一种较为安全的加密IM方式

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在这篇文章里，我将介绍一种很传统的即时通信方式，它能够允许我们不借助QQ，WeChat这样的由一家公司运营并管理的聊天工具，实现功能全面的即时通信，同时有很强的加密保护。

前言

研究这个问题还要从上个月说起。我在上个月突发奇想，想尝试调用腾讯QQ的API接口，允许我用自己开发的工具登录QQ并管理和收发消息，这样就可以在自己的客户端加载自己的加密协议了。很久以来我一直在尝试设计一种很方便的加密通信工具，这只是一个尝试。但是无论我通过什么方法，都不能找到一种免费而安全的解决方案：大部分的QQ机器人是收费的，腾讯自己注册开发者需要身份证实名认证，传统的利用WebQQ的方案又因为服务关闭了不能再使用。我甚至尝试了通过Xposed框架接管手机QQ的方法，但是依然失败了。在我准备放弃这种即时通信的尝试的时候，我想起来，在这种聊天工具发明之前，我们用的是更古老的协议进行通信。于是有了今天这篇文章中的尝试。

XMPP

XMPP协议简介

今天介绍的一个方面就是XMPP协议，和利用它进行的即时通信。首先说明，在很多地方看到的Jabber协议，和XMPP协议本身是一个东西。只是Jabber是商标名，XMPP是经过国际规范之后的协议名称。XMPP，即Extensible Messaging and Presence Protocol，是一种基于XML的协议，用来控制进行响应和传输。而它最常见的使用方向就是即时通信。它分为两部分，核心的XML流传输协议，和基于XMLFreeEIM流传输的即时通讯扩展应用。

不过，如果不研究通信协议的话，就没必要继续深究下去了。只需要知道，这是一种通信协议，有服务商提供基于这个协议的通信服务，我们能够使用客户端连接这种服务并进行通信，就足够了。

XMPP账户注册

与其他古老的通信方式相似，XMPP在注册的时候（一般）不需要提供过多的身份信息，基本上只需要给自己选定一个昵称和密码即可。无需验证手机、邮箱等等，但是这样带来的问题是，需要自己记好密码，否则一旦丢失，自己将无法找回。同时这个密码尽量不要使用重要密码，即，不要和别的密码重复，因为这个密码在服务器的保护等级并不高，容易泄露。

在不同的域名注册的XMPP账户之间可以互相通信，这并不奇怪，因为都是使用XMPP协议，就像不同国家的电话卡可以互相发短信一样。所以这表示，我们只需要注册自己所在的区域方便使用的域名，无需专门注册特定的区域。而在中国，比较方便的域名是xmpp.jp。这是日本的域名，但是在中国可以ping通。如果你在阅读的时候，这篇文章已经发出很久，那么请寻找你能用的服务器，不一定能够用这个。

按照网页上的提示完成注册即可。注意，如果你非常注意自己的隐私，请使用合适的手段隐藏自己的IP，具体手段根据个人喜好而异（比如你可以SSH到一个公用的云去操作，因为不是一家所以不共享这一数据）。同时虽然使用的时候可以直接连接，但是注册的时候使用的是谷歌的验证方案，所以注册时需要使用代理。

在注册完成之后，可以直接使用Web客户端进行聊天，不过这不是我们这次的主要内容。下面我们先来看另外一种通信协议。

IRC

IRC协议简介

IRC，即Internet Relay Chat，是一种非常常见的即时聊天协议，也是最早的即时聊天协议之一。首创于芬兰，现在在许多国家（不包括中国）都有实现的服务器。它最大的特点就是借助服务器中转实现了群聊和即时聊天，所以在IRC上，聊天室（即频道）是最主要的部分。当然，也可以通过聊天室或是直接发起私人聊天。

IRC账号注册

因为绝大部分IRC服务器是私有服务器（不一定是个人私有，集团私有也是可能的），所以申请注册新的账号（其实IRC没有账户这个概念，而是叫昵称，和账户等同）需要管理员同意。而一个无需人工审核的地方就是gitter的服务器，所以使用这个会比较方便，直接授权GitHub账户登录即可。很多开发者都有gitter的IRC账户，在这里可以互相交流。但是需要注意的是，不同的IRC服务器之间并不能互相连接。它的网页聊天在这里，但是同样地，我们不使用网页客户端聊天。

Pidgin

下面进入我们的重头戏，就是Pidgin客户端的使用，和使用它进行加密的方法。

Pidgin介绍

Pidgin是一个允许使用者同时登录相同或不同的协议的多个账户，并且管理这些即时聊天的工具。它是全平台的，Windows，Mac，Linux，FreeBSD下均可使用，而且在Linux下有图形界面和命令行两种控制方法。同时它具有丰富的插件库和自己开发的接口，通过插件可以支持绝大多数的即时聊天，包括但不限于Telegram，Skype，Gtalk（服务关闭之后自然不再支持了），SMS短信，等等。但是在腾讯修改协议之后无法支持QQ和WeChat（不过完全没有必要继续使用这两个聊天工具了，没有隐私还有乱七八糟的不需要的功能）。同时它的插件允许它使用比较安全的加密方式，包括标准GPG，标准RSA等等。不过我们今天主要要讲的是OTR加密插件。

