端對端加密技術解析與實作

現今的應用程式越來越重視資料安全，端對端加密技術也因此成為重要的技術保障。本文除了介紹端對端加密的基礎概念，也包含程式碼範例，讓讀者能更深入理解其運作方式。同時也探討了混合加密技術，結合對稱與非對稱加密的優點，提升加密效率。此外，文章也涵蓋了前向保密技術，即使私鑰洩漏，也能保護過去的通訊內容。最後，文章也分析了 Rust 語言在密碼學領域的優勢，以及相關的函式庫和生態系統，提供開發者更全面的參考。

端對端加密技術解析與實作

在現今的數位通訊時代，資訊安全已成為不可忽視的重要議題。隨著技術的進步，資料傳輸速度越來越快，通訊內容的安全性也面臨著前所未有的挑戰。本文將探討端對端加密（End-to-End Encryption, E2EE）技術的原理、實作方法及其在現代通訊中的重要性。

端對端加密的基本原理

端對端加密是一種確保只有通訊雙方能夠讀取訊息內容的技術。透過這種技術，中間的傳輸管道（例如網路服務提供者或電信業者）無法讀取或修改訊息內容，從而保障了通訊的機密性和完整性。

公鑰密碼學的應用

在端對端加密中，公鑰密碼學扮演著關鍵角色。公鑰密碼學使用一對金鑰：公鑰和私鑰。公鑰用於加密訊息，而私鑰則用於解密。這種機制確保了只有持有私鑰的人才能解密訊息。

import cryptography
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.primitives import serialization

# 生成RSA金鑰對
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
)
public_key = private_key.public_key()

# 序列化公鑰
public_key_bytes = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)

print("公鑰：")
print(public_key_bytes.decode())

內容解密：

上述程式碼展示瞭如何使用cryptography函式庫生成RSA金鑰對並序列化公鑰。首先，我們生成了一個2048位的RSA私鑰，然後從私鑰中提取公鑰。最後，我們將公鑰序列化為PEM格式，以便於儲存和傳輸。

混合加密技術

由於公鑰加密技術在處理大量資料時效率較低，混合加密技術應運而生。混合加密結合了對稱加密和非對稱加密的優點：使用對稱加密處理大量資料，而使用非對稱加密保護對稱金鑰的安全交換。

混合加密流程

生成對稱金鑰：為每次訊息交換生成一個臨時的對稱金鑰。
加密訊息：使用對稱金鑰加密訊息內容。
加密對稱金鑰：使用接收者的公鑰加密對稱金鑰。
傳輸資料：將加密後的訊息和對稱金鑰一同傳送給接收者。

from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.kdf.pbkdf2 import PBKDF2HMAC
from cryptography.hazmat.primitives import padding
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes
import os

# 生成隨機對稱金鑰和IV
symmetric_key = os.urandom(32)
iv = os.urandom(16)

# 加密訊息
def encrypt_message(message, symmetric_key, iv):
    cipher = Cipher(algorithms.AES(symmetric_key), modes.CBC(iv))
    encryptor = cipher.encryptor()
    padder = padding.PKCS7(128).padder()
    padded_data = padder.update(message) + padder.finalize()
    return encryptor.update(padded_data) + encryptor.finalize()

message = b"Hello, World!"
encrypted_message = encrypt_message(message, symmetric_key, iv)
print("加密後的訊息：", encrypted_message.hex())

內容解密：

這段程式碼展示瞭如何使用AES對稱加密演算法加密訊息。首先，我們生成了一個隨機的對稱金鑰和初始向量（IV）。然後，使用AES-CBC模式加密訊息。在加密前，我們使用PKCS7填充確保訊息長度符合AES的區塊大小要求。

前向保密技術

前向保密（Forward Secrecy）是一種確保即使私鑰洩露，過去的通訊內容仍然安全的功能。透過每次通訊使用新的金鑰對，可以實作前向保密。

實作前向保密

生成臨時金鑰對：每次通訊時，雙方生成新的臨時金鑰對。
進行金鑰交換：使用Diffie-Hellman金鑰交換協定交換金鑰。
銷毀金鑰：通訊結束後銷毀臨時金鑰。

from cryptography.hazmat.primitives import serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import dh

