基于Android平台的一种保护隐私的即时通讯工具的设计与实现

陈　望，陈河宏，黄　琼，张视焕，刘雁彬，张琪枫

（华南农业大学数学与信息学院，广州　510642）

基于Android平台的一种保护隐私的即时通讯工具的设计与实现

陈望，陈河宏，黄琼，张视焕，刘雁彬，张琪枫

（华南农业大学数学与信息学院，广州510642）

在移动互联网飞速发展的今天，即时通讯工具已经成为人们生活和工作中不可或缺的工具；但是，国内外主流的即时通讯工具依然面临着两大主要问题；一个是基于不同协议的软件的互联互通问题，另一个是日益严峻的即时通讯的安全性与隐私性问题；为了从根本上解决问题，针对即时通讯工具的特点进行了深入分析，最终设计并实现了一款基于安卓平台上更具安全性、更实用、用户体验更好的即时通讯工具SecretChat；本工具采用开放的XMPP通讯协议，并在XMPP上实现OTR安全协议；经过系统测试，系统具备稳定性并且具有良好的互联互通性能和隐私保护功能。

即时通讯；互联互通；安全；XMPP OTR Android

0　引言

随着移动互联网的快速发展，即时通讯工具已经成为人们生活和工作不可或缺的工具。而随着Android系统的发布与开源，智能手机变得十分的普及。手机具有广泛性、随身性、即时性、便捷性等特点，这些特点恰好与即时通讯功能紧密结合。截止到2014年12月，手机即时通讯工具使用率已经超过了PC端，手机即时通讯网民数为5.08亿，手机即时通讯使用率高达91.2%［1］。

然而，无论是国内还是国外的即时通讯工具依然面临着两大问题：一是通讯协议的差异性，导致不同即时通讯软件不能互联互通，阻碍了用户继续扩展的同时，也给用户带来了诸多不便。另一个是即时通讯的安全性，如果软件的安全性得不到保障，将对用户的利益和隐私带来巨大的威胁。针对软件的互联互通问题，2012年，微软公司修改其即时通讯软件MSN messenger条例，支持XMPP协议［2］（Extensible Messaging and Presence Protocol，可扩展信息和出席信息协议），使得MSN与G-talk等其他采用XMPP协议的软件直接通信成为可能［3］。2013年网易提出实现易信与电信手机短信的互联互通，并提出与同类产品互联互通的设想。但是在国内，腾讯等主流IM服务商因为商业利益，依然采用封闭的即时通讯协议，拒绝与其他软件互通［4］。近年来，“棱镜门”、iCloud云端系统被入侵等事件的爆发，即时通讯工具的安全性越来越受关注［56］。针对即时通讯软件的安全性问题，以飞信与QQ为代表，飞信传输信息过程中并没有使用特别的加密，消息监听者通过简单的网络监听就可以捕获飞信的聊天内容［7］。QQ等聊天工具加密的是消息在服务器和客户端之间的传输链路，信息将在服务器被还原成明文，存在被监听、篡改、窃取的危险，而且针对QQ各个版本的软件，几乎都可以使用特定的工具在不输入密码的前提下，对QQ聊天记录进行查看和修改，获取用户的隐私信息，存在较大的安全隐患［810］。

针对即时通讯工具面临的互联互通以及安全性这两大问题，本文使用开放的XMPP协议实现了即时通讯工具的互联互通性，将OTR安全协议作为XMPP协议的上层协议，保证了信息传输的保密性和安全性，同时添加第三方登录、“阅后即焚”和其他功能模块，提高了用户登录和聊天操作的便捷性，实现了基于Android平台的SecretChat工具。

1　系统技术架构

1.1总体框架

为了解决即时通讯工具的互联互通问题，本文采用XMPP协议作为软件的通讯协议。XMPP协议是一种基于XML（extensible markup language，可扩展标记语言）的用于即时消息的可扩展的协议族，是目前主流的IM协议之一。XMPP协议具有开放性，可扩展性、安全性等特点，采用XMPP协议作为通讯协议，基于或支持XMPP协议的即时通讯工具均可以互联互通，有效解决了互联互通问题。同时，软件基于Oauth2.0［11］协议开发第三方登陆模块，同时支持腾讯、新浪、百度账号的登陆，通过用户授权可以获得相应账号的基本信息，增强了软件的互联互通功能和便捷性。

