我們繼續(xù)講解signal的核心技術(shù)：雙棘輪。
在上一篇，我們先講了：X3DH，F(xiàn)S(前向安全)，PCS(后向安全)，然后簡單提了密碼學中的DH，HMAC, KDF, HKDF。這一篇，我們將詳細講解雙棘輪這個核心技術(shù)。
如果你要跟某個人進行安全通信，你會如何設(shè)計
假設(shè)你要做個系統(tǒng)，可以和某個人安全通信，站在安全性的角度，技術(shù)上應(yīng)該如何設(shè)計？
思考時間......
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- 首先，你可能會想到，如何與對方進行密鑰協(xié)商，這就涉及到DH。
- 其次，出于極致的安全性要求，你會考慮FS(前向安全)，PCS(后向安全)。如何保證在某次通信中，被破解出來的密鑰，不能破解出之前的消息，而且在一定周期內(nèi)，這個破解出來的密鑰將不會再起作用。
下面，我們來看看雙棘輪是如何做的
棘輪
我們先來感性認識一下棘輪：
從感觀上，棘輪就是一種特殊的齒輪，他只能往一個方向轉(zhuǎn)下去，而不能往回轉(zhuǎn)。
在技術(shù)上，做到"只能往一個方向轉(zhuǎn)下去，而不能往回轉(zhuǎn)"，是達到FS(前向安全)的關(guān)鍵。比如KDF，導出的KDF鏈只能往后面派生，而不能計算出前向的密鑰，這就保證了，如果某一輪的密鑰被破解出來，但前面的密鑰是無法計算出來的，也就是前面的消息無法被解密。
雙棘輪
雙棘輪，就是說，signal用了兩個棘輪來保證其安全性。這里先不展開，我們到最后再看，可能會更加清楚。
我們以一個真實場景來講解signal的通信技術(shù)
我們還是以Alice與Bob通信為例，講解這個核心技術(shù)。
Alice主動給Bob發(fā)第一條消息
X3DH
Alice要主動與Bob聯(lián)系，首先要進行密鑰協(xié)商。由于Bob可能不在線，所以Alice可以借助Bob存放在Server的公鑰進行。
Signal用的是X3DH，即Alice會去Server拿到Bob的長期公鑰IdentityKey，以及中期的公鑰SignedPreKey，以及臨時的公鑰PreKey。然后做X3DH，導出一個密鑰。
X3DH的具體做法可以看我的上一篇文章。
發(fā)送鏈與接收鏈
在signal中，Alice與Bob都分別有自己的發(fā)送鏈(chain)以及接收鏈。如下圖所示：
這兩種鏈分別計算發(fā)送密鑰以及接收密鑰。
第一條消息
總體流程如下圖（為了能更簡單清晰地解釋，下面的圖已經(jīng)是簡化過后的圖）：
Alice要給Bob第一條消息，需要初始化發(fā)送鏈：
DH棘輪：Alice首先使用雙棘輪中的第一個棘輪：DH棘輪，進行DH計算，具體流程是：
a) Alice生成一對臨時的key pair(公私鑰對)
b) 用這個臨時的key pair的私鑰與Bob SignedPreKey的公鑰進行DH計算。KDF棘輪：Alice再使用雙棘輪中的第二個棘輪：KDF棘輪，導出三個密鑰KeyA1、Key1以及Key2。其中，KeyA1用于下一次發(fā)送鏈的Root Key（即salt），Key1用于加密消息，Key2用于派生下一輪的密鑰。
發(fā)送鏈密碼派生：如果Bob一直不給Alice發(fā)送消息，則Alice則一直使用此發(fā)送鏈發(fā)送消息，如上圖所示，第二輪使用Key2加鹽進行派生，第三輪使用Key4。
(PS:Signal實際的實現(xiàn)要比上述的復雜，但原理上一致的)
Bob接收到消息
Bob接收到消息后，會做兩件事情，第一件是初始化接收鏈，第二件是初始化發(fā)送鏈。
初始化接收鏈
如下圖所示：
與Alice的發(fā)送鏈對應(yīng)，Bob使用相同的規(guī)則初始化接收鏈。
由于Bob進行X3DH，以及DH之后的值，是一樣的，所以可以產(chǎn)生相同的Key1，Key3進行解密。
初始化發(fā)送鏈
Bob在收到Alice的消息后，就可以初始化發(fā)送鏈了：
與Alice一樣：
- DH棘輪：Bob生成一個臨時的key pair，與Alice進行DH
- KDF棘輪：與Alice一樣，用上述的DH做Salt，導出三個密鑰
- 發(fā)送鏈密碼派生：與Alice一樣，第二輪使用Key2加鹽進行派生，第三輪使用Key4
在初始化發(fā)送鏈后，Bob就可以發(fā)送消息了。
Bob給Alice回消息
如下圖所示：
Bob用自己發(fā)送鏈的密鑰加密消息后，給Alice發(fā)送消息。Alice在接收消息后，會做兩件事情，一個是初始化自己的接收鏈，第二個是重置自己的發(fā)送鏈。
初始化自己的接收鏈如上圖所示，重置自己的發(fā)送鏈要重點講講。
Alice在收到Bob的消息后，會重置發(fā)送鏈
如下圖所示：
Alice在收到Bob的消息后，會重置自己的發(fā)送鏈，可以想像為棘輪往后移了一格，這樣，KDF將重新計算，如果之前某輪的密鑰泄密了，從此刻開始，之前的密鑰將無法解密到消息，這滿足了PCS(后向安全)的特性。
具體做法是：
- Alice生成新的臨時key pair，與Bob的SigndPreKey做DH
- 將上一輪Key Chain導出的KeyA1做Salt，與上述的DH做KDF，導出KeyA2, Key1, Key2，同樣，KeyA2為下一輪發(fā)送鏈的salt， Key1用于此輪加密消息，Key2用于KDF。
Ping Pong
如上圖所示，Bob在收到Alice的消息后，也會重置發(fā)送鏈。
其實就是Ping Pong，Alice收到Bob消息會重復發(fā)送鏈，Bob也一樣。
從Alice的角度總結(jié)
從Alice的角度上看，發(fā)送鏈如下變化：
總結(jié)
本文詳細講解了signal中的核心技術(shù)：雙棘輪，包括了DH棘輪以及KDF棘輪。KDF棘輪保證了FS，而DH棘輪保證了PCS。
如果有什么問題，歡迎留言。
