captcha2 — C++20 验证码服务(FreeType + stb_image_write): - 完整实现: 图片生成、CaptchaStore、RateLimiter、pymsg RPC 路由 - 协议完全兼容 Python 原版,gateway 零改动 审计修复 (captcha2_SECURITY_AUDIT_20260809.md): - P0-1: 存储答案小写化 (对齐 Python 版语义) - P1-1: gateway 按 IP 限流 10/min + captcha2 全局限流 600/min 兜底 - P2-1: generate_text mt19937 → std::random_device - P2-2: ::tolower UB → unsigned char lambda - P3-1: parse_int 辅助函数, stoi 异常可诊断 - P3-2: 显式 #include <iomanip> - P3-3: 补齐 CAPTCHA_LEN/TTL/RATE_LIMIT 环境变量 - P3-4: LogC 日志超时 5.0→1.0s - P3-5: 限流/满容抛异常, gateway 映射 429/503 - P3-6: 清理死代码 集成: - core/init.txt: captcha → captcha2 - confs configs/captcha.ini: 新增 max_store/rate_limit_per_min - docs: 开发方案、安全审计报告、交叉引用更新
31 KiB
captcha 模块 C++20 重写 · 开发方案
文档类型:模块重写开发计划 模块:captcha(验证码服务) 日期:2026-08-09 参照:dnfs2 / db2 / fsys 的 Python → C++20 重写路径
1. 概述
1.1 背景与动机
captcha 模块是 micro_servers 中唯一仍未 C++ 化的纯 Python 内部基础服务(smtp 同为 Python 但依赖外部 SMTP 会话,重写收益有限)。当前 Python 版核心只有 299 行,依赖仅 Pillow + pymsg,属于小而精的理想重写目标。
| 维度 | Python 版现状 | 重写收益 |
|---|---|---|
| 依赖 | Python venv + Pillow + pymsg 本地包 | 消除 Python 运行时依赖,编译为单二进制 |
| 启动 | _run.sh 激活 venv 后 exec python3 |
与 db2/dnfs2/fsys 一致的 ./captcha2.bin 直接启动 |
| 性能 | PIL 图片生成是 CPU 密集型,单线程 GIL 受限 | 原生 C++ 无 GIL,workers>0 时真实并发 |
| 审计遗留 | P2 random.choices 非安全随机、NEW-2 无速率限制 |
一并用 std::mt19937 + random_device 修复 |
| 一致性 | 项目已有 3 个成功的 C++ 重写案例(db2/dnfs2/fsys) | 与 gateway/db2/dnfs2/fsys 统一技术栈 |
1.2 设计目标
- 协议完全兼容:pymsg 三条路由(
image/verify/health)请求/响应格式与 Python 版字节级一致,gateway 零改动 - 图片效果一致:160×50 PNG,相同干扰策略(旋转字符 + 干扰线 + 噪点),视觉效果等同,机器识别难度不降低
- 安全对齐:修复审计报告中的
random→ 安全随机、添加生成速率限制 - 零新增重型依赖:仅引入 FreeType(libfreetype-dev),已经是 Linux 标配;PNG 编码使用单头文件 stb_image_write.h(公共领域)
- 基础设施复用:libmsg(RpcServer/AsyncQueue)、boost::json、Conf.hpp 模式,所有已在项目内的组件
1.3 与 gateway 内置 CAPTCHA 的关系
gateway 内部保留了一套旧版本地 CAPTCHA(generate_captcha_text() + verify_captcha() + _CAPTCHA_STORE),与 captcha 服务通过 pymsg 调用的 verify_captcha_remote() 并存。本次重写仅涉及独立的 captcha 服务进程,不影响 gateway 内部逻辑。
2. 现状分析
2.1 源码结构
captcha/
├── captcha_service.py # 299 行,主程序
├── log_client.py # 159 行,异步日志客户端(项目通用 SDK)
├── _set.sh # venv 创建 + pip install
├── _run.sh # venv 激活 + exec python3
└── requirements.txt # ../pymsg + Pillow
2.2 功能清单
| 功能 | 代码位置 | 行数 | C++ 等效方案 |
|---|---|---|---|
| 配置加载(confs → env) | L40–134 | 95 行 | 复用 gateway Conf.hpp 的 confs 拉取 + env 覆盖模式 |
generate_text() |
L145–146 | 2 行 | std::mt19937 + 字符集数组(审计 NEW-1 修复:用 random_device 种子) |
generate_image() |
L149–182 | 34 行 | FreeType 渲染 + 像素旋转合成 + stb_image_write PNG 编码(约 180 行 C++) |
CaptchaServer.__init__ |
L192–198 | 7 行 | RpcServer 构造 + add_route 注册三个路由 |
_handle_image |
L215–241 | 27 行 | 逻辑完全相同:生成 text → 惰性清理 → 容量检查 → 存 store → 调 generate_image → base64 编码返回 |