# 生成Diffie-Hellman引數
parameters = dh.generate_parameters(generator=2, key_size=2048)

# 生成Alice的金鑰對
alice_private_key = parameters.generate_private_key()
alice_public_key = alice_private_key.public_key()

# 生成Bob的金鑰對
bob_private_key = parameters.generate_private_key()
bob_public_key = bob_private_key.public_key()

# Alice和Bob進行金鑰交換
alice_shared_key = alice_private_key.exchange(bob_public_key)
bob_shared_key = bob_private_key.exchange(alice_public_key)

assert alice_shared_key == bob_shared_key
print("分享金鑰：", alice_shared_key.hex())

內容解密：

上述程式碼展示瞭如何使用Diffie-Hellman金鑰交換實作前向保密。首先，我們生成了Diffie-Hellman引數和雙方各自的金鑰對。然後，雙方進行金鑰交換，得到相同的分享金鑰。這個過程確保了即使私鑰洩露，過去的通訊內容仍然安全。

端對端加密的完整流程

1. 金鑰生成與交換

簽名金鑰對生成：Bob生成簽名金鑰對，用於身份驗證。
臨時金鑰對生成：Bob生成臨時金鑰對，用於本次通訊。
簽名：Bob使用簽名私鑰對臨時公鑰進行簽名。
發布公鑰和簽名：Bob發布臨時公鑰和簽名。

2. 訊息加密與傳輸

驗證簽名：Alice驗證Bob的簽名，確保臨時公鑰的真實性。
生成臨時金鑰對：Alice生成自己的臨時金鑰對。
金鑰交換：Alice和Bob進行金鑺交換，生成對稱金鑰。
加密訊息：Alice使用對稱金鑰加密訊息。
傳輸資料：Alice傳送加密訊息、自己的臨時公鑰和簽名給Bob。

3. 訊息解密

驗證簽名：Bob驗證Alice的簽名。
金鑰交換：Bob使用Alice的臨時公鑰和自己的私鑰進行金鑰交換，得到對稱金鑰。
解密訊息：Bob使用對稱金鑰解密訊息。

現代密碼學的核心要素與應用

現代密碼學是確保數位通訊安全的重要基礎。它涉及多個關鍵技術，包括簽名、金鑰交換和認證加密（AEAD）。這些技術共同構成了現代端對端加密（E2EE）的基礎。

端對端加密的理論基礎

端對端加密的核心要素包括：

簽名（Signatures）：簽名用於驗證身份和確保訊息的真實性。簽名金鑰是長期身份金鑰，用於簽署短暫的金鑰交換金鑰。
金鑰交換（Key Exchange）：金鑰交換技術使得雙方可以在不安全的通道上安全地交換金鑰。短暫的金鑰交換金鑰用於加密對稱的AEAD金鑰。
認證加密（AEAD）：AEAD是一種同時提供加密和認證功能的加密模式。AEAD金鑰用於加密實際的訊息內容。

簡單來說，現代端對端加密的流程是：簽名金鑰簽署金鑰交換金鑰，金鑰交換金鑰加密AEAD金鑰，AEAD金鑰加密訊息。

程式碼範例：簽名與驗證流程

use ring::signature::{Ed25519KeyPair, Signature, KeyPair};
use rand::rngs::OsRng;

fn main() {
    // 生成簽名金鑰對
    let rng = OsRng;
    let doc = Ed25519KeyPair::generate_pkcs8(rng).unwrap();
    let key_pair = Ed25519KeyPair::from_pkcs8(doc.as_ref()).unwrap();
    
    // 簽名訊息
    let message = b"Hello, World!";
    let signature = key_pair.sign(message);
    
    // 驗證簽名
    let public_key = key_pair.public_key();
    assert!(public_key.verify(message, &signature).is_ok());
    
    println!("Signature verification successful!");
}

內容解密：

金鑰生成：使用Ed25519KeyPair::generate_pkcs8生成簽名金鑰對，這是現代密碼學中廣泛使用的一種高效簽名演算法。
簽名過程：使用key_pair.sign對訊息進行簽名，確保訊息的真實性和完整性。
驗證過程：使用public_key.verify驗證簽名，確認訊息未被篡改且來自可信來源。

密碼學的實際應用

密碼學的應用非常廣泛，包括：

軍事通訊：軍事組織使用密碼學保護通訊安全，歷史上著名的例子包括Spartans使用的加密方法和二戰期間德國使用的Enigma機器。
網路通訊：使用TLS協定加密網站通訊，確保資料傳輸的安全性。
安全通訊軟體：如Signal和Element等軟體使用端對端加密技術，保護使用者的通訊隱私。
區塊鏈和加密貨幣：自2009年比特幣問世以來，區塊鏈技術和加密貨幣領域蓬勃發展，密碼學在其中扮演了關鍵角色。

