端到端加密

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端到端加密”（End-to-End Encryption，简称 E2EE）是一种保护通信内容不被第三方窃取或篡改的安全机制，只有通信的两端（发送方和接收方）才能解密消息内容，中间的任何节点（包括服务器、运营商、政府、黑客）都无法查看明文。也就是说——即使数据经过了服务器中转，服务器也无法读取内容，因为数据在进入网络前就被加密了。

1. E2EE 的密钥建立方式

E2EE（端到端加密）的核心在于通信双方必须在不依赖可信第三方的前提下，安全地建立共享密钥。这个过程称为密钥建立（Key Establishment），它决定了整个通信的安全性。以下是 E2EE 中常见的密钥建立方式，按技术原理和协议分类说明。

1.1. 公钥封装式（Public-Key Encryption）

思想

A 使用 B 的公钥加密一段随机生成的对称密钥（例如 AES），然后用这个 AES 密钥加密消息。B 用自己的私钥解密得到该密钥，从而解密消息内容。

基本流程

1. B 生成公钥/私钥对 (PubB, PrivB);
2. A 获取 PubB;
3. A 随机生成 AES 密钥 K;
4. A 用 PubB 加密 K → EncKey;
5. A 用 K 加密消息 → Ciphertext;
6. A 发送 {EncKey, Ciphertext} 给 B;
7. B 用 PrivB 解出 K，再解 Ciphertext。

用户A生成密钥对      用户B生成密钥对
     ↓                     ↓
     公钥A ───→ 服务器 ───→ 公钥B
     ↑                     ↑
A 用 公钥B 加密消息 → 服务器 → B 收到后用 私钥B 解密

特点

1. 支持异步发送（B 不在线也能收消息）；
2. 实现简单；
3. 一旦私钥泄露，旧消息可被解密（不具备前向保密性）。

1.2. 密钥协商式（Diffie–Hellman / ECDH）

思想

双方各自产生随机私钥，通过数学算法交换公钥后，各自计算出同一个共享密钥，这个共享密钥从未在网络上传输。

基本流程（ECDH）

1. A 生成密钥对 (a, A_pub);
2. B 生成密钥对 (b, B_pub);
3. 交换公钥：A_pub ↔ B_pub;
4. A 计算 K = (B_pub)^a
5. B 计算 K = (A_pub)^b
6. 得到相同的共享密钥 K;
7. 双方用 K 派生 AES 密钥进行加密通信

特点

1. 公钥可以公开传输；
2. 即使被中间人截获，也无法推导出共享密钥；
3. 支持前向保密（Forward Secrecy）；
4. 可扩展到每条消息使用不同的临时密钥（Double Ratchet）。

2. 核心安全特性

安全特性	含义
前向保密（Forward Secrecy）	私钥泄露不会暴露过去通信内容
后向保密（Backward Secrecy）	未来通信不受当前密钥泄露影响
完整性验证（Integrity）	检测消息是否被篡改
身份认证（Authentication）	确保消息确实来自声明的发送方
抗重放攻击（Replay Protection）	旧消息无法被重复注入通信流中

3. Double Ratchet（双重棘轮）机制

Double Ratchet 是现代 E2EE 协议的核心机制（Signal 协议的关键算法）。

原理概述：

• 每条消息都使用新的密钥加密；
• 收发双方都独立推进自己的“棘轮”（ratchet）状态；
• 即使一个密钥泄露，也无法解密过去或未来的消息。

三个主要组件：

1. DH Ratchet：通过新的 Diffie–Hellman 密钥对更新共享密钥；
2. Send Ratchet / Receive Ratchet：每发送或接收一条消息都会更新；
3. KDF Chain：从主密钥派生出消息密钥、MAC 密钥等。

该设计同时提供了「前向保密」与「后向保密」，是 Signal、WhatsApp、Element 等应用的核心。