本文认为，即时聊天场景下的安全通讯，通讯实体须实现以下4点：1）信息保密，即除了接收方，其他人不能读该通讯实体的即时信息；2）验证身份，即该通讯实体可以确信发送方的身份；3）可抵赖性，即用户可以否认其发送信息的行为；以及4）完美前向保密性，即使泄露了会话密钥，以前的对话内容也不会泄露。OTR［12］（Off-the-Record Messaging，无痕通信）协议是一种可以为即时通讯工具提供加密保护的安全协议。OTR采用AES［13］对称加密算法进行消息加密，采用Diffie-Hellman协议［14］进行密钥协商，并采用消息码验证H MAC-SH A1和数字签名结合的方式进行消息认证，满足安全的即时聊天场景的4个特性。因此，应用采用OTR安全协议对应用进行加密。同时，软件提供阅后即焚功能，有效保护用户的隐私。

Secret Chat工具分为服务端和客户端，采用C/S架构。服务器端采用基于XMPP协议的Openfire开源系统进行二次开发，服务器承担着处理终端用户的各种请求，以及发送响应消息给终端，转发终端的消息给指定终端的功能。服务器在XMPP体系结构中，之间是级联、可路由的，保证了不同服务器服务的客户端之间是可以相互联系。客户端是基于Android操作系统，综合利用Activity、Intent等核心组件进行开发，采用开源的Smack库实现基于XMPP协议的即时通讯功能，在此基础上，采用开源的OTR4J库，在XMPP协议上实现OTR协议，充分保证应用的安全性。用户可以选择是否进入OTR加密模式，随时随地使用SecretChat即时通讯工具。系统的架构如图1所示。

图1　系统总体设计图

1.2服务器端设计

系统服务端主要提供以下三点功能：1）实现XMPP协议，使得可以和客户端正常通信，对通信数据进行处理和转发；2）提供后台维护管理的功能；3）负责处理和存储系统的通信信息及用户资料等数据。由于OTR加密主要是客户端之间的协商加密，所以对于OTR加密方面服务端只需要对OTR加密的信息进行转发和处理，无需进行OTR加密操作。系统的服务端采用开源的Openfire框架进行二次开发。

系统主要在Openfire服务器已经实现的XMPP功能进行应用和根据需求在上面开发出一个第三方登录模块，使得用户可以通过QQ、微博、百度的账号进行登陆。主要的方法步骤如下：

1）在Openfire数据库添加一个存储第三方登陆的数据表，在XMPP协议原消息格式的基础上，添加一个传输第三方登录信息的消息格式。

2）以插件开发的方式在Openfire上开发一个继承了IQHandler类的插件OAuthPlugin，该插件实现了对第三方登录的信息进行存储和验证的工作。

3）在Openfire根目录下面的build.properties文件注册该插件，修改Openfire对XMPP消息进行路由处理的IQRouter类，使得接收到客户端第三方登录的信息时，将其移交到OAuth Plugin进行相应的处理。服务端的总体框架如图2所示。

图2　服务端总体框架图

1.3客户端设计

客户端是用户与服务端沟通的桥梁，所以客户端既要能够与服务端准确实时地通信，又要提供良好的UI交互界面，将获取到服务端的信息展示给用户或者接受用户交互输入。结构上，客户端结构设计采用MVC模式。客户端主要包括XMPP协议模块、OTR协议模块以及应用模块几个部分，其总体框架如图3所示。

1）XMPP协议模块是客户端的核心模块，负责整个通讯模块的交互流。该模块主要将客户端与服务器的通信消息转换成XMPP协议规定的格式，使得客户端和服务器可以准确高效地进行通信，以及完成和服务器进行身份验证等协商的流程。

2）OTR协议模块主要负责信息的加解密过程，以确保通讯数据的安全。用户可以选择是否使用OTR协议模块所提供的功能。在OTR加密模式下，客户端发送的即时通讯信息将会被OTR安全协议进行加密，并交给底层的XMPP协议，由XMPP协议组建相应的XML流与服务器进行数据交互，当客户端收到OTR加密信息时，会交给OTR协议模块进行解密，最终还原出即时通讯信息的明文。

