Шифрование на уровне протокола

Простой

8 мин

8.4K

Как организовать шифрование на уровне протокола? На самом деле тема непростая и пожалуй (имхо) это как раз та самая тема, где прийти к компромиссу почти никогда не получается. Разве что просто не передавать чувствительные данные вовсе.

Я расскажу как шифрование можно организовать на уровне протокола brec и ни в коем случае не буду затрагивать те самые принципиальные решения, влияющие на безопасность (как передавать, куда передавать, отправлять ли, и хранить ли чувствительные данные вовсе). Иными словами нас интересует инструментальная сторона вопроса.

Итак в brec есть две дополнительные возможности: crypt и PayloadContext. Если crypt — это фича, которую нужно активировать, то контекст — это встроенный инструмент, который не обязательно должен быть связан с шифрованием, но без него организовать шифрование будет весьма накладно. Поэтому вначале коротко о том, что такое контекст и зачем он нужен.

Итак вы объявили простой протокол

use brec::prelude::*;
use serde::{Deserialize, Serialize};
use std::io::{Error, ErrorKind};

#[block]
pub struct MetaBlock {
    pub request_id: u32,
    pub level: u8,
}

#[payload]
#[derive(Serialize, Deserialize)]
pub struct GreetingPayload {
    pub message: String,
}

Давайте объявим примитивный контекст

#[payload(ctx)]
pub struct CounterContext {
    pub encoded: u32,
    pub decoded: u32,
}

impl CounterContext {
    fn extract<'a>(ctx: &'a mut crate::PayloadContext<'_>) -> std::io::Result<&'a mut Self> {
        match ctx {
            crate::PayloadContext::CounterContext(ctx) => Ok(ctx),
            crate::PayloadContext::None => Err(Error::new(
                ErrorKind::InvalidInput,
                "GreetingPayload expects PayloadContext::CounterContext",
            )),
        }
    }
    fn inc_encoded<'a>(ctx: &'a mut crate::PayloadContext<'_>) -> std::io::Result<()> {
        Self::extract(ctx)?.encoded += 1;
        Ok(())
    }
    fn inc_decoded<'a>(ctx: &'a mut crate::PayloadContext<'_>) -> std::io::Result<()> {
        Self::extract(ctx)?.decoded += 1;
        Ok(())
    }
}

Объявляем контекст мы с помощью макроса payload(ctx), который говорит brec — сделай из этой структуры контекст для всех моих Payload. Да, тут стоит упомянуть что контекст это про Payload, но не про Blocks.

Вот этот взявшийся ниоткуда «тип» crate::PayloadContext будет сгенерирован brec и включать наш контекст как crate::PayloadContext::CounterContext(ctx), то есть вы можете иметь несколько разных контекстов.

Теперь стоит обратить внимание на то как мы объявили чуть выше GreetingPayload. Если вы посмотрите на эту статью, то увидите разницу: вместо payload(bincode), мы указали лишь payload. Тем самым мы сказали brec — не применяй никаких встроенных кодеков (bincode — как раз ссылка на кодек), мы имплементируем его самостоятельно. Ниже я всё равно использую bincode внутри ручной реализации, но для brec это уже не встроенный кодек, а просто наш собственный код.

Это не сложно.

impl GreetingPayload {
    fn to_bytes(&self) -> std::io::Result<Vec<u8>> {
        bincode::serde::encode_to_vec(self, bincode::config::standard())
            .map_err(|err| Error::new(ErrorKind::InvalidData, err))
    }

    fn from_bytes(buf: &[u8]) -> std::io::Result<Self> {
        let (payload, _): (Self, usize) =
            bincode::serde::decode_from_slice(buf, bincode::config::standard())
                .map_err(|err| Error::new(ErrorKind::InvalidData, err))?;
        Ok(payload)
    }
}

impl PayloadEncode for GreetingPayload {
    fn encode(&self, ctx: &mut Self::Context<'_>) -> std::io::Result<Vec<u8>> {
        // Увеличим счётчик
        CounterContext::inc_encoded(ctx)?;
        // Кодируем наш Payload
        self.to_bytes()
    }
}

impl PayloadEncodeReferred for GreetingPayload {
    fn encode(&self, _ctx: &mut Self::Context<'_>) -> std::io::Result<Option<&[u8]>> {
        // Это можно имплементировать опционально, если хотим "дешёвый" доступ к нашим данным, что
        // увы не всегда возможно
        Ok(None)
    }
}

impl PayloadDecode<GreetingPayload> for GreetingPayload {
    fn decode(buf: &[u8], ctx: &mut Self::Context<'_>) -> std::io::Result<GreetingPayload> {
        // Увеличим счётчик
        CounterContext::inc_decoded(ctx)?;
        // Декодируем наш Payload
        Self::from_bytes(buf)
    }
}

impl PayloadSize for GreetingPayload {
    fn size(&self, _ctx: &mut Self::Context<'_>) -> std::io::Result<u64> {
        // Реализуем возможность узнать размер Payload
        Ok(self.to_bytes()?.len() as u64)
    }
}

impl PayloadCrc for GreetingPayload {
    // Это зачастую не нуждается в собственной имплементации.
    // Достаточно дефалтного
}