Pidgin的安装

在Windows下使用的时候，直接在官网下载.exe格式的安装包，安装即可。而在Linux下使用的时候，大部分发行版的包管理器能够直接安装这个工具。以Debian为例，执行

sudo apt install pidgin

即可。对于少数的没有预编译包的发行版，可以从源码编译。这时候建议编译2.x的版本，因为这一版本相对稳定，不过对自己足够有信心可以尝试3.0.0版本，我在实际使用中并没有发现它们有很大的区别。

Windows下Pidgin插件的安装

Windows下插件的安装有三种不同的方法。

下载到的插件是可执行文件

有少数开发者会将自己的插件打包成自解压程序的形式，在Windows下执行就可以自动释放到系统里的对应位置。我们下面要讲的OTR插件就是这样的一种形式。这种插件大部分时候不提供卸载程序，不过都可以在Pidgin中选择禁用。安装这种插件的时候请退出Pidgin，安装完成之后启动Pidgin并在插件列表里启用刚刚安装的插件。

下载到的插件是二进制文件

Windows下的插件路径在安装目录（Windows10下默认是C:\Proogram Files(x86)\Pidgin）下的plugins文件夹内。将获得的.dll文件放进去即可。根据系统配置不同可能需要提供管理员权限。

没有Windows插件可供使用

这样的插件数量不少，因为Pidgin主要用户集中于Linux平台。这时可以自己编译，编译要求大同小异，基础的要求是，Java，Python，clang，版本根据每个插件不同可能略有区别，有的插件会要求别的库，根据要求配置即可。在Windows下编译将获得.dll文件，依然放到插件路径下即可。

Linux下插件的安装

Linux下插件的安装依然是三种方法。两种和Windows下一样，不同的是此时路径不再一样，一般是/usr/lib/pidgin/，如果不确定可以用类似

dpkg -L pidgin

的指令检查一下路径。注意这个指令当然要求你是用dpkg安装的Pidgin……所以ArchLinux之类的自然不一样。L需要大写。而且这个目录默认是只有root用户有写入权限的，记得使用sudo一类。

Linux下还可以直接通过包管理器安装一部分插件。使用

apt-cache search pidgin

将列出所有包名包含pidgin，或依赖包含的包，仔细找一下就可以找到插件。OTR也可以这样安装。尽量不要尝试自己编译OTR，会有各种莫名其妙的报错，问题最大的是它会触发assembler的一个bug，为它指定一组在环境下不存在的寄存器并且触发bad register报错。需要手动定位到源码里的出错部分并且手动指定寄存器。

OTR

在Pidgin上，我们能够使用的一个非常优秀的加密方案是OTR，Off-The-Record。它的官网在这里。需要注意的是，OTR并不只是Pidgin的一个插件，而是一个功能强大并且被广泛使用的加密协议实现，是一种混合加密方式，提供了非常不错的安全性。

OTR的特点

  1. 强加密。在正确实现的情况下，不考虑监听者使用其他非常规手段获取你的信息（比如直接植入远控木马之类），你的信息绝对安全。
  2. 用户认证。通过OTR，可以保证与自己聊天的是自己真正希望联系的人，OTR为此专门设计了对应的认证方法，只有认证通过了才可以开始加密聊天。同样地，不考虑特殊情况（比如一方被挟持或者两个人的认证方式泄露之类）。
  3. 可否认性。OTR加密不添加数字签名，这样令任何人都可以伪造一条消息，允许你在任何时候（从技术上和法律上）否定这条消息源自自己。同时由于第二条，在聊天的时候可以不担心消息是经过伪造的。
  4. 向前保护。即使因为某些原因私钥泄露，也不用担心之前的谈话内容泄露。

OTR协议简介

以下介绍均是基于OTR 3.0。

综合地来说，OTR的实现方法是：一方（Alice）和另一方（Bob）申请开始OTR加密通信，另外一方接受请求并且进行身份认证，认证通过之后进行加密通信。

请求OTR通信

OTR有两种请求方式，直接发送请求和发送一条包含标签的信息。两种方法的区别是，如果Bob的客户端设置为只响应OTR请求，那么它将在收到请求时开始OTR认证，而在收到标签时认为，Alice只是在告诉自己她可以进行OTR通信，而没有实际要求开始OTR。

需要注意的是，首先，这里的请求和标签都是未加密的。而且，请求和标签均会告诉Bob，自己使用的是什么版本的OTR，方便Bob进行后续的操作。

身份认证

OTR使用的身份认证的方法是基于Diffie-Hellman密钥交换的方法。因为是非常常见的密钥交换方法，在这里不再描述数学原理，只介绍流程。全部的指数操作是对一个1536位的素数取模，下文中的g是一个生成器。