密碼學應用領域

  graph LR
    A[軍事通訊] --> B[網路通訊]
    A --> C[安全通訊軟體]
    A --> D[區塊鏈和加密貨幣]
    B --> E[TLS協定]
    C --> F[Signal協定]
    D --> G[比特幣及其他加密貨幣]

圖表翻譯：
此圖表展示了密碼學的多個應用領域，包括軍事通訊、網路通訊、安全通訊軟體和區塊鏈及加密貨幣。每個領域都依賴於不同的密碼學技術來確保安全。

密碼學的常見問題與陷阱

密碼學的應用中存在多個常見問題和陷阱，包括：

金鑰管理困難：金鑰的安全儲存和分發是密碼學面臨的最大挑戰之一。
認證加密的使用：應儘量使用認證加密（如AES-256-GCM）而非單獨使用區塊加密或MAC，以避免潛在的安全風險。
避免自行實作密碼學原語：儘管實作加密協定是可行的，但自行實作密碼學原語（如加密演算法）存在諸多風險，包括側通道攻擊和非恆定時間程式設計等問題。
消費級硬體上的密碼學可靠性：在消費級硬體上執行密碼學運算時，可能會遇到諸如位元翻轉等問題，這對於依賴狀態連續性的密碼學應用（如ratcheting或區塊鏈）可能造成嚴重影響。

程式碼範例：使用認證加密

use aes_gcm::{Aes256Gcm, Key, Nonce};
use rand::Rng;

fn main() {
    // 生成隨機金鑰和nonce
    let mut rng = rand::thread_rng();
    let key = Key::from_slice(&rng.gen::<[u8; 32]>());
    let nonce = Nonce::from_slice(&rng.gen::<[u8; 12]>());
    let cipher = Aes256Gcm::new(key);
    
    // 加密訊息
    let plaintext = b"Hello, World!";
    let ciphertext = cipher.encrypt(nonce, plaintext).unwrap();
    
    // 解密訊息
    let decrypted = cipher.decrypt(nonce, &ciphertext).unwrap();
    assert_eq!(plaintext, &decrypted[..]);
    
    println!("Encryption and decryption successful!");
}

內容解密：

金鑰和nonce生成：使用隨機數生成器生成金鑰和nonce，確保每次加密操作都使用不同的nonce以提高安全性。
加密過程：使用Aes256Gcm::encrypt對訊息進行加密，確保訊息的機密性和完整性。
解密過程：使用Aes256Gcm::decrypt對密鑰進行解密，驗證加密和解密的正確性。

Trust On First Use (TOFU) 模型

在許多安全通訊軟體中，為了平衡安全性和可用性，採用了Trust On First Use (TOFU) 模型。這意味著使用者在首次通訊時預設信任對方的公鑰，而無需手動驗證。這種方法雖然不夠安全，但對於大規模應用來說是必要的折衷方案。

Rust 密碼學生態系統

根據研究，密碼學函式庫中的漏洞有37.2% 是記憶體安全問題，而只有27.2% 是純粹的密碼學問題。這凸顯了在實作密碼學相關程式碼時，記憶體安全的重要性。Rust語言由於其內建的記憶體安全保障，成為實作密碼學相關功能的理想選擇。

從C轉向Rust進行密碼學實作的必要性與生態系統分析

隨著現代密碼學的發展，現有的C語言實作方式因其安全性和維護性問題，逐漸被認為需要被更現代的語言所取代。Rust憑藉其高階抽象能力、低階控制、無垃圾回收機制、良好的可移植性以及易於嵌入的特性，成為取代C語言寫成的著名密碼學函式庫（如OpenSSL、BoringSSL和libsodium）的最佳候選者。

為何選擇Rust

Rust在密碼學領域的優勢不僅體現在其效能上。根據2019年的基準測試，rustls（一款我們稍後會詳細介紹的函式庫）展現出比OpenSSL高5%到70%的效能，具體取決於執行的任務。儘管Rust在密碼學領域的採用仍在進行中，但其在安全性和效能上的優勢使其具有廣闊的前景。

