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Signal

Signal

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Signal是一款由非营利组织Signal基金会（Signal Foundation）及其子公司Signal Messenger LLC开发的开源加密通讯软件，旨在为用户提供高度安全的即时消息、语音通话和视频通话服务。它最初由Open Whisper Systems于2014年推出（iOS版本），并在随后几年逐步扩展到Android和桌面平台（如Windows、macOS和Linux）。Signal的核心特点是其端到端加密技术，确保只有通信的发送方和接收方能够解密并查看消息内容，服务提供商（包括Signal自身）无法访问用户的通信数据。该通讯工具支持简体中文版本。
值得注意的是，Signal目前在中国是不能直接使用的，无论官网还是应用都是被屏蔽的。但是依然有很多翻墙用户在使用它，如果在中国不会翻墙又希望使用端到端加密的通讯工具，苹果公司的iMessage和Facetime是一个不错的选择，不过记得在使用前将iCloud中将iMessage和Facetime同步到云上贵州选项关闭。
Signal Homepage

主要特点

  1. 端到端加密：
    • Signal采用Signal协议（原名TextSecure协议），结合了双棘轮算法（Double Ratchet Algorithm）、预密钥（prekeys）和三次椭圆曲线Diffie-Hellman（3-DH）握手等技术，使用Curve25519、AES-256和HMAC-SHA256等加密原语。这种加密方式确保即使消息被拦截，也无法被第三方解密。
    • 加密密钥存储在用户设备上，而不是服务器端，进一步降低了数据泄露的风险。
  2. 开源性：
    • Signal的客户端和服务器代码基于AGPL-3.0许可，完全开源。这意味着任何人都可以审查其代码，验证其安全性和隐私承诺。开源性质使其受到安全专家和隐私倡导者的广泛信任。
  3. 隐私保护：
    • Signal几乎不收集用户元数据，仅保留注册时的电话号码和最后一次连接服务器的时间。它不会存储用户的联系人列表、聊天记录或通话内容。
    • 提供可选功能，如隐藏电话号码、设置消息自动删除（可设定时间范围，例如1分钟到4周），以及验证通信对象身份的安全码。
  4. 跨平台支持：
    • Signal可在iOS、Android及桌面设备上使用，注册需绑定电话号码。桌面版本需通过移动设备激活。
    • 支持群聊（最多1000人）、语音和视频通话（支持多人群组通话）以及文件传输（如图片、视频和文档）。
  5. 用户体验：
    • Signal界面简洁，功能类似于主流消息应用（如WhatsApp），包括表情包、贴纸和阅后即焚的图片/视频功能。
    • 2020年，Signal推出人脸模糊工具，便于抗议者分享内容时保护隐私。

发展与资金来源

  • Signal由Moxie Marlinspike（一位著名安全研究者和黑客）和WhatsApp联合创始人Brian Acton于2018年共同创立的Signal基金会支持。Acton提供了5000万美元的初始资金。
  • 该应用不依赖广告或投资者，完全通过捐款运营。2023年，Signal表示其2025年的运营成本预计为5000万美元，目标是依靠小额捐款实现可持续发展。

用户群体与影响

  • Signal的用户数量从2020年的1200万增长到2024年的7000万，尤其在隐私敏感事件（如2020年弗洛伊德抗议活动和2021年美国国会骚乱）后下载量激增。
  • 它被广泛用于记者、活动家、技术爱好者和需要安全通信的普通用户中。Edward Snowden等知名人士也公开推荐过Signal。

安全性与局限性

  • 优点：专家普遍认为Signal的加密技术是消费级通讯工具中的“金标准”。其端到端加密被WhatsApp、Google Messages和Facebook Messenger等应用借鉴。
  • 潜在风险：
    • 如果设备被物理盗取或感染恶意软件（如键盘记录器），加密可能失效。
    • 用户错误（如将消息发错人）也可能导致泄露，2025年美国防部事件就是一个例子。

Signal协议的技术细节

Signal协议（Signal Protocol，前身为TextSecure协议）是由Open Whisper Systems开发的一种先进的端到端加密协议，旨在为即时通讯提供高度安全性和前向保密性。它结合了多种密码学原语和技术，确保消息、通话和其他数据的隐私性。以下是对Signal协议核心技术细节的深入解析：

1. 协议目标与特性

Signal协议设计的核心目标包括：
  • 端到端加密：只有通信的双方可以解密消息，中间人（包括服务器）无法访问明文。
  • 前向保密性（Forward Secrecy）：即使长期密钥泄露，过去的会话数据仍无法被解密。
  • 后向保密性（Future Secrecy）：如果当前密钥泄露，未来的会话仍可保持安全。
  • 可否认性（Deniability）：通信双方可以合理否认消息的真实性（通过某些机制防止第三方证明消息来源）。
  • 异步支持：支持离线消息传递。
这些特性通过复杂的密钥管理和加密算法实现。

