WhatsApp 加密概述（技術(shù)白皮書）,whatsapp 免費(fèi)下載

WhatsApp 加密概述（技術(shù)白皮書）

目錄

簡介

術(shù)語

客戶端注冊

會話初始化設(shè)置

接收會話設(shè)置

交換信息

傳輸媒體和附件

群組消息

通話設(shè)置

狀態(tài)

實(shí)時(shí)位置（待填坑）

驗(yàn)證密匙

傳輸安全

結(jié)論

簡介

本白皮書提供了WhatsApp端到端加密系統(tǒng)的技術(shù)說明。

WhatsApp Messenger允許人們自由的交換消息（包括聊天，群聊，圖片，視頻，語音消息和文件），并在發(fā)快遞者和接收者之間使用端對端加密（在2016年3月31之后的版本）。

Signal協(xié)議是由Open Whisper Systems（非盈利軟件開發(fā)團(tuán)體）設(shè)計(jì)，是WhatsApp端對端加密的基礎(chǔ)。這種端對端加密協(xié)議旨在防止第三方和WhatsApp對消息或通話進(jìn)行明文訪問。更重要的是，即使用戶設(shè)備的密鑰泄露，也不能解密之前傳輸?shù)南ⅰ?/p>

本文檔概述了Singal協(xié)議在WhatsApp中的應(yīng)用。

術(shù)語

公鑰類型

·身份密鑰對（Identity Key Pair）——一個(gè)長期Curve25519密鑰對，安裝時(shí)生成。

·已簽名的預(yù)共享密鑰（Signed Pre Key）——一個(gè)中期Curve25519密鑰對，安裝時(shí)生成，由身份密鑰簽名，并定期進(jìn)行輪換。

·一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Keys）——一次性使用的Curve25519密鑰對隊(duì)列，安裝時(shí)生成，不足時(shí)補(bǔ)充。

會話密鑰類型

·根密鑰（Root Key）——32字節(jié)的值，用于創(chuàng)建鏈密鑰。

·鏈密鑰（Chain Key）——32字節(jié)的值，用于創(chuàng)建消息密鑰。

·消息密鑰（Message Key）——80個(gè)字節(jié)的值，用于加密消息內(nèi)容。32個(gè)字節(jié)用于AES256密鑰，32個(gè)字節(jié)用于HMACSHA256密鑰，16個(gè)字節(jié)用于IV。

客戶端注冊

在注冊時(shí)，WhatsApp客戶端將身份公鑰（public Identity Key）、已簽名的預(yù)共享公鑰（public Signed Pre Key）和一批一次性預(yù)共享公鑰（OneTime Pre Keys）發(fā)快遞給服務(wù)器。WhatsApp服務(wù)器存儲用戶身份相關(guān)的公鑰。WhatsApp服務(wù)器無法訪問任何客戶端的私鑰。

會話初始化設(shè)置

要與另一個(gè)WhatsApp用戶通信，WhatsApp客戶端需要先建立一個(gè)加密會話。加密會話一旦被創(chuàng)建，客戶端就不需要再重復(fù)創(chuàng)建會話，除非會話失效（例如重新安裝應(yīng)用或更換設(shè)備）。

建立會話：

1.會話發(fā)起人為接收人申請身份公鑰（public Identity Key）、已簽名的預(yù)共享公鑰（public Signed Pre Key）和一個(gè)一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Key）。

2.服務(wù)器返回所請求的公鑰。一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Key）僅使用一次，因此請求完成后將從服務(wù)器刪除。如果一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Key）被用完且尚未補(bǔ)充，則返回空。

3.發(fā)起人將接收人的身份密鑰（Identity Key）存為Irecipient，將已簽名的預(yù)共享密鑰（Signed Pre Key）存為Srecipient，將一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Key）存為Orecipient。

4.發(fā)起者生成一個(gè)臨時(shí)的Curve25519密鑰對——Einitiator

5.發(fā)起者加載自己的身份密鑰（Identity Key）作為Iinitiator

6.發(fā)起者計(jì)算主密鑰mastersecret=ECDH(Iinitiator,Srecipient)ECDH(Einitiator,Irecipient)ECDH(Einitiator,Srecipient)ECDH(Einitiator,Orecipient)。如果沒有一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Key），最終ECDH將被忽略。

7.發(fā)起者使用HKDF算法從mastersecret創(chuàng)建一個(gè)根密鑰（Root Key）和鏈密鑰（Chain Keys）。

接收會話設(shè)置

在建立長期加密會話后，發(fā)起人可以立即向接收人發(fā)快遞消息，即使接收人處理離線狀態(tài)。在接收方響應(yīng)之前，發(fā)起方所有的消息都會包含創(chuàng)建會話所需的信息（在消息的header里）。其中包括發(fā)起人的Einitiator和Iinitiator。當(dāng)接收方收到包含會話設(shè)置的消息時(shí)：