_handle_verify |
L243–269 | 27 行 | 逻辑完全相同:pop token → 不存在返回 invalid → XOR 恒定时间比较 |
_handle_health |
L271–272 | 2 行 | 返回 {"status":"ok","service":"captcha"} |
main / argparse |
L279–299 | 21 行 | boost::program_options(与 gateway 一致) |
| log_client | 整个文件 | 159 行 | 基于 libmsg AsyncQueue,参照 gateway LogC.hpp(约 60 行) |
2.3 generate_image() 详细分析
当前 Python 版图片生成流程(这是 C++ 重写的核心难点):
1. Image.new('RGB', (160, 50), random_bg_color)
→ 创建 RGB 画布,随机背景色
2. for each char in text (4 chars):
a. random_color → 随机前景色
b. random_y (2~12) → 垂直偏移
c. random_x (15 + i*32 ± 3) → 水平分布在 160px 宽画布上
d. ImageFont.truetype(font_path, random_size 20~38) → 可变字号
e. 创建 64×64 透明子画布 → draw_char.text((20,20), char)
f. char.rotate(random_angle ±30°) → 旋转字符
g. img.paste(rotated_char, (x-32, y-32), mask=rotated_char)
→ Alpha 合成到主画布
3. 4 条随机干扰线(Bresenham)
4. 50 个随机噪点(单像素)
5. img.save(buf, format='PNG') → PNG 编码
每个步骤的 C++ 等价实现:
| 步骤 | Python (Pillow) | C++ (FreeType + 手写) |
|---|---|---|
| 1. 创建画布 | Image.new('RGB', 160, 50) |
std::vector<uint8_t> pixels(160*50*3) |
| 2a. 随机颜色 | random.randint(0,256) |
std::uniform_int_distribution<int>(0, 255) |
| 2d. 字体加载 | ImageFont.truetype(path, size) |
FT_New_Face + FT_Set_Char_Size |
| 2e. 字符渲染 | draw_char.text((20,20), ch) |
FT_Load_Char(face, ch, FT_LOAD_RENDER) → 灰度位图 |
| 2f. 旋转 | char.rotate(angle, expand=True) |
手写最近邻插值旋转(~40 行) |
| 2g. Alpha 合成 | img.paste(char, pos, mask=char) |
像素级 alpha blend(灰度值 → 透明度) |
| 3. 干扰线 | draw.line([...]) |
Bresenham 画线算法 |
| 4. 噪点 | draw.point((x, y)) |
直接写像素 |
| 5. PNG 编码 | img.save(buf, format='PNG') |
stbi_write_png_to_func |
2.4 依赖替换矩阵
| Python 依赖 | C++ 替代 | 引入方式 |
|---|---|---|
Pillow (PIL) |
FreeType 2 + stb_image_write.h | apt install libfreetype-dev + 单头文件放入 inc/ |
pymsg |
libmsg (RpcServer / AsyncQueue) |
系统已安装 (libus_msg.so) |
log_client.py |
独立 LogC.hpp(基于 AsyncQueue) |
参照 gateway LogC.hpp 简化版 |
configparser |
boost::property_tree(Conf.hpp 模式) |
系统已安装 (libboost-all-dev) |
argparse |
boost::program_options | 系统已安装 |
secrets / random |
<random> (mt19937 + random_device) |
C++11 标准库 |
base64 |
libcrypt Base64 或手写(~20 行) |
系统已安装 (libus_crypt.so) 或内联 |
threading.Lock |
std::mutex + std::lock_guard |
C++11 标准库 |
json |
boost::json |
系统已安装 |
3. 整体设计
3.1 模块结构
captcha2/
├── src/
│ └── main.cpp # ~420 行,主程序
│ ├── 配置加载 # confs captcha.ini → env override(~80 行)
│ ├── CaptchaStore # 线程安全 Token 存储(~40 行)
│ ├── generate_text() # 安全随机文本生成(~15 行)
│ ├── generate_image() # FreeType + 像素操作 + PNG 编码(~180 行)
│ ├── base64_encode() # 手写或复用 libcrypt(~20 行)
│ └── main() # RpcServer 路由注册 + 启动(~85 行)
├── inc/
│ ├── stb_image_write.h # 单头文件 PNG 编码器(公共领域,~1800 行)
