传输。但是所有数据全部经过加密后再传输比较麻烦 ，还有一个办法就是直接把传输的管道进行加密
，然后传输明文数据 。

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SSL ，TLS，HTTPS，VPN ，专线等技术都是属于这类技术 。

3.4. 存储安全

存储安全不是简单地加密后保存到数据库  ，这样的成本太高。通常数据的安全级别是不一样的，下面是一个不太严谨的分级及应对手段 ：

支付密码：安全等级非常高 ，加密后存储，且加密用的主密钥需要保存到硬件加密机中。信用卡有关的敏感数据 ：安全等级高，加密后存储
，且需要单独保存在PCI区域，供年度检查认证。个人敏感数据：安全等级中，加密后存储 。普通交易数据
：安全等级低 ，明文存储。虽然是明文存储，但仍然受公司的安全网络设备保护。

需要留意的是，敏感信息是不能打印明文到日志中的 ，这是大家经常容易忽略的地方。

3.5. 交易安全

交易安全涉及的范围比较广 ，甚至上面说的传输安全和存储安全也可以纳入到交易安全的范围 。

严格意义上的交易安全通常指：确保各交易方都是合法的（身份验证），交易内容是合法的（安全合规与防欺诈）
，交易数据是合法的（防篡改防抵赖）。

身份验证 ：证明你是你
。比如登录密码，支付密码
，个人证书  ，手机验证码等 。

安全合规与防欺诈：买卖的交易标的是合法的（安全合规），没有被盗刷（欺诈交易）等。比如买卖国家保护动物就是非法不合规交易；支付密码被盗后的交易就是欺诈交易。

防篡改防抵赖：通过数字签名技术 ，防止数据被篡改或事后抵赖。比如商户发了一笔转账交易 ，事后说没有发过这笔交易，就是抵赖 。

4. 密码学知识入门

只要涉及到安全，就一定绕不开密码学 。上面提到的大部分问题在技术上的落地，基本上都是围绕密码学在打转。

4.1. 加解密算法

加解密算法的核心作用就是明文数据信息不被窃取。

4.1.1. 什么是加解密

加密是将明文通过一定的算法和密钥转换成无法识别的密文的过程 。比如把明文“123”转成“aexyeffidfdfwsd”。

解密则是加密的逆向过程 ，通过一定的算法和密钥将密文转换成明文的过程 。比如把密文“aexyeffidfdfwsd”转成“123”。

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4.1.2. 对称加密算法

对称加密是使用相同的密钥（称为对称密钥）进行加密和解密 。双方须共享相同的密钥。好处是使用简单且高效 ，缺点是密钥分发和管理容易泄露 。

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常见的对称加密算法有：

AES（Advanced Encryption Standard ，高级加密标准） ： 安全性高，速度快，密钥长度可变。广泛应用于网络通信 、文件加密 、数据库加密等领域。也是支付行业使用的主流对称加密算法。 DES（Data Encryption Standard，数据加密标准），3DES（Triple DES，三重数据加密标准）， RC4（Rivest Cipher 4），IDEA（International Data Encryption Algorithm）等都因为安全性不够，已经不再推荐使用 。

AES目前被认为是最安全和最常用的对称加密算法 ，推荐在支付行业使用  。密钥长度128比特当前够用 ，但推荐256比特。

AES在实际使用时，还需要有很参数要配置 ，比如加密模式就有CBC  ，ECB、CFB等 。

4.1.3. 非对称加密算法

非对称加密算法使用一对密钥（公钥和私钥）进行加密和解密 。这种加密方式具有密钥分离的特点，即公钥可以公开分发 ，而私钥则保密保存。

公钥用于加密数据，私钥用于解密数据，一定不能反过来。原因很简单  ，公钥大家都有，如果使用私钥加密，公钥解密，大家都可以解密，就没有安全性可言。

另外，非对称加密算法也用于签名验签，拿私钥签名 ，公钥验签（不能反过来） 。

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以下是一些常见的非对称加密算法：

RSA（Rivest-Shamir-Adleman）： 安全性高，可靠性强 ，广泛应用。用于加密通信、数字签名 、密钥交换等各种安全领域 。支付行业用得非常多。 ECDSA（椭圆曲线数字签名算法）
： 安全性高
，密钥短 。ECDSA是比特币（Bitcoin）和其他许多加密货币使用的签名算法。它基于椭圆曲线密码学（ECC），提供了与更大密钥的RSA算法相比更小的密钥尺寸，同时保持了相同的安全性。

RSA当前在支付行业应用非常广泛，推荐密钥长度为2048比特或以上 。

4.1.4. 数字信封加密算法

数字信封加密算法组合了对称加密
 、非对称加密 、数字签名和验签等多种加密技术。之所以经常被称为数字信封，是因为传输的数据就像放在信封里面，只有收件人才能打开信封查看明文。

比如经常看见的就是PGP（Pretty Good Privacy） 。最开始用于保护电子邮件，后面被广泛用于保护文件传输，比如支付平台和银行之间的文件。

PGP通常推荐使用RSA 2048和AES 256
，前者用于加密对称密钥和签名，后面用于加密大数据块。

它的原理是使用对称加密算法对要传输的数据进行加密 ，然后再使用接收方的公钥对对称密钥进行加密 ，再使用自己的私钥进行签名 ，最后将加密后的对称密钥和加密后的数据一起发送给接收方。接收方先使用对方的公钥进行验签，再使用私钥解密对称密钥，最后使用对称密钥解密数据 。