接收人使用自己的私鑰和消息header里的公鑰來計(jì)算相應(yīng)的主密鑰

接收人刪除發(fā)起人使用的一次性預(yù)共享密鑰（OneTime Pre Key）

發(fā)起人使用HKDF算法從主密鑰派生出相應(yīng)的根密鑰（Root Key）和鏈密鑰（Chain Keys）

交換消息

一旦建立了會話，通過AES256消息密鑰加密（CbC模式）和HMACSHA256驗(yàn)證來保護(hù)客戶端交換消息。

消息密鑰是短暫的且在每次發(fā)快遞消息后都會變化，使得用于加密消息的消息密鑰不能從已發(fā)快遞或已接收后的會話狀態(tài)中重建。

消息密鑰在發(fā)快遞消息時(shí)對發(fā)快遞人的鏈密鑰（Chain Key）進(jìn)行向前的“棘輪（ratchets）”派生而來。此外，每次消息巡回都執(zhí)行一個(gè)新的ECDH協(xié)議以創(chuàng)建一個(gè)新的鏈密鑰（Chain Key）。通過組合即時(shí)“哈希棘輪（hash ratchet）”和巡回“DH棘輪（DH ratchet）”提供前向安全。

通過鏈密鑰（Chain Key）計(jì)算消息密鑰（Message Key）

消息發(fā)快遞者每次需要新的消息密鑰時(shí)，計(jì)算如下：

1.消息密鑰（Message Key）=HMACSHA256(Chain Key,0x01)

2.鏈密鑰（Chain Key）隨后更新為：鏈密鑰（Chain Key）=HMACSHA256(Chain Key,0x02)

這樣形成向前“棘輪（ratchets）”鏈密鑰（Chain Key），這也意味不能使用存儲的消息密鑰推導(dǎo)出當(dāng)前或過去的鏈密鑰（Chain Key）值。

通過根密鑰（Root Key）計(jì)算鏈密鑰（Chain Key）

每一條發(fā)快遞的消息都附帶一個(gè)短期的Curve25519公鑰。一旦收到響應(yīng)，新的鏈密鑰（Chain Key）計(jì)算如下：

1.ephemeralsecret=ECDH(Ephemeralsender,Ephemeralrecipient)

2.鏈密鑰（Chain Key），根密鑰（Root Key）=HKDF(Root Key,ephemeralsecret)

一個(gè)鏈密鑰只能給一個(gè)用戶發(fā)消息，所以消息密鑰不能被重用。由于消息密鑰和鏈密鑰（Chain Keys）的計(jì)算方式，消息可能會延遲、亂序或完全丟失而不會有問題。

傳輸媒體和附件

任何類型的大附件（視頻，音頻，圖像或文件）也都是端對端加密的：

1.發(fā)件人（發(fā)消息的WhatsApp用戶）生成一個(gè)32字節(jié)的AES256臨時(shí)密鑰和一個(gè)32字節(jié)HMACSHA256臨時(shí)密鑰。

2.發(fā)件人通過AES256密鑰（CBC模式）和隨機(jī)IV給附件加密，然后附加使用HMACSHA256密文的MAC。

3.發(fā)件人將加密的附件以上傳到服務(wù)器以二進(jìn)制存儲。

4.發(fā)件人給收件人發(fā)快遞一個(gè)包含加密密鑰、HMAC密鑰、加密二進(jìn)制的SHA256哈希值和指向二進(jìn)制存儲的指針的加密消息

5.收件人解密消息，從服務(wù)器檢索加密的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，驗(yàn)證AES256哈希，驗(yàn)證MAC并解密為明文。

群組消息

傳統(tǒng)未加密的聊天應(yīng)用通常對群組消息使用“服務(wù)器扇出（serverside fanout）”來發(fā)群組消息。當(dāng)一個(gè)用戶向群組發(fā)消息時(shí)，服務(wù)器將消息分發(fā)給每一個(gè)群組成員。

而“客戶端扇出（clientside fanout）”是客戶端將消息發(fā)給每一個(gè)群組成員。

WhatsApp的群組消息基于上面列出的成對加密會話構(gòu)建，以便高效實(shí)現(xiàn)大量群組消息通過服務(wù)器扇出（serverside fanout）。這是通過Signal傳輸協(xié)議（Signal Messaging Protocol）的“發(fā)快遞者密鑰（Sender Keys）”來完成的。

WhatsApp群組成員第一次發(fā)消息到群組：

1.發(fā)快遞人生成一個(gè)隨機(jī)32字節(jié)的鏈密鑰（Chain Key）。

2.發(fā)快遞人生成一個(gè)隨機(jī)Curve25519簽名密鑰對。

3.發(fā)快遞人將32位鏈密鑰（Chain Key）和簽名密鑰中的公鑰組合成消息發(fā)快遞人密鑰（Sender Key）。

4.發(fā)件人用成對傳輸協(xié)議為每個(gè)群組成員單獨(dú)加密發(fā)快遞人密鑰（Sender Keys）。

所有后續(xù)發(fā)給該群組的消息：

1.發(fā)快遞人從鏈密鑰（Chain Key）中獲取消息密鑰（Message Key）并更新鏈密鑰（Chain Key）

2.發(fā)快遞人在CbC模式下使用AES256加密消息

3.發(fā)快遞人使用簽名密鑰（Signature Key）簽名密文

4.發(fā)快遞人將單個(gè)密文消息發(fā)給服務(wù)器，服務(wù)器將消息分發(fā)給所有群組成員

消息發(fā)快遞人鏈密鑰（Chain Key）的“哈希棘輪（hash ratchet）”提供向前安全。當(dāng)群組成員離開時(shí)時(shí)，所有剩下的群組成員都清除發(fā)快遞人密鑰（Sender Key）并重新生成。