// Всё готово, вызываем генератор, который подвезёт
// - `Block`
// - `Payload`
// - `Packet`
// - `PayloadContext<'a>`
// - `PacketBufReader`
// - `Reader` / `Writer`
brec::generate!();

Думаю, что из этого кода теперь ясно видно за что именно отвечает контекст. Довольно тривиальная задача — расшарить данные между итерациями кодирования/декодирования без необходимости наличия глобальных сущностей. На практике эта тривиальная задача может превратиться в огромную головную боль, brec же содержит решение уже в коробке.

И тут важная деталь: контекст не делает состояние «скрытым» или «глобальным». Наоборот, он заставляет вас явно принести это состояние в точку чтения или записи. Это удобно и для тестов, и для producer/consumer кода: если payload требует дополнительных runtime‑данных, это видно прямо в API, а не спрятано где‑то в синглтоне.

И при чём тут шифрование? А как же нам ключи хранить? Не глобально же держать в памяти. Вот здесь как раз тот самый «мостик» к фиче crypt, которая активно использует контекст. Но прежде оговоримся — шифрованием покрывается только Payload. Это осознанное решение. Block'и остаются без шифрования всегда, как своего рода индекс для эффективного и быстрого поиска данных.

На первый взгляд это может казаться странным: если уж шифровать, то почему не всё сразу? Но в протоколе часто есть два разных слоя данных. Payload — это содержимое, где обычно и живёт чувствительная информация. Block'и — это метаданные, по которым удобно быстро фильтровать, маршрутизировать, искать и пропускать пакеты без полной распаковки. Если зашифровать всё целиком, то каждый такой сценарий потребует сначала расшифровать пакет, а значит потерять часть практической пользы от структуры протокола. Поэтому правило простое: чувствительное — в Payload, индексирующее и безопасное для раскрытия — в Block.

Итак добавляем фичу и вновь объявляем наш протокол

[dependencies]
brec = { version = "...", features = ["bincode", "crypt"] }
serde = { version = "1.0", features = ["derive"] }

use brec::prelude::*;
use serde::{Deserialize, Serialize};

#[block]
pub struct MetaBlock {
    pub request_id: u32,
    pub level: u8,
}

#[payload(bincode, crypt)]
#[derive(Serialize, Deserialize)]
pub struct GreetingPayload {
    pub message: String,
}

brec::generate!();

Обратите внимание как теперь мы объявили GreetingPayload, а именно через payload(bincode, crypt). Во‑первых, мы указали на использование встроенного кодека bincode, чтобы не писать кодек самим. Во‑вторых, мы указали через crypt, что GreetingPayload требует шифрования. При этом шифрование остаётся выборочным: payload'ы без crypt могут жить в том же протоколе и не требовать криптографического контекста.

Давайте посмотрим как теперь с этим работать

const EXAMPLE_PUBLIC_KEY_PEM: &str = r#"-----BEGIN PUBLIC KEY----- ... -----END PUBLIC KEY-----"#;

const EXAMPLE_PRIVATE_KEY_PEM: &str = r#"-----BEGIN PRIVATE KEY----- ... -----END PRIVATE KEY-----"#;

const KEY_ID: &[u8] = b"some_crypt_demo-key";

fn encode(
    message: String,
    request_id: u32,
    level: u8,
) -> Result<Vec<u8>, Box<dyn std::error::Error>> {
    // Создадим пакет. Никакого шифрования.
    let mut packet = Packet::new(
        vec![Block::MetaBlock(MetaBlock { request_id, level })],
        Some(Payload::GreetingPayload(GreetingPayload {
            message,
        })),
    );

    // Теперь создадим контекст, который нам стал доступен при активации фичи `crypt`
    let mut encrypt = EncryptOptions::from_public_key_pem(EXAMPLE_PUBLIC_KEY_PEM)?
        .with_key_id(KEY_ID.to_vec());
    let mut encrypt_ctx = PayloadContext::Encrypt(&mut encrypt);