2. 核心组件

Signal协议由几个关键密码学机制组成，主要包括：
双棘轮算法（Double Ratchet Algorithm）
  • 概述：双棘轮算法是Signal协议的核心创新，结合了对称密钥棘轮和Diffie-Hellman（DH）密钥交换的棘轮机制，用于动态生成和更新加密密钥。
  • 工作原理：
    • DH棘轮：每次通信双方交换消息时，通过椭圆曲线Diffie-Hellman（ECDH）生成新的临时密钥对，确保前向保密性。
    • 对称密钥棘轮：在消息发送过程中，使用密钥派生函数（KDF）从当前密钥生成下一个密钥，用于加密后续消息。
    • 双重性：DH棘轮提供长期密钥更新（会话级），对称密钥棘轮提供短期密钥更新（消息级），形成“双重棘轮”效应。
  • 优势：即使某一消息的密钥泄露，后续消息仍安全，因为密钥不断更新且不可逆。
扩展三重Diffie-Hellman握手（X3DH）
  • 概述：X3DH是Signal协议用于初始密钥交换的机制，支持异步通信（一方离线时仍可建立安全会话）。
  • 流程：
    1. 预密钥（Prekeys）：接收方在服务器上存储一组预生成的一次性公钥（Prekey）和一个签名公钥（Signed Prekey），以及一个长期身份公钥。
    2. 发起方操作：
      • 发起方从服务器获取接收方的公钥束（Identity Key, Signed Prekey, Prekey）。
      • 使用自己的身份私钥和临时私钥，与接收方的公钥执行三次ECDH计算，生成共享密钥（Master Secret）。
    3. 密钥派生：共享密钥通过HKDF（HMAC-based Key Derivation Function）生成会话的根密钥（Root Key）。
  • 安全性：
    • 三次ECDH增加了攻击难度，确保即使部分密钥泄露，仍然难以推导出最终密钥。
    • 预密钥机制允许异步通信，同时限制服务器的元数据收集。
密钥管理
  • 根密钥（Root Key）：由X3DH生成，作为会话的初始密钥，用于后续棘轮过程。
  • 链密钥（Chain Key）：由根密钥派生，用于对称棘轮，每次消息发送时更新。
  • 消息密钥（Message Key）：由链密钥通过KDF生成，用于加密单条消息，之后立即丢弃。
  • 棘轮步骤：每次发送或接收消息时，链密钥和消息密钥都会单向更新，确保前向保密性。
加密与完整性
  • 加密算法：使用AES-256（CBC模式或GCM模式）对消息明文进行加密。
  • 完整性校验：通过HMAC-SHA256生成消息认证码（MAC），确保消息未被篡改。
  • 封装格式：加密后的消息包含头信息（用于密钥同步）和密文，头信息本身也被加密保护。

3. 使用的密码学原语

Signal协议依赖以下标准化的密码学工具：
  • 椭圆曲线加密（ECC）：
    • 使用Curve25519（一种高性能椭圆曲线）进行ECDH密钥交换，提供128位安全强度。
    • 签名使用Ed25519（基于Curve25519的变体），用于验证预密钥的真实性。
  • 对称加密：
    • AES-256用于消息加密，支持CBC（带填充）和GCM（带认证）模式。
  • 密钥派生：
    • HKDF（基于HMAC-SHA256）用于从共享密钥生成各种用途的子密钥。
  • 消息认证：
    • HMAC-SHA256确保消息完整性和来源可信性。

4. 协议工作流程示例

以下是Signal协议在典型双人聊天中的简化工作流程：
  1. 会话初始化：
    • 用户A向服务器请求用户B的公钥束（Identity Key, Signed Prekey, Prekey）。
    • A使用X3DH与B的公钥计算共享密钥，派生根密钥和初始链密钥。
  2. 消息发送：
    • A从链密钥派生消息密钥，加密消息并附加MAC。
    • 发送后，链密钥通过对称棘轮更新。
    • 如果A发送多条消息，每条消息使用新消息密钥，链密钥持续推进。
  3. 消息接收与回复：
    • B收到消息后，使用自己的私钥和A的公钥执行X3DH，派生相同根密钥。
    • B解密消息并验证MAC。
    • B回复时触发DH棘轮，双方交换新公钥对，更新根密钥和链密钥。
  4. 持续通信：
    • 每次消息交换，协议交替使用对称棘轮和DH棘轮，确保密钥动态刷新。

5. 高级特性

  • 群聊加密：
    • Signal使用Sender Keys机制：群内每人生成一个发送密钥，分发给其他成员，用于加密群消息。
    • 当成员加入或离开时，发送密钥更新并重新分发。
  • 会话恢复：
    • 如果设备丢失，Signal不存储历史消息密钥，用户需重新建立会话。
    • 支持“安全码”（Safety Number），用户可手动验证对方身份密钥，防止中间人攻击。
  • 前向保密性优化：
    • 通过棘轮机制，每条消息的密钥独立，即使长期密钥泄露，攻击者无法解密历史消息。

6. 安全性分析

  • 优点：
    • 双棘轮算法提供的双重密钥更新机制，使协议在动态环境中极为安全。
    • X3DH支持异步通信，同时保持强加密。
    • 开源代码经过广泛审计（如2016年由牛津大学等团队验证），未发现重大漏洞。
  • 潜在弱点：
    • 如果设备端点被攻破（如恶意软件窃取私钥），加密失效。
    • 元数据（发送时间、消息大小）可能泄露通信模式，尽管内容安全。
    • 依赖用户正确验证安全码，否则可能遭受中间人攻击。

7. 与其他协议的比较

  • 与PGP相比：Signal提供前向保密性，而PGP没有动态密钥更新。
  • 与OMEMO相比：OMEMO（基于XMPP的协议）也使用双棘轮，但Signal的实现更专注于移动端优化。
  • 与WhatsApp的实现：WhatsApp借鉴了Signal协议，但Signal不收集元数据，且完全开源。

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