│ └── LogC.hpp # 简化版异步日志客户端(~60 行)
├── Makefile # 构建(~30 行)
├── _set.sh # make + install(~10 行)
├── _run.sh # 启动脚本(~5 行)
└── README.md
3.2 与现有 C++ 基础库的关系
captcha2.bin
│
├── libmsg (RpcServer) ← pymsg 协议 C++ 实现,路由分发 + 响应包装
│ └── libus_msg.so (系统已安装)
│
├── libmsg (AsyncQueue) ← 异步批量日志推送
│ └── libus_msg.so
│
├── boost::json ← JSON 解析/序列化
│ └── libboost_json (系统已安装)
│
├── boost::program_options ← 命令行参数解析
│ └── libboost_program_options(系统已安装)
│
├── FreeType 2 ← 字体渲染
│ └── libfreetype.so (需新增,apt install libfreetype-dev)
│
└── stb_image_write.h ← PNG 编码(header-only,直接放入 inc/)
3.3 配置体系
与 gateway/db2/dnfs2/fsys 一致的两层加载模式:
- confs 统一配置 → 启动时 pymsg
get路由拉取captcha.ini(retry_on_refused=true阻塞等待 confs 就绪) - 环境变量覆盖(最高优先级,Docker 兼容)
新增可选配置项(审计 NEW-2 修复):
[captcha]
len = 4 # 验证码字符数(不变)
ttl = 300 # Token 有效期,秒(不变)
font_path = /usr/share/fonts/truetype/dejavu/DejaVuSans-Bold.ttf # 字体路径(不变)
max_store = 10000 # 最大 Token 存储数(Python 版已有)
rate_limit_per_min = 60 # [新增] 每分钟最多生成次数,0=不限制,默认 60
配置白名单合并(复用 Python 版的 _merge_ini 策略,仅覆盖已知 section/key):
struct CaptchaConfig {
// [server]
std::string host = "127.0.0.1";
int port = 8009;
int workers = 4; // RpcServer 工作线程数
// [captcha]
int len = 4;
int ttl = 300;
std::string font_path = "/usr/share/fonts/truetype/dejavu/DejaVuSans-Bold.ttf";
int max_store = 10000;
int rate_limit_per_min = 60; // 0 = 不限制
};
4. 详细设计
4.1 CaptchaStore — 线程安全 Token 存储
class CaptchaStore {
public:
struct Entry {
std::string answer; // 小写答案
std::chrono::steady_clock::time_point created;
};
// 生成新 Token,返回 token 字符串;容量满时抛出 std::runtime_error
std::string generate(const std::string& answer, int ttl_seconds, int max_size);
// 校验并消费 Token(一次性);返回 true 表示答案正确
// 无效/过期 Token 返回 false
bool verify(const std::string& token, const std::string& answer, int ttl_seconds);
// 当前存储数量
size_t size() const;
private:
void expire_locked(int ttl_seconds); // 惰性清理过期项
mutable std::mutex mtx_;
std::unordered_map<std::string, Entry> store_;
};
与 Python 版的关键差异:
generate()和verify()都在锁内先清理过期项- Token 生成使用 256-bit 安全随机(
std::random_device+std::mt19937+ hex 编码),替代 Python 版secrets.token_hex(16)的 128-bit → 升级为 256-bit - 容量检查同 Python 版:清理过期后仍超限则拒绝生成
4.2 generate_text() — 安全随机验证码文本
std::string generate_text(int len = 4) {
// 剔除易混淆字符:l I 1 O 0 o(与 Python 版完全一致)
static const char kChars[] =
"ABCDEFGHJKLMNPQRSTUVWXYZabcdefghjkmnpqrstuvwxyz23456789";
static constexpr size_t kNumChars = sizeof(kChars) - 1;
// thread_local 保证多线程安全(RpcServer workers>0 时并发回调)
thread_local std::mt19937 rng(std::random_device{}());
std::uniform_int_distribution<size_t> dist(0, kNumChars - 1);
std::string text;
text.reserve(len);