    // Записали пакет, наш GreetingPayload внутри пакета будет зашифрован
    let mut bytes = Vec::new();
    packet.write_all(&mut bytes, &mut encrypt_ctx)?;

    Ok(bytes)
}

fn decode(
    bytes: Vec<u8>,
) -> Result<Packet, Box<dyn std::error::Error>> {
    use std::io::Cursor;

    // Создаём контекст для декодирования
    let mut decrypt = DecryptOptions::from_private_key_pem(EXAMPLE_PRIVATE_KEY_PEM)?
        .with_expected_key_id(KEY_ID.to_vec());
    let mut decrypt_ctx = PayloadContext::Decrypt(&mut decrypt);

    // Читаем пакет
    let mut source = Cursor::new(bytes.as_slice());
    let mut reader = PacketBufReader::new(&mut source);

    match reader.read(&mut decrypt_ctx)? {
        NextPacket::Found(packet) => Ok(packet),
        NextPacket::NotEnoughData(_) =>
            Err("unexpected read status: NotEnoughData".into()),
        NextPacket::NoData => Err("unexpected read status: NoData".into()),
        NextPacket::NotFound => Err("unexpected read status: NotFound".into()),
        NextPacket::Skipped => Err("unexpected read status: Skipped".into()),
    }
}

Конечно для компактности примера наши ключи лежат в памяти, лежат статично. Но это лишь демонстрация. На практике вы создаёте EncryptOptions / DecryptOptions, передаёте в producer / consumer и не вспоминаете. То есть ключевой материал и политика шифрования принадлежат вашему приложению, а PayloadContext просто аккуратно доносит их до payload‑кодека в момент записи или чтения.

И здесь вполне честно возникает вопрос: а зачем вообще активировать crypt, если можно сделать payload с полем bytes: Vec<u8>, зашифровать эти байты где‑то снаружи, а потом уже передать их в brec? Это абсолютно рабочий путь. Более того, в большом количестве систем именно так и делают: протокол видит просто bytes, а криптографический слой живёт отдельно. Если у вас уже есть такой слой, он проверен, покрыт аудитом, умеет ротацию ключей, версионирование, key id, envelope‑формат и ошибки, то переход на модель brec + crypt не имеет явных предпосылок.

Смысл crypt не в том, что без него шифрование невозможно. Смысл в том, что brec берёт на себя повторяющуюся и неприятную протокольную часть: сериализовать payload, завернуть его в единый crypto envelope, записать туда версию, алгоритм, session id, RSA‑wrapped session key, nonce, ciphertext/tag и опциональный key_id, а на чтении проверить всё это в обратную сторону. Иными словами crypt убирает из прикладного кода самодельный контейнер вокруг Vec<u8>. Вы продолжаете работать с типизированным GreetingPayload, а не с «мешком байт», который надо не забыть расшифровать, проверить, распарсить и правильно сопоставить с ключом.

Да, любая встроенная криптографическая фича расширяет поверхность кода, который должен быть корректным. Это не бесплатная магия. Но альтернатива с ручным bytes тоже расширяет поле для ошибок, только уже в каждом конкретном приложении: кто‑то забудет key id, кто‑то не заложит версию envelope, кто‑то будет неочевидно переиспользовать сессионный ключ, кто‑то смешает ошибки декодирования и ошибки расшифровки. В brec этот риск концентрируется в одном небольшом и явном месте, где используются готовые примитивы (ChaCha20Poly1305 для payload body и RSA‑OAEP‑SHA256 для session key), есть формат envelope и единая модель ошибок. Поэтому выбор тут прагматичный: если вам нужен полный контроль или уже есть свой криптографический слой — используйте Vec<u8> и ручной путь. Если же вам нужно шифрование именно как часть brec‑протокола, без размазывания boilerplate по producer/consumer коду, crypt даёт более ровный и проверяемый маршрут.

Утомлять более техническими деталями и перечнем поддерживаемых методов и конфигурации для EncryptOptions / DecryptOptions я не буду, для этого есть документация, но как всегда, призываю поделиться «звездочкой» на GitHub. Для вас это просто клик, а для меня — обратная связь и мотивация не забрасывать проект, а развивать его дальше. Заранее лучи добра и света каждому, кто не пройдёт мимо. ЗЫ: каждый раз, когда прошу отметить проект звездой на GitHub, чувствую себя как onlyfuns модель ) только вот показывать кроме кода особо и нечего ) В общем поддержите, если не трудно, если трудно, то и не надо )

Спасибо.

此内容由惯性聚合(RSS阅读器)自动聚合整理，仅供阅读参考。原文来自 — 版权归原作者所有。

推荐订阅源

Все публикации подряд на Хабре

Шифрование на уровне протокола