通話設(shè)置

WhatsApp語音和視頻通話也是端對端加密。當(dāng)WhatsApp用戶發(fā)起語音或視頻通話時(shí)：

1.發(fā)起人與接收人建立加密會話（如果還沒有建立過）

2.發(fā)起人生成一個(gè)隨機(jī)32字節(jié)的安全實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（SRTP）主密鑰（master secret）

3.發(fā)起人向接收人發(fā)快遞一個(gè)包含安全實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（SRTP）主密鑰的加密消息用于發(fā)通話信號

4.如果應(yīng)答了呼叫，跟著發(fā)起安全實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（SRTP）呼叫

狀態(tài)

WhatsApp狀態(tài)加密方式和群組消息非常相似。給指定的一組接收人第一次發(fā)狀態(tài)遵循向群組第一次發(fā)消息相同的步驟。類似地，給同一組接收人發(fā)快遞后續(xù)狀態(tài)也遵循發(fā)群組消息相同的步驟。當(dāng)狀態(tài)發(fā)快遞人更改狀態(tài)隱私設(shè)置或從地址簿種刪除號碼來刪除接收人時(shí)，狀態(tài)發(fā)快遞人會清除發(fā)快遞人密鑰（Sender Key）并重新生成。

驗(yàn)證密鑰

WhatsApp用戶還可以驗(yàn)證與之通信用戶的密鑰，以便他們能夠確認(rèn)未授權(quán)的第三方（或WhatsApp）未發(fā)起中間人攻擊。通過掃描二維碼或通過比較60位數(shù)字來完成。

二維碼包括：

1.版本號

2.雙方的用戶身份

3.雙方完整的32字節(jié)身份公鑰

當(dāng)用戶掃描對方的二維碼時(shí)，將比較這些密鑰以確保二維碼中的身份密鑰與服務(wù)器檢索到的相匹配。

通過拼接兩個(gè)用戶身份密鑰的30位數(shù)字指紋來計(jì)算60位數(shù)字號碼。計(jì)算30位數(shù)字指紋步驟：

1.重復(fù)SHA512哈希身份公鑰和用戶標(biāo)識符5200次

2.獲取最后輸出哈希的前30個(gè)字節(jié)

3.將30個(gè)字節(jié)分成6組每組5字節(jié)的數(shù)據(jù)塊

4.通過解析每組5字節(jié)數(shù)據(jù)塊為bigendian無符號整形并且取模10萬次轉(zhuǎn)換為5個(gè)數(shù)字

5.把六組每組5個(gè)數(shù)字連接成30位數(shù)字

傳輸安全

WhatsApp客戶端和服務(wù)器之間所有通信都在單獨(dú)的加密通道內(nèi)分層。在Windows Phone、iPhone和Android上，這些端對端加密客戶端可以使用噪音管道（Noise Pipes），使用噪聲協(xié)議框架（Noise Protocol Framework）中的Curve25519、AESGCM和SHA256實(shí)現(xiàn)長期運(yùn)行的交互連接。

這為客戶端提供了一些不錯(cuò)的屬性：

1.極快的輕量級連接設(shè)置和恢復(fù)

2.加密隱藏元數(shù)據(jù)防止未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽。沒有透露連接用戶身份相關(guān)的信息。

3.服務(wù)器上不存儲客戶端的安全認(rèn)證信息。客戶端使用Curve25519密鑰進(jìn)行身份驗(yàn)證，因此服務(wù)器僅保存客戶端認(rèn)證公鑰（public authentication key）。如果服務(wù)器的用戶數(shù)據(jù)庫被入侵，也不會泄露個(gè)人認(rèn)證憑證。

結(jié)論

WhatsApp用戶之間的消息受到端對端加密協(xié)議的保護(hù)，因此第三方和WhatsApp都無法獲知消息內(nèi)容，消息只能由接收人解密。所有WhatsApp消息（包括聊天、群聊、圖片、視頻、語音消息和文件）和WhatsApp通話都受到端對端加密的保護(hù)。

WhatsApp服務(wù)器無法訪問WhatsApp用戶的私鑰，并且WhatsApp用戶可以選擇驗(yàn)證密鑰以確保其通訊完整。

WhatsApp使用的Signal協(xié)議庫是開源的，代碼：https://github.com/whispersystems/libsignalprotocoljava/

參考

維基百科：端到端加密

Signal協(xié)議中的雙棘輪算法

農(nóng)民伯伯翻譯

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