  • Bob:
    1. 选取一个128位的r
    2. 选取一个至少320位的随机数x
    3. 生成\(AES_r(g^x)\)和\(HASH(g^x)\)并发送给Alice
  • Alice:
    1. 选择一个至少320位的随机数y
    2. 生成\(g^y\)并发送给Bob
  • Bob:
    1. 验证Alice发来的\(g^y\)是合法的值，即\(2 \leq gy \leq modulus-2\)
    2. 计算\(s = (g^y)^x\)
    3. 对s进行不同的哈希运算，计算两个AES密钥c和c’，和四个MAC密钥m1，m1’，m2，m2’。
    4. 选择\(keyid_B\)，作为他的D-H密钥\(g^x\)的序列号
    5. 计算\(M_B = MAC_{m1} (g^x, g^y, pub_B, keyid_B)\)
    6. 计算\(X_B = pub_B, keyid_B, sig_B(M_B)\)
    7. 计算\(AES_c(X_B)\)和\(MAC_{m2}(AES_c(X_B))\)，并连之前的r一起发送给Alice。
  • Alice:
    1. 使用r解密之前发来的\(g^x\)
    2. 验证\(HASH(g^x)\)与之前发来的一致
    3. 验证Bob发来的\(g^x\)是合法值，即\(2 \leq g^x \leq modulus-2\)
    4. 计算\(s = (g^x)^y，这与Bob计算得到的应该是同一个值
    5. 对s进行不同的哈希运算，计算两个AES密钥c和c’，和四个MAC密钥m1，m1’，m2，m2’（这里和Bob一样）。
    6. 使用m2验证\(MAC_{m2}(AES_c(X_B))\)
    7. 使用c解密\(AES_c(X_B)\)以获得\(X_B = pub_B, keyid_B, sig_B(M_B)\)
    8. 计算\(M_B = MAC_{m1} (g^x, g^y, pub_B, keyid_B)\)
    9. 使用\(pub_B\)验证\(sig_B(M_B)\)
    10. 选择\(keyid_A\)，作为她的D-H密钥\(g^y\)的序列号
    11. 计算\(M_A = MAC_{m1’}(g^y, g^x, pub_A, keyid_A)\)
    12. 计算\(X_A = pub_A, keyid_A, sig_A(M_A)\)
    13. 计算\(AES_{c’}(X_A)\)和\(MAC_{m2’}(AES_{c’}(X_A))\)并发送给Bob
  • Bob:
    1. 使用m2’验证\(MAC_{m2’}(AES_{c’}(X_A))\)
    2. 使用c’解密\(AES_{c’}(X_A)\)以获取\(X_A = pub_A, keyid_A, sig_A(M_A)\)
    3. 计算\(M_A = MAC_{m1’}(g^y, g^x, pub_A, keyid_A)\)
    4. 使用\(pub_A\)验证\(sig_A(M_A)\)

通过这一流程可以看出，两人交换了密钥，最终的结果是双方完全掌握对方的密钥，但是只有公钥在网路上被直接传输，而在没有双方任何一方完整信息的条件下，从公钥逆推私钥都是只能依靠暴力算法的，其运算量之大可以想见。

在密钥交换之后，OTR将进行最后一道身份认证，就是双方商定好的认证。可以是通过提问回答的方式，或者是同时使用相同的暗语的放肆，或者直接认证对方的指纹密钥等等，来确定对方的真实身份（即，使用对方的电脑的人的身份）。这一过程是加密的，无需担心暗语泄露。如果身份认证失败，密钥将被焚毁重来。

加密通信

OTR在加密通信方面使用的是标准的AES对称加密，但是鉴于其使用D-H密钥交换，极大的降低了密钥泄露的风险，所以基本上不会出现加密被泄露的情况。不过当然，加密通信的弱点不止算法这一块，还有很多地方可能被攻破。要做到更安全只能多方小心。

最后，因为所有的加密解密都是在本地完成的，这表示明文信息从来没有在网路上直接传输，配合D-H密钥交换能够让中间人攻击完全失效。

在Windows上部署OTR

OTR插件在Windows上部署的时候非常简单，只需要下载官方提供的安装程序即可。不依赖于任何库（当然，你得先装上Pidgin，因为我们安装的是OTR插件）。安装完成之后启动Pidgin，在插件列表里启用OTR，之后进行简单的配置，就可以和另外一名安装有OTR的好友进行加密聊天了。

在Linux上部署OTR

首先，官方提供的在Ubuntu，Debian，和ArchLinux上部署的方法是自己编译库和插件，但是这是一个非常困难的工作……因为在Debian和其衍生环境中，make-util包带的汇编器有一个隐藏的Bug，一般代码写的好的情况下不会触发，但是原因不明地，OTR的库会触发……导致寄存器配置错误，编译失败，如果要手动修改代码比较麻烦。经过我一上午折腾未果，我发现其实Debian是自带这个预编译好的包的，只需执行

sudo apt install pidgin-otr-plugin

即可。

所以尽量不要自己试着编译这个东西了……

这篇文章大致就介绍到这里了，更多的内容可以在这些工具的官网上找到资料。总结一下，这是一种方便快捷的加密通信方法，而且不经过国内主流的服务商，安全性更高。