一对一聊天app开发消息加密算法升级

前几天有个做社交app的朋友问我，他们打算把消息加密这块重新搞一下，问我有没有什么好的方向。这让我想起去年参与的一个项目，当时我们团队为了选一个合适的加密方案，光调研就花了差不多两个月。那段时间天天泡在各种技术文档里，说实话，越看越觉得这里面的门道比想象中深多了。

今天这篇文章我想把关于一对一聊天app消息加密算法升级这个话题，好好聊一聊。不讲那些太虚的东西，就从实际出发，说说为什么需要升级、现在主流的技术有哪些、以及升级过程中可能会遇到的一些问题。文章可能不够完美，但保证都是干货。

消息加密到底在保护什么

在说升级之前，咱们先搞清楚一个基本问题：消息加密到底是在保护什么？可能有人觉得，加密嘛，就是把明文变成密文，让别人看不懂。这话对，但只说对了一半。

真正的消息加密要保护的东西远比”让人看不懂”复杂得多。首先是机密性，这个最好理解，就是除了聊天的双方，其他人理论上都不应该能读取消息内容。然后是完整性，这意味着消息在传输过程中不能被篡改，你发送的”你好”和对方收到的”你好”必须完全一致。接着是身份认证，你得确认和你聊天的人确实是你要找的那个人，而不是别人冒充的。最后还有一个不可否认性，简单说就是发送方不能事后否认自己发过这条消息。

这四个东西加起来，才是一套完整的消息加密体系应该提供的能力。很多早期的聊天app只做到了第一条，后面三条根本没考虑，这也是为什么后来出了那么多安全问题。

为什么现在必须认真考虑升级

说完基本概念，再来聊聊为什么现在升级加密算法变得这么迫切。这个问题可以从三个角度来看。

安全威胁在不断进化

这个是最直接的原因。十年前觉得牢不可破的加密算法，现在可能已经被研究出各种漏洞了。就拿RSA算法来说吧，1024位密钥在2017年就已经被证明不够安全，现在普遍建议使用2048位甚至更长。但这只是密钥长度的问题，更麻烦的是，随着计算能力的提升，一些以前被认为计算量巨大的攻击方式现在变得可行了。

举个具体的例子，中间人攻击这种方式十年前可能还需要比较高的技术门槛，现在工具越来越成熟，攻击成本越来越低。如果你的app还在用十年前的加密方案，那基本上就是在裸奔。更别提还有一些专门针对移动端的攻击手段，比如通过hook应用层来获取解密后的数据。

还有一个不得不提的因素是量子计算的威胁。虽然真正意义上的量子计算机还没有普及，但学术界已经公认，现有的公钥加密体系在量子计算机面前会变得脆弱。这不是危言耸听，而是板上钉钉的事情，只不过是时间问题。所以现在做加密方案规划，必须要把抗量子攻击考虑进去。

用户对隐私的重视程度完全不同了

这个变化其实挺明显的。十年前用聊天app，大部分人可能根本不在乎消息是不是加密的，反正自己也没什么秘密。但现在不一样了，用户对隐私的敏感度提高了不是一个量级。

我有个做产品经理的朋友告诉我，他们做用户调研的时候发现，现在很多用户在选择聊天app时，会主动问有没有端到端加密。这在五年前几乎是不可想象的。而且不仅仅是普通用户，一些特定行业的用户对加密的要求更是严格。比如做金融的、做医疗的、做法律的，他们对消息安全的需求已经不仅仅是”不被偷看”这么简单了，还有合规的要求。

从商业角度来说，加密能力已经成了一个竞争力因素。你的app如果有更好的加密方案，用户就会觉得更安全，选择你的可能性就更大。反之，如果在这块有明显短板，用户流失的风险就会增加。

性能和体验的新要求

加密算法升级不一定是为了更安全，有时候也是为了更好的性能。这听起来有点反直觉，但确实是这样。

老一代的加密算法在设计的时候，可能更多考虑的是安全性，而没有太多考虑移动端的计算能力。比如有些算法在加密解密的时候非常耗电，对于手机电量本就不宽裕的用户来说，这简直是一种折磨。还有一些算法初始化时间很长，导致用户感觉app启动慢。