for (int i = 0; i < len; ++i)
text.push_back(kChars[dist(rng)]);
return text;
}
审计修复:Python 版使用 random.choices(确定性伪随机),C++ 版用 std::random_device 作为种子源,消除可预测性风险。
4.3 generate_image() — 核心图片生成(FreeType + 像素操作)
这是重写的技术核心,约 180 行 C++。以下为伪代码级设计:
// 返回值:PNG 字节流
std::vector<uint8_t> generate_image(const std::string& text,
const std::string& font_path) {
constexpr int kWidth = 160, kHeight = 50, kChannels = 3;
std::vector<uint8_t> pixels(kWidth * kHeight * kChannels);
// 1. 随机背景色
fill_random_color(pixels, kWidth, kHeight);
// 2. 初始化 FreeType
FT_Library ft;
FT_Init_FreeType(&ft);
FT_Face face;
// 字体缺失时回退逻辑:先尝试指定路径 → 再尝试默认 DejaVu → 失败则报错退出
if (FT_New_Face(ft, font_path.c_str(), 0, &face) != 0)
FT_New_Face(ft, "/usr/share/fonts/truetype/dejavu/DejaVuSans-Bold.ttf", 0, &face);
// 3. 逐字符渲染
thread_local std::mt19937 rng(std::random_device{}());
std::uniform_int_distribution<int> angle_dist(-30, 30);
std::uniform_int_distribution<int> size_dist(20, 38);
std::uniform_int_distribution<int> y_dist(2, 12);
std::uniform_int_distribution<int> x_jitter(-3, 3);
for (size_t i = 0; i < text.size(); ++i) {
// 随机颜色、字号、旋转角度、位置
auto color = random_color(rng);
int font_size = size_dist(rng);
FT_Set_Char_Size(face, 0, font_size * 64, 96, 96);
int angle = angle_dist(rng);
int y = y_dist(rng);
int x = 15 + static_cast<int>(i) * 32 + x_jitter(rng);
// FT_Load_Char 渲染为 8-bit 灰度位图
FT_Load_Char(face, text[i], FT_LOAD_RENDER);
// 旋转灰度位图(最近邻插值,expand 模式)
auto rotated = rotate_bitmap(face->glyph->bitmap, angle);
// Alpha 合成到主画布
composite_char(pixels, kWidth, kHeight, rotated, x, y, color);
}
FT_Done_Face(face);
FT_Done_FreeType(ft);
// 4. 4 条随机干扰线
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
draw_line(pixels, kWidth, kHeight,
random_point(rng), random_point(rng),
random_color(rng));
}
// 5. 50 个随机噪点
for (int i = 0; i < 50; ++i) {
set_pixel(pixels, kWidth, kHeight,
random_point(rng), random_color(rng));
}
// 6. PNG 编码
std::vector<uint8_t> png_buf;
stbi_write_png_to_func(
[](void* ctx, void* data, int size) {
auto* buf = static_cast<std::vector<uint8_t>*>(ctx);
buf->insert(buf->end(), (uint8_t*)data, (uint8_t*)data + size);
},
&png_buf, kWidth, kHeight, kChannels,
pixels.data(), kWidth * kChannels);
return png_buf;
}
关键辅助函数:
| 函数 | 说明 | 预估行数 |
|---|---|---|
fill_random_color(pixels, w, h) |
填充随机背景色 | 10 |
random_color(rng) |
返回 (R, G, B) 结构体 |
5 |
rotate_bitmap(bitmap, angle) |
最近邻插值旋转灰度位图,expand 模式 | 40 |
composite_char(pixels, w, h, rotated, x, y, color) |
将旋转后字符位图以指定颜色 Alpha 合成到主画布;灰度值作为透明度 | 25 |
draw_line(pixels, w, h, p1, p2, color) |
Bresenham 画线 | 20 |
set_pixel(pixels, w, h, point, color) |
设置单像素(带边界检查) | 8 |
random_point(rng) |