下图是数字信封加解密算法的完整过程：

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现在很多银行的打款文件要求使用PGP加密，因为文件里面有卡号等敏感数据。

4.2. 加验签算法

签名验签的核心作用就是防篡改和防抵赖 。只要有篡改 ，验签就通不过。因为加签密钥是私钥，只要用公钥验签通过  ，就说明是密钥持有人发出来的报文。

4.2.1. 什么是签名验签

签名 ：发送者将数据通过特定算法和密钥转换成一串唯一的密文串 ，也称之为数字签名，和报文信息一起发给接收方  。

验签 ：接收者根据接收的数据、数字签名进行验证
，确认数据的完整性，以证明数据未被篡改 ，且确实来自声称的发送方。如果验签成功 ，就可以确信数据是完好且合法的。

下面是一个极简的签名验签数学公式。

假设被签名的数据（m），签名串（Σ） ，散列函数（H），私钥（Pr），公钥（Pu） ，加密算法（S），解密算法（S^），判断相等（eq）。

简化后的数学公式如下 ：

签名：Σ=S[H(m), Pr] 。

验签：f(v)=[H(m) eq S^(Σ, Pu)]。

流程图如下 ：

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如果两个散列值相等，那么验签成功，消息（m)被认为是完整的，且确实来自声称的发送方。如果不一致，就是验签失败 ，消息可能被篡改，或者签名是伪造的。

现实中的算法会复杂非常多，比如RSA，ECDSA等，还涉及到填充方案，随机数生成，数据编码等 。

4.2.2. 常见签名验算法

常见的数字签名算法包括 ：

RSA（Rivest-Shamir-Adleman） ：RSA是一种基于大素数因子分解难题的非对称加密算法，被广泛应用于数字签名和密钥交换等领域 。 DSA（Digital Signature Algorithm）
：DSA是一种基于离散对数问题的数字签名算法，主要用于数字签名领域。 ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm） ：ECDSA是一种基于椭圆曲线离散对数问题的数字签名算法，具有比RSA更短的密钥长度和更高的安全性。 EdDSA（Edwards-curve Digital Signature Algorithm）：EdDSA是一种基于扭曲爱德华斯曲线的数字签名算法，具有高效性和安全性，被广泛用于加密货币等领域。

在普通在线支付场景来说，RSA使用最为广泛，密钥长度推荐2048比特。

5. 统一密钥存储及加解密系统设计概要

5.1. 密钥安全理论基础

明文数据被加密安全存储
，还需要考虑用于加密的密钥如何安全存储
。

密钥的重要性，有一个不成文的公式是这样的  ：密钥的价值 = 密文的价值 。比如你加密存储的密文价值10亿，那对应的密钥价值也有10亿。

密钥的管理涉及4个方面：密钥存储、更新、备份和恢复 
、废止和销毁。如果想要管好这些密钥，就需要建设一个统一的密钥存储服务
，否则密钥很容易被泄露 。

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密钥存储需要满足2个条件：

安全存储环境：密钥保存在特殊的安全环境中，包括服务器、网络环境 、硬件加密机等。最小权限原则：接触密钥明文的人越少越好 。

密钥分为主密钥和工作密钥，其中工作密钥用来加解密普通的业务数据
，而主密钥用来加解密工作密钥 。

一般来说主密钥应该存储在专门的硬件加密机中，官方也称硬件安全模块（HSM）中。特点是安全性极高，但是性能有限 ，且价格昂贵，管理复杂。

工作密钥一般由主密钥加密后保存在DB中，在需要的时候调用主密钥解密后，缓存在内存中 ，然后再去加解密普通的业务数据 。

以前在和银行对接时，工作密钥是合成的，支付平台生成一半 ，银行生成一半 ，各自输入到硬件加密机，生成一份工作密钥，受硬件加密机的主密钥保护。这样支付平台和银行都不知道工作密钥是什么 。

密钥更新机制：

需要定期更新
，减少被破解的风险
。自动定时更新 ，减少人为失误。‘版本控制和回滚：要有版本号，要能快速回滚。

5.2. 设计概要

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说明 ：

需要使用硬件加密机HSM生成并保存主密钥。工作密钥被主密钥加密后 ，保存到DB中。各应用调用密钥管理系统进行加密解密 、签名验签 ，保证密钥不被业务应用读取 ，减少泄露风险。

6. 常见工程问题

如何选择加密算法及密钥长度？

大数据块通常采用对称加密算法，一般是AE 128或AES 256
。比如大段的报文。

小数据块
，且涉及公开环境  ，通常采用非对称算法 ，一般是RSA 2048或RSA 4096。比如在前端把用户的密码使用公钥加密，后端使用私钥转加密。

文件类通常采用PGP，把整个文件加密后上传下载，既防窃取又防篡改
。

如何选择签名算法算法及密钥长度？

普通支付场景一般是RSA 2048 或RSA 4096。安全足够 ，各家都支持 。

什么场景下使用硬件加密机 ？

如果交易规模大，建议使用硬件加密机用于加密工作密钥
，否则出了安全问题，损失巨大 。