现在新的加密算法在设计的时候，会平衡安全性和性能。比如一些基于椭圆曲线的算法，可以用更短的密钥实现和传统算法同等级别的安全性，同时计算量还更小。这对于移动端设备来说是非常友好的。

另外，随着一对一聊天场景越来越丰富，音视频通话、文件传输、阅后即焚这些功能都需要加密支持。老的加密方案可能只适合文本消息，对这些新功能支持不好，升级也就是必然的选择了。

当前主流的加密技术方案

既然决定要升级，那具体有哪些技术方案可以选择呢？这里我介绍几种目前比较主流的方案，供大家参考。

端到端加密的核心：Signal Protocol

说到一对一聊天的加密方案，Signal Protocol基本上是绕不开的一个存在。很多大家耳熟能详的加密聊天软件，比如WhatsApp和Signal本身，都是用的这套协议。

Signal Protocol的核心是双棘轮算法（Double Ratchet Algorithm）。这个算法的设计特别巧妙，它能够保证每次通信都使用不同的加密密钥，而且即使某一轮会话的密钥被泄露了，也不会影响之前或之后的会话安全性。这就像是你每次说话都用一把新的锁，而且这些锁之间没有任何关联。

这套协议还考虑了前向安全和后向安全两个特性。前向安全意思是如果长期密钥泄露了，之前的历史消息还是安全的；后向安全则是如果某一轮会话的密钥被攻击者获取了，之后的会话不会受到影响。这两个特性组合在一起，让整个加密体系变得非常坚固。

不过Signal Protocol也不是没有缺点，它的密钥交换过程相对复杂，对于首次聊天的用户，需要有一个预共享密钥或者通过其他方式验证身份的环节。如果这个环节处理不好，可能会影响用户体验。这也是为什么很多app虽然用了Signal Protocol，但用户体验上感觉和普通聊天没什么区别——因为密钥交换在后台悄悄完成了。

椭圆曲线密码学的应用

椭圆曲线密码学（ECC）是现在非常受关注的一个方向。相比传统的RSA算法，ECC可以用更短的密钥长度实现同等甚至更高的安全性。

举个直观的例子，256位的椭圆曲线密钥，安全性和3072位的RSA密钥差不多。这意味着什么呢？意味着加密解密的速度更快，存储密钥占用的空间更小，移动设备处理起来也更省电。对于一对一聊天这种场景来说，ECC的优势是非常明显的。

现在主流的椭圆曲线有两个选择，Curve25519和Curve448。Curve25519是目前应用最广泛的，它的参数设计经过了很多密码学家的审核，被认为没有后门或者弱点的风险。Curve448相对更新一些，安全性余量更大，但计算速度稍慢，适合对安全性要求极高的场景。

值得一提的是，声网在实时通信领域的技术方案中，也广泛采用了椭圆曲线密码学来保障数据传输的安全性。这说明这种技术路线在工业界已经得到了充分验证。

后量子密码学的研究进展

虽然量子计算机还没有真正普及，但密码学界已经在研究”后量子时代”的加密方案了。这不是未雨绸缪，而是必须做的事情，因为加密算法的更替周期通常很长，现在不开始研究，到时候就会措手不及。

后量子密码学主要研究的是那些即使面对量子计算机也无法有效破解的算法。目前有几个主要的方向，包括基于格的密码学、基于哈希的密码学、多变量密码学等等。其中基于格的密码学是最有希望的一个方向，因为它在安全性和性能之间取得了比较好的平衡。

美国国家标准与技术研究院（NIST）从2016年就开始征集后量子密码学标准，目前已经进入最后阶段，预计很快就会发布正式标准。对于正在规划加密方案升级的开发者来说，现在就应该开始关注这些进展了。如果你的app需要保存多年的通信记录，那更要注意，因为现在截获的加密数据，可能等到量子计算机成熟了就会被破解——这叫做”现在收集，未来解密”的攻击。