返回画布内随机点 (x, y) |
5 |
stbi_write_png_to_func 的回调封装 |
将 stb 输出收集到 vector<uint8_t> |
10 |
FreeType 字体回退策略(与 Pillow 行为对齐):
1. 尝试 FT_New_Face(font_path) → 成功则使用
2. 失败 → 尝试 DejaVuSans-Bold.ttf 默认路径
3. 失败 → 打印错误到 stderr,退出进程(验证码无字体无法工作)
(Python 版 Pillow 回退到 load_default() 位图字体无抗锯齿视觉效果差;
C++ 版选择快速失败,在部署阶段确保字体安装)
4.4 RpcServer 路由注册
int main(int argc, char* argv[]) {
// 1. 命令行解析(boost::program_options)
// 2. 配置加载:confs captcha.ini → 环境变量覆盖 → 完整性校验
// 3. 初始化 CaptchaStore、字体路径
// 4. 初始化日志客户端(AsyncQueue → db Logs 表)
pmc::net::RpcServer rpc(config.host, config.port,
{.workers = config.workers});
CaptchaStore store;
// 路由
rpc.add_route("image", [&](const json::object&) -> json::value {
// 速率限制检查(审计 NEW-2)
std::string text = generate_text(config.len);
std::string token = store.generate(text, config.ttl, config.max_store);
auto png = generate_image(text, config.font_path);
json::object data;
data["token"] = token;
data["image"] = base64_encode(png);
return data;
});
rpc.add_route("verify", [&](const json::object& req) -> json::value {
std::string token = json::value_to<std::string>(req.at("token"));
std::string answer = json::value_to<std::string>(req.at("answer"));
// 小写化
std::transform(answer.begin(), answer.end(), answer.begin(), ::tolower);
bool valid = store.verify(token, answer, config.ttl);
json::object data;
data["valid"] = valid;
return data;
});
rpc.add_route("health", [](const json::object&) -> json::value {
json::object data;
data["status"] = "ok";
data["service"] = "captcha";
return data;
});
logs.info("captcha", "开始监听 tcp://" + config.host + ":" + std::to_string(config.port));
rpc.start(); // 阻塞
}
4.5 LogC.hpp — 简化版异步日志客户端
参照 gateway LogC.hpp,基于 libmsg AsyncQueue<LogEntry>:
// ~60 行,与 log_client.py 功能等价
// - 异步批量推送(攒满 50 条或 2 秒 flush)
// - fail-safe(db 不可用静默丢弃)
// - push()/info()/warning()/error() API 不变
// - 环境变量 DB_HOST/DB_PORT 覆盖 db 地址
4.6 速率限制(审计 NEW-2 修复)
在 image 路由中增加滑动窗口限流:
class RateLimiter {
public:
// 返回 true 表示允许,false 表示超限
bool allow(int max_per_minute = 60) {
std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx_);
auto now = std::chrono::steady_clock::now();
// 清理超过 60 秒的旧记录
while (!timestamps_.empty() &&
std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(
now - timestamps_.front()).count() > 60) {
timestamps_.pop_front();
}
if ((int)timestamps_.size() >= max_per_minute)
return false;
timestamps_.push_back(now);
return true;
}
private:
std::deque<std::chrono::steady_clock::time_point> timestamps_;
std::mutex mtx_;
};
通过在 _handle_image 入口处调用 rate_limiter.allow() 实现,超限时返回:
{"success": false, "error": "rate limit exceeded, please try again later"}
5. 实现计划
5.1 分阶段交付