Rust密碼學生態系統現況（2022）

Rust的密碼學生態系統包含了多個優秀的函式庫和組織，以下是一些主要的專案：

1. sodiumoxide

sodiumoxide是libsodium（一個廣受推薦的C語言密碼學函式庫）的Rust封裝。雖然它作為C語言繫結可能引入難以除錯的錯誤，但目前該專案仍相當穩定。值得注意的是，原維護者在2020年11月宣佈離開專案，但目前仍有人接手維護。

2. ring

ring專注於實作、測試和最佳化核心的密碼學操作，並透過易於使用（且難以誤用）的API進行暴露。ring提供了底層的密碼學原語，適合用於更高層級的協定和應用程式中。其主要維護者以對密碼學的嚴謹態度而聞名。

3. dalek-cryptography

dalek-cryptography是一個GitHub組織，包含多個純Rust實作的橢圓曲線密碼學專案，如x25519和ed25519。這些專案被Signal和Diem等對密碼學有嚴格要求的組織所使用。

4. Rust Crypto

Rust Crypto是一個GitHub組織，匯集了幾乎所有所需的密碼學原語，大多數以純Rust實作。它提供了一個基礎的trait，並為不同的演算法進行實作。

5. rustls

rustls是一個現代的TLS函式庫，以Rust語言編寫，並使用ring作為其底層密碼學實作。它的目標是隻提供安全的功能，例如僅支援TLS 1.2及以上版本。整體而言，rustls正朝著取代OpenSSL和BoringSSL的方向邁進。

密碼學函式庫的採用現況

截至2022年6月，一些主要的Rust密碼學函式庫的採用情況如下：

函式庫名稱	是否經過稽核	總下載量
ring	是	23,535,738
rustls	是	22,231,968
ed25519-dalek	否	5,930,752
x25519-dalek	否	3,655,567
aes-gcm	是	6,833,494
chacha20poly1305	是	2,774,064
sodiumoxide	否	1,220,135

威脅模型分析

1. 專案背景

我們的遠端控制系統由三個元件組成：agent、server和client。agent執行在目標主機上，處於高度敵對的環境中；client執行在操作者的機器上，用於傳送命令給agent；server（或稱C&C伺服器）執行在通常由操作者控制的環境中，作為client和agent之間的轉發中介。

2. 可能的安全威脅

伺服器被入侵：伺服器可能因漏洞或被託管提供者扣押而被入侵。
網路監控：企業網路中常見的網路監控系統可能會檢測到異常模式，進而發現受感染的機器。
agent被發現：agent可能被發現，進而導致對受感染主機的取證分析。
操作者身份偽造：攻擊者可能偽裝成合法的操作者，向受感染主機傳送命令。

3. 風險緩解措施

伺服器被入侵：使用端對端加密來認證和保護命令及資料的機密性，避免在伺服器上儲存明文資料。
網路監控：使用標準協定（如HTTPS）並進行端對端加密，以減少網路層面的特徵。
agent被發現：使用臨時金鑰進行資料加密，避免使用長期金鑰進行加密；長期金鑰僅用於認證。
操作者身份偽造：端對端加密可以提供認證，防止身份偽造。

協定設計

為了避免被檢測並減輕伺服器被入侵的後果，我們決定設計一個端對端加密協定。由於agent僅回應client發出的請求，並且可以嵌入client的公鑰以驗證請求來源，這使得實作前向保密變得更加簡單。我們可以直接在agent中嵌入臨時公鑰，而不需要client提供臨時公鑰進行金鑰交換。

進一步的協定設計考量

金鑰交換機制：由於agent可以預先嵌入client的公鑰和自身的私鑰，我們可以使用靜態-靜態或靜態-動態的Diffie-Hellman金鑰交換機制來建立會話金鑰。
認證機制：使用公鑰認證機制確保只有合法的client可以向agent傳送命令。
資料加密：使用會話金鑰對傳輸的資料進行加密，以確保資料的機密性和完整性。
協定的靈活性：設計協定時應考慮未來的擴充套件性，例如支援新的加密演算法或認證機制。

進一步的安全性分析

金鑰管理：確保金鑰的安全儲存和定期更換，特別是對於長期使用的認證金鑰。
錯誤處理：設計清晰的錯誤處理機制，以避免因錯誤處理不當而洩露敏感資訊。
稽核和監控：定期對系統進行安全稽核和監控，以發現潛在的安全威脅。

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。