无需服务器的 TOX 通信协议

Tox 是一个开源的实时通信协议，不需要中央服务器，提供多种跨平台的客户端。

一个简单介绍: https://www.coldl.com/1545.html。

1. Tox 的基本用法

目前 Tox 提供多种跨平台的客户端，但基本用法都类似。

客户端可以直接生成新的账号，每个账号由公钥和私钥组成，其中公钥包含在用户 ID 中，私钥则保存在设备上。用户可以备份和复制私钥文件，然后用于不同设备登录相同账号。

账号可以用密码来保护，相当于将私钥用密码加密保存。但一旦忘记密码，账号就彻底丢失了。因为这里没有一个中心服务器提供找回密码的服务。

一个用户 ID 是由 32 字节的公钥， 4 字节的 NoSpam 码， 2 字节的校验码构成。其中一个字节实际数据为 0 到 255 ，用 16 进制的可视化表示（ A 到 F 表示 10 到 15 ）有 2 位。因此实际看到的是 64 位的公钥， 8 位的 NoSpam 码和 4 位的检验码：

这里 NoSpam 也是一个精妙的设计，可以防止恶意添加好友。由于公钥一旦公布就不能随意改动，如果没有 NoSpam ，相当于个人地址被泄露。现在用户可以通过修改 NoSpam 码，改动个人地址，对方必须使用新的地址才能添加好友。新地址有 256^4 种可能性，足以防范枚举攻击。而已有的好友关系不受影响。

添加好友后，聊天功能和其它工具类似。

2. Tox 的缺陷

目前 Tox 的主要缺陷有：

• 不支持离线消息。
• 实际使用时，用户状态不准确造就更大的问题。比如对方不在线却显示在线，或者明明已登录，对方却看不到我。在手机上尤其明显。
• 不支持多点登录。
• 点对点通讯，暴露个人位置。虽然可以通过代理来缓解，普通用户无能力也无资源。而且目前的 tox 实现，只支持匿名代理。但匿名代理很容易被滥用。

其中点对点通讯带来的问题在手机上尤其严重。即使不聊天，应用也需要和所有好友不断通讯维持用户的在线状态，每个好友都需要维持一个网络连接，这使得手机应用耗电非常大。

3. Tox 通信协议

Tox 使用一系列算法来确保加密，调用了NaCI的实现libsodium，所有实现都位于c-toxcore。具体的规范在。

具体的加密算法有：

• (ECDSA & DH)密钥生成和交换算法： X25519
• (DEA)堆成加密算法： XSalsa20 stream cipher
• (MAC)验证: Poly1305 MAC

3.1. 用户 ID 的生成

生成一个用户 ID 主要是要生成一个私钥-公钥对，具体实现使用NaCI的crypto_box_keypair函数。该函数内部使用的是 Curve25519 生成公钥和私钥密码对。

这里需要注意的是，该公钥私钥体系属于ECDSA，而不是 RSA 体系。它只能用来签名，不能用来加密解密。

用户 ID 除了公钥外，还有 4 位 NoSpam 码，这是完全随机的。检验码则是简单 XOR。

3.2. 如何发现对方 IP

Tox 是点到点直连。那么在没有中心服务器存储每个人的位置时，如何获得对方的 IP 呢？ 这可能是 Tox 最核心的部分了。这里面有两个最核心的组件：

• DHT 分布式哈希表。DHT 里有多个节点，每个 Tox 的客户端都是一个节点。每个节点都有一个临时 DHT 地址。DHT 网络的作用是：任何人都可以通过 DHT 查询指定节点。
• Onion 洋葱网络。洋葱网络连接

在这两个组件的帮助下，要想发现对方，只需要两步：

1. 使用 Onion ，根据用户 ID 里面的公钥部分，查到好友的临时 DHT 地址。
2. 使用 DHT ，连到指定 DHT 地址的具体节点。

由于 Onion 也构建在 DHT 的基础上，我们先看 DHT。

3.2.1. DHT 分布式哈希表

DHT 全称叫分布式哈希表(Distributed Hash Table)，是一种分布式存储方法。在不需要服务器的情况下，每个节点负责一个小范围的路由，并负责存储一小部分数据，从而实现整个 DHT 网络的寻址和存储。

Tox 也使用 DHT 网络也维护所有用户的状态。每个用户的客户端都是 DHT 网络里的一个节点。每个节点都有一个临时的公钥私钥密码对，其中公钥作为节点（或者说用户）的临时 DHT 地址。这和用户 ID 非常类似，不同的时，用户 ID 在同一用户上保存不变，甚至可以通过复制转到另外一个客户端。而节点地址则在客户端每次重启都会重新生成。

TOX DHT 的维护算法基本和一致。每个节点都用8-buckets结构维护临近节点。

当用户知道对方的 DHT 地址时，会递归查询与目标地址更近的节点，直到找到目标节点。tox 也提供 8 个引导节点，以实现第一层的递归查询。

3.2.2. Onion 洋葱网络

Onion 洋葱网络用来根据用户 ID 里面的公钥部分，查询用户的临时 DHT 地址。但它要实现的东西更多：

• 如果查询方已经是被查询方的好友，可以顺利查询到被查询方的好友。
• 如果查询方还不是被查询方的好友，此时不能暴露被查询方的位置。
• 不能从用户的临时 DHT 地址，暴露出该用户的公钥地址。

3.3. 如何添加好友

【未完待续】

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