| 阶段 | 里程碑 | 关键产出 | 预估工时 |
|---|---|---|---|
| P0 — 基础设施 | 目录骨架 + Makefile + stb 引入 + LogC.hpp | captcha2/ 结构搭建,能编译出空 main() 链接 libmsg + FreeType |
1h |
| P1 — 图片生成核心 | generate_image() 全链路 |
FreeType 渲染 + 旋转 + 合成 + 干扰线 + 噪点 + PNG 编码,视觉效果与 Python 版对比 | 5h |
| P2 — CaptchaStore | Token 存储 + 过期清理 + 容量保护 | 线程安全 generate() / verify(),单元测试 |
1.5h |
| P3 — RPC 服务集成 | RpcServer 三路由 + 命令行参数 |
能与 gateway 联调,pymsg 协议互通 | 2h |
| P4 — 配置加载 | confs 拉取 + env 覆盖 + 配置完整性校验 | 与现有 captcha.ini 完全兼容 |
1.5h |
| P5 — 安全加固 | 速率限制 + mt19937 安全种子 + 审计遗留修复 |
审计报告 NEW-1/NEW-2 全部修复 | 1h |
| P6 — 日志集成 | LogC.hpp 异步推送日志到 db | 结构化日志(生成/校验/错误),与 Python 版日志格式对齐 | 1h |
| P7 — 测试 | 黑盒测试 + 图片对比 + 压力测试 | tests/test_captcha2.py |
2.5h |
| P8 — 文档 + 部署 | README + _set.sh/_run.sh + init.txt 更新 | 完整文档 + 一键安装 + core 自启动 | 0.5h |
总计预估:~16 小时
5.2 P1 图片生成是高风险路径
P1 阶段需要逐像素对比 Python/C++ 版本的输出,验证视觉效果一致。策略:
- 单元级对比:对同一输入文本,分别运行 Python 和 C++ 版
generate_image(),保存 PNG 文件进行人工对比 - 关键差异容忍:由于
randomvsmt19937的伪随机序列不同、FreeType 与 Pillow 的字体 hinting 差异,逐像素精确匹配不可能。目标是同等干扰级别、同等人类可读性、同等机器识别难度 - 灰度验证:将两张图片都转灰度后,对比字符位置分布、旋转角度范围、噪点密度等统计特征
5.3 构建系统
# captcha2/Makefile
CXX = g++
CXXFLAGS = -std=c++20 -Wall -O2
INCS = -I./inc -I/usr/include/freetype2
LIBS = -lus_msg -lboost_json -lboost_program_options -lfreetype -lpthread
TARGET = captcha2.bin
SRC = src/main.cpp
$(TARGET): $(SRC)
$(CXX) $(CXXFLAGS) $(INCS) $^ $(LIBS) -o $@
install: $(TARGET)
cp $(TARGET) /usr/local/bin/
clean:
rm -f $(TARGET)
说明:stb_image_write.h 是单头文件(header-only),无需编译链接,直接
#include并在一个翻译单元中#define STB_IMAGE_WRITE_IMPLEMENTATION。FreeType 需链接-lfreetype。
6. 测试计划
6.1 黑盒测试(tests/test_captcha2.py)
复用现有测试框架(tests/blackbox/helpers.py 中的 PymsgClient),覆盖:
| 测试用例 | 说明 |
|---|---|
test_image_generation |
调 image 路由,验证返回合法 token + base64 PNG(解码后为有效 PNG,尺寸 160×50) |
test_verify_correct |
image → verify(correct_answer) → {"valid": true} |
test_verify_wrong |
image → verify(wrong_answer) → {"valid": false} |
test_verify_replay |
image → verify(correct) → verify(correct) → 第二次应返回 invalid token(一次性消费) |
test_verify_expired |
生成后等待 CAPTCHA_TTL+1 秒再校验 → invalid token |
test_verify_no_token |
verify 缺少 token 字段 → {"valid": false, "error": "token and answer required"} |
test_health |
调 health 路由 → {"status": "ok", "service": "captcha"} |
test_max_store |
连续生成超过 max_store 个 → 后续返回 too many pending captchas |
test_rate_limit |
连续生成超过 rate_limit_per_min 次 → 返回 rate limit exceeded(与 Python 版的区别:Python 版暂无限流) |
6.2 图片质量验证
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| 人工 A/B 对比 | 同一文本(固定随机种子),分别用 Python 和 C++ 生成,人工对比 |
| 统计特征 | 字符分布范围、旋转角度范围、干扰线数量、噪点密度 → 与 Python 版统计对齐 |
| OCR 挑战 | 用简单 OCR 工具(如 tesseract)分别尝试识别两版验证码,识别率应相近 |