3）应用模块包括用户管理、阅后即焚、图像识别，数据管理，是用户与客户端交流的接口。阅后即焚可以确保发送方发送的内容在接收方查阅之后永久删除；图像识别基于开源Tesseract-ocr，实现图像信息到文本信息的转换；数据管理负责存储用户、好友信息、图形信息和语音信息等。

图3　客户端总体框架图

2　关键技术与特点

2.1XMPP在客户端的实现

Android端可以使用基于Java的开源XMPP协议包AS-mack来实现XMPP协议。主要步骤如下：

1）利用ASmack库的XMPPConnection类与服务器建立连接：首先实例化连接的配置类Connection-Configuration，配置类构造函数的参数为服务器地址和端口号，接着用SASLAuthentication类中的supportS-ASLMachanism静态方法设置登陆服务器时所选择的验证机制，最后实例化XMPPConnection类，其构造函数的参数为前面的ConnectionConfiguration对象，至此完成与服务器的连接。

2）利用前面连接服务器成功的XMPPConnection对象中的函数，就可以实现基于XMPP协议的与服务器的信息传递、服务器对客户端的信息进行处理和转发，从而完成基于XMPP协议的即时通讯。其主要操作步骤为：首先，通过XMPPConnection对象的Send-packet方法向服务器发送XMPP协议格式的消息包P-acket，然后定义一个Packet监听器，用于监听从服务器发送过来的消息包，针对不同类型的消息包进行不同的操作。

2.2OTR在客户端的实现

OTR安全协议满足即时聊天安全通讯的4个要求，即信息保密、验证身份、可抵赖性和完美前向保密性。因此Serectchat采用OTR作为安全协议，并在XMPP上进行实现。应用采用OTR4J库实现OTR加密通讯协议。该库包括了加密算法库和OTR环境操作库。在实现OTR协议过程中，使用Otr Engine、OtrEngine Host两个API初始化OTR库，接着使用OtrEnginelmpl接口中的startSession、transformSending、transformReceiving来进行Diffie-Hellman密钥交换、Reveal签名交换、签名交换。假设通讯双方为Alice与Bob，Alice将在第4阶段收到Reveal签名，发送签名后进入安全状态，而Bob在接受到Alice发送的签名之后进入安全状态。Alice与Bob的OTR会话初始化过程如图4所示。

如果会话初始化成功，可以通过transformSending、transformReceiving两个方法对即时通讯信息进行加密和解密操作。OTR信息通过OTR_MESSAGE进行标识。发送OTR信息，明文通过AES加密算法进行加密，并交给底层XMPP协议。接受OTR信息后，如果消息标志是OTR_MESSAGE，则对信息进行解密操作，最终将密文还原。

图4　OTR会话初始化过程

当通讯中有一方想终止会话，可以使用Otr Enginelmpl接口中的endSession方法来结束加密会话。

SecretChat以XMPP作为信息传输协议，在XMPP上加载OTR安全协议。在保证通讯双方通讯内容的完整性、真实性的同时也实现了完美前向保密性与可抵赖性。由于OTR的加密性质，服务器端将无法进行解密出消息“明文”进行存储，有效的防止了信息被监听、篡改、窃取的危险。