升级实施过程中的关键问题

技术方案选好了，真正实施的时候还会遇到很多实际问题。这里我想分享几个比较重要的点。

密钥管理的复杂性

加密算法再强大，如果密钥管理做不好，整个系统的安全性还是会出问题。密钥管理是一套系统工程，包括密钥的生成、存储、分发、更新、销毁每一个环节。

首先是密钥存储的问题。移动设备的存储空间有限，而且操作系统对应用能访问的区域有严格限制，怎么在保证安全的前提下高效存储密钥，是一个需要仔细考虑的问题。现在主流的做法是利用设备的安全硬件，比如iOS的Secure Enclave和Android的Keystore，这些硬件提供了独立于主处理器的安全运行环境，密钥放在里面会安全很多。

然后是密钥备份和恢复。这是很多开发者容易忽略的问题。用户换了手机或者重装了app，原来的聊天记录和密钥都没了，这体验肯定不行。但如果允许用户备份密钥，这个备份文件本身的安全性又怎么保证？现在比较常见的做法是让用户设置一个安全码，用这个安全码对密钥进行二次加密之后再备份。这样即使用户忘记了安全码，密钥也不会泄露。

增量升级的策略

对于已经上线的app来说，加密算法升级不能一蹴而就，必须考虑平滑过渡的问题。如果一次性切换所有的用户到新算法，必然会出现兼容性问题——老版本app无法和新版本app通信，这麻烦就大了。

比较稳妥的做法是渐进式升级。首先在新版本app中实现新算法，但保持对老算法的兼容。然后逐步引导用户升级，当新版本用户占比达到一定比例之后，再考虑废弃老算法。这个过程可能需要几个月甚至更长时间，需要有耐心。

还有一点需要注意的是，协议版本管理。加密算法升级后，通信协议通常也会跟着变，必须设计好版本协商机制，让不同版本的客户端能够自动协商出双方都支持的加密方式。这就好比两个人说话，一个用普通话，一个用方言，总得有个机制让他们找到共同语言。

安全审计的必要性

加密算法的实现是否正确，光靠内部测试很难保证。这就像自己写的代码，自己看自己的bug总是看不太出来。专业的安全审计非常重要。

审计应该包括代码层面的审查和架构层面的评估。代码层面要看有没有常见的密码学实现错误，比如有没有使用安全的随机数生成器，有没有处理侧信道攻击的防护措施。架构层面则要看整个加密体系的设计是否合理，密钥流转的路径是否安全。

如果条件允许，最好还能做一些渗透测试，模拟攻击者的角度来尝试突破系统的防线。有时候一些看似不起眼的小问题，组合起来可能就会造成严重的安全漏洞。

不同场景下的方案选择建议

聊了这么多技术，最后来说说不同场景下该怎么选择方案。

这里想特别提一下，如果你的目标用户主要在国内，那国密算法（SM系列）肯定是需要考虑进去的。虽然国际上ECC更流行，但国密在合规性方面有它的优势。尤其是对于金融、医疗这些行业，监管部门可能对加密算法有明确的资质要求，选型的时候一定要把这些要求考虑进去。

如果业务场景比较复杂，比如既要有个人用户，又要有企业用户，那可能需要设计多套加密方案。个人用户可以追求简洁和性能，企业用户则可能需要更复杂的权限管理和审计功能。好消息是，模块化的加密架构设计可以让你灵活组合不同的加密组件，而不必为每种场景重新开发一套系统。

另外，对于实时通信场景来说，加密带来的延迟增加是需要特别关注的问题。一对一视频通话的情况下，端到端加密需要在音视频数据产生的同时就完成加密，这对编码效率和加密速度都有很高的要求。声网在这块的解决方案就做得挺好的，他们通过优化加密流程和利用硬件加速，把加密带来的延迟降到了几乎可以忽略的程度。

写在最后

关于一对一聊天app消息加密算法升级这个话题，能聊的东西真的很多。本文也只是选取了比较核心的几个点来说。如果你在实际项目中遇到具体问题，欢迎继续交流。

最后想说的一点是，加密算法升级不是一个一次性工程，而是需要持续投入的事情。技术在发展，攻击手段在进化，今天安全的方案几年后可能就需要更新。所以在做技术规划的时候，除了考虑当下的问题，还要为未来的升级留好扩展空间。这样当新的安全威胁出现时，你才能快速响应，而不需要推倒重来。

好了，就到这里吧。如果觉得这篇文章对你有帮助，欢迎收藏转发。咱们下期再见。