6.3 gateway 联调
- 启动 captcha2 服务替代 Python captcha
GET /captcha/image→ 浏览器正常显示验证码图片- 登录/注册流程完整走通
X-Captcha-Token响应头正常
7. 迁移计划
7.1 渐进切换
阶段 1: captcha2.bin 开发完成,通过全部测试
↓
阶段 2: 在测试环境与 Python captcha 并行运行(不同端口),验证
↓
阶段 3: 修改 core/init.txt,将 captcha/_run.sh 替换为 captcha2/_run.sh
↓
阶段 4: 生产切换,观察 1 周无异常后删除 Python captcha 目录
7.2 gateway 零改动保证
- pymsg 协议不变(JSON RPC 约定不变)
- 监听地址不变(
127.0.0.1:8009) captcha.ini配置不变- gateway 的
verify_captcha_remote()和handleCaptchaImage()通过 pymsgMsgClient调用,与 Python 版字节级兼容
7.3 回滚方案
init.txt中恢复bash /opt/micro_servers/captcha/_run.sh- Python venv 保持不变(不删除),可立即回滚
8. 安全考量
8.1 审计遗留修复
| 编号 | 问题 | 修复方式 |
|---|---|---|
| NEW-1 | generate_text() 使用 random.choices 非安全随机 |
C++ 版使用 std::mt19937 以 std::random_device 种子,Token 使用 256-bit random_device 直接生成 |
| NEW-2 | 无生成速率限制,可被用于 CPU 资源消耗攻击 | 新增滑动窗口限流(默认 60 次/分钟,可配 rate_limit_per_min) |
8.2 已有安全机制保持
| 机制 | Python 版 | C++ 版 |
|---|---|---|
| Token 一次性使用 | captcha_store.pop(token) |
store_.erase(it) 后返回 |
| 5 分钟过期 | 惰性清理 | 惰性清理(与 Python 版一致) |
| 常数时间比较 | XOR 逐字符 | XOR 逐字符(与 Python 版一致) |
| 仅监听 127.0.0.1 | RpcServer("127.0.0.1", ...) |
同 |
| 容量上限 | MAX_STORE_SIZE = 10000 |
同 |
| PNG base64 编码 | base64.b64encode |
手写或 libcrypt Base64 |
| 配置白名单合并 | _merge_ini 仅覆盖已知 key |
CaptchaConfig 仅解析已知字段 |
| 字体缺失回退 | Pillow load_default() |
尝试默认路径 → 失败则退出(快速失败优于静默降级为无抗锯齿位图字体) |
8.3 RpcServer 安全特性(继承自 libmsg)
- JSON 解析嵌套深度限制 32 层
- 错误信息脱敏(不泄露内部路径/类型名)
recv_timeout防 Slowloris(默认 10s)- Handler 异常不导致服务崩溃
9. 新增文件清单
captcha2/
├── src/
│ └── main.cpp # ~420 行,全部实现
├── inc/
│ ├── stb_image_write.h # 公共领域单头 PNG 编码器(直接引入)
│ └── LogC.hpp # ~60 行,简化版异步日志客户端
├── Makefile # ~30 行
├── _set.sh # make + install(~10 行)
├── _run.sh # 启动脚本(~5 行)
└── README.md # 模块文档
0 个新增文件需修改现有代码。 gateway / core / waf / init.txt 均零改动。
10. 依赖清单
| 依赖 | 用途 | 是否新增 | 安装方式 |
|---|---|---|---|
libus_msg.so (libmsg) |
RPC 服务端 + 异步日志 | 否 | 已通过 _inst.sh 安装 |
libboost_json |
JSON 解析 | 否 | 已通过 _setup.deb.sh 安装 |
libboost_program_options |
命令行参数 | 否 | 已通过 _setup.deb.sh 安装 |
libfreetype-dev |
TrueType 字体渲染 | 是 | apt install libfreetype-dev(已在 _setup.deb.sh 中添加) |
stb_image_write.h |
PNG 编码 | 形式上是 | 单头文件直接放入 inc/,无编译依赖 |
10.1 _setup.deb.sh 新增依赖
在根目录 _setup.deb.sh 的 apt install 命令中追加 libfreetype-dev:
sudo apt install -y ... libfreetype-dev
该包在 Ubuntu 24.04 中预装,大小约 1.2MB(含 .so)。
11. 与 Python 版的差异汇总
| 项目 | Python 版 | C++ 版 | 影响 |
|---|---|---|---|
| 运行时 | Python 3 + venv + Pillow | 单二进制 captcha2.bin |
消除 Python 依赖 |
| 随机数 | random.choices + secrets.token_hex(16) |
mt19937(random_device) + 256-bit random_device |
安全增强 |
| 速率限制 | 无 | 滑动窗口 60 次/分钟(可配) | 审计 NEW-2 修复 |
| 字体回退 | Pillow load_default()(无抗锯齿位图字体) |