3　系统测试与分析

3.1测试环境

硬件环境：华为荣耀3C；

软件环境：Android 4.4.2。

3.2测试分析

由于本文针对的是聊天工具的互联互通性和安全性设计出SecretChat工具，所以对系统互联互通性以及加密通讯功能做了全面的测试。

3.2.1客户端主要界面

如图5～图8所示。

图5　登陆界面　图6　信息提示界面

3.2.2客户端的互联互通性能

本文分别将SecretChat客户端与主流的即时通讯工具进行信息交互，并模拟通讯双方轮流发信息给对方，SecretChat工具的互联互通性见表1。

表1　SecretChat互联互通性测试结果

图7　阅后即焚功能界面　　　　图8　OTR加密功能界面

根据表中数据可以看出，SecretChat与基于或支持开源XMPP协议的即时通讯工具能够互联互通，与采用封闭的即时通讯协议的ICQ、QQ不能互联互通。

3.2.3客户端的加密性能

（1）加密前后发送字节数对比：

本文分别比较未加密和经过OTR加密两种情况传输数据的长度，分析加密是否会造成带宽造成负担。每条不同长度的信息均发送10000次，得到的平均结果见表2。

表2　加密对带宽影响程度测试结果

根据表中数据可以看出，随着信息长度的增加，平均每个字符加密后的长度将随着减少。而且加密对带宽的影响程度几乎可以忽略不计。

（2）加密前后发送时间对比：

本文在测试过程中，模拟通讯双方轮流发信息给对方，传输每条信息所耗时间包括密钥的生成过程和信息的加解密过程。本文分别比较未加密和经过OTR加密两种情况传输数据的长度，分析加密是否对发送效率产生影响。每条不同长度的信息均发送10000次，得到的平均结果如图9所示。

图9　加密对发送效率影响程度测试结果

根据图9中数据，可以看出，未加密的数据的发送时间在40～45 ms之间，经过OTR加密的数据的发送时间在45～49 ms之间。相同信息长度，未加密和经过加密的发送时间相差是毫秒级别的，远小于用户输入的速度。因此，可以认为加密不会对数据传输的实时性造成显著的影响。

（3）加解密不同长度数据所需要的时间对比：

本文在测试过程中，模拟客户端加解密不同长度的数据，测试加解密不同长度信息所需要的时间，分析加解密算法的性能。每条不同长度的信息均模拟加解密100万次，得到的平均结果如图10所示。

图10　加解密不同长度数据所需要时间测试结果

根据图10中数据，可以看出，加解密时间随着数据的长度的增加而增加。500字节的数据在1 ms内可以完成加解密。

综合（1）至 （3），可以认为客户端拥有良好的加密性能。

3.3测试结果

通过测试，系统实现了与所有基于或支持开源XMPP协议的即时通讯工具的互联互通，使用OTR协议成功加密了会话内容并具有良好的加密性能，同时实现了用户管理、第三方登录等功能并具备良好的稳定性。系统在保证用户使用的互联互通性和便捷性的同时，也充分保护了用户会话的安全性。

4　结语

本文主要分析了即时通讯工具面临的两大问题，即通讯协议的差异性带来的软件之间的互联互通问题，以及日益严重的即时通讯的安全性问题。XMPP协议具有的开放性、可扩展性、独立性、安全性等特点解决了不同软件之间的互联互通问题，而OTR协议具有可抵赖性、完美前向保密性等特点能有效的解决了软件的安全性问题。本文以XMPP作为信息传输协议，在XMPP上实现OTR安全协议，并为软件提供了第三方登陆、“阅后即焚”等功能，设计和实现了一款更具安全性、更实用、用户体验更好的即时通讯工具SecretChat。

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Design and Implementation of Secret Chat on Android Platform

Chen Wang，Chen Hehong，Huang Qiong，Zhang Shihuan，Liu Yanbin，Zhang Qifeng
（College of Mathematics and Informatics，South China Agricultural University，Guangzhou510642，China）

Abstrct：With the rapid development of mobile Internet，Instant Messaging（IM）has become an integral part of people's life and work. However，domestic and international popular IM software is still facing two main challenges.One is the connectivity between different IM software based on different protocols，and the other is the increasingly serious security problems about IM software.In order to solve the problems，this paper analyses the characteristics of IM software.Ultimately，we design and develop the SecretChat，based on Android，which is a more secure，more practical，better user experience IM software.SecretChat uses open XMPP protocol and implements OTR security protocol on XMPP.The experimental result shows that the system features advantages of high stability with good connectivity as well as encryption communication.

instant messaging；connectivity；security；XMPP；OTR Android

1671-4598（2016）05-0230-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.065

TP3

A

2015-11-17；

2016-01-04。

广东省大学生创新训练计划项目（201410564292）；广东省高等教育教学改革项目（GDJG20141039）；华南农业大学教育改革重点项目（JG14009）。

陈望（1993-），男，广东揭阳人，主要从事信息安全方向研究。

黄琼（1982-），男，江西人，教授，硕士生导师，主要从事密码学与信息安全方向的研究。