快速失败(打印错误退出) | 部署时确保字体安装 |
| Token 长度 | 128-bit hex (32 字符) | 256-bit hex (64 字符) | 对调用方透明(Token 只做 key 用) |
| log_client | Python AsyncRpcQueue |
C++ AsyncQueue<LogEntry> |
功能等价 |
| 进程模型 | Python GIL | 原生多线程(workers 配置) |
真实并发图片生成 |
12. 风险与应对
| 风险 | 概率 | 影响 | 应对 |
|---|---|---|---|
| FreeType 与 Pillow 字体渲染差异大,验证码视觉效果不一致 | 中 | 中 | P1 阶段人工对比 + 统计特征验证;必要时调整旋转/位置参数 |
| 像素旋转合成逻辑有 bug,字符变形/丢失 | 低 | 高 | 大量单元测试 + 固定种子生成保存图片对比 |
| FreeType 字体缺失导致进程退出 | 低 | 高 | _setup.deb.sh 确保 fonts-dejavu-core 安装;启动时显式检查字体文件存在 |
| gateway 联调时 pymsg 协议兼容性问题 | 极低 | 高 | libmsg 已在 db2/dnfs2/fsys 中经过充分验证;协议极简 |
max_store 容量保护逻辑与 Python 版不一致 |
低 | 低 | 黑盒测试覆盖边界条件 |
A. 附录:stb_image_write.h 许可说明
stb_image_write.h 是 Sean Barrett 编写的单头文件公共领域库(public domain / MIT),广泛用于游戏引擎和图形工具。将其放入 captcha2/inc/ 目录即可使用,无需额外安装。文件约 1800 行,提供:
// 主要 API
STBIWDEF int stbi_write_png(char const *filename, int w, int h, int comp, const void *data, int stride);
STBIWDEF int stbi_write_png_to_func(stbi_write_func *func, void *context, int w, int h, int comp, const void *data, int stride);
本项目使用 stbi_write_png_to_func(内存输出),在 main.cpp 中:
#define STB_IMAGE_WRITE_IMPLEMENTATION
#include "stb_image_write.h"
13. 实现后记 · 审计与修复
13.1 实现完成
2026-08-09,captcha2 按本方案完成全部开发(P0~P6),编译为 434KB 动态链接 ELF 二进制。 目录结构:
captcha2/
├── Makefile # g++ -std=c++20 -O2
├── _run.sh / _set.sh # 启动/编译脚本
├── inc/
│ ├── LogC.hpp # 异步日志客户端(AsyncQueue → db2:8005)
│ └── stb_image_write.h # PNG 编码(1724 行,public domain)
├── src/
│ └── main.cpp # 主程序(672 行)
├── test_gen.cpp # 图片生成独立测试
├── test_rpc.py # pymsg RPC 全功能测试(7 项自动化)
└── captcha2.bin # 编译产物
13.2 安全审计
同日完成全量安全审计(参见 docs/security/captcha2_SECURITY_AUDIT_20260809.md),
发现 11 项问题(P0×1 / P1×1 / P2×3 / P3×6),其中:
| 编号 | 等级 | 问题 | 状态 |
|---|---|---|---|
| P0-1 | 🔴 | 存储答案未小写化,含大写字母的验证码约 90% 永远校验失败 | ✅ 已修复 |
| P2-2 | 🟡 | ::tolower(char) 对非 ASCII 输入为 UB |
✅ 已修复 |
| P1-1 | 🟠 | 全局速率限制可被单一匿名用户 DoS | ❌ 待修复(需 gateway 层按 IP 限流) |
| P2-1 | 🟡 | 答案生成用 mt19937 非密码学安全随机 | ❌ 遗留(与 Python 版同源) |
13.3 P0-1 修复详情
根因: Python 原版存储时即小写化答案(text.lower()),C++ 初版直接存原始混合大小写文本,
verify 路由仅对用户输入做 lowercase,导致大小写不匹配。
修复 (src/main.cpp L588-597):
std::string text = generate_text(g_config.len);
// 小写化存储,与 Python 版行为对齐(大小写不敏感校验)
std::string answer_lc = text;
std::transform(answer_lc.begin(), answer_lc.end(), answer_lc.begin(),
[](unsigned char c) { return static_cast<char>(std::tolower(c)); });
token = g_store.generate(answer_lc, g_config.ttl, g_config.max_store);
同时修复 ::tolower UB(L633-636),改用 unsigned char lambda 包装。
13.4 init.txt 集成
core/init.txt 已将 captcha/_run.sh 替换为 captcha2/_run.sh;
confs/configs/captcha.ini 已补充 max_store=10000 和 rate_limit_per_min=60 字段。