Android Keystore 对称－非对称加密

2022-11-25 20:11:32

Android数据加密：

Anroid数据加密方式

Android 提供了 KeyStore 等可以长期存储和检索加密密钥的机制，Android KeyStore 系统特别适合于存储加密密钥。

“AndroidKeyStore” 是 KeyStore 的一个子集，存进 AndroidKeyStore 的 key 将受到签名保护，并且这些 key 是存在系统里的，而不是在 App 的 data 目录下，依托于硬件的 KeyChain 存储，可以做到 private key 一旦存入就无法取出，

每个 App 自己创建的 key，别的应用是访问不到的。

它提供了限制何时以何种方式使用密钥的方法，比如使用密钥时需要用户认证或限制密钥只能在加密模式下使用。

一个应用程式只能编辑、保存、取出自己的密钥。

App可以生成或者接收一个公私密钥对，并存储在Android的Keystore系统中。公钥可以用于在应用数据放置到特定文件夹前对数据进行加密，私钥可以在需要的时候解密相应的数据。

作用：

KeyStore 适用于生成和存储密钥，这些密钥可以用来加密运行时获取到的数据，比如运行时，用户输入的密码，或者服务端传下来的 token。

操作方式

建议做法

1. 使用对称式加解密，但只能在Api Level 23+使用

对称式加解密(AES)速度较快，但是对称式的Key若要存在KeyStore裡，Api level一定要在23以上才支持，23以下是无法存入KeyStore的，非对称式的Key則不在此限。

2. 想兼容各Api版本(23以下也能用)

  • 若要存取的東西不多、字串長度也不長：直接使用非对称式加解密即可
  • 若要存取的東西很多或字串長度很長：由於非对称式加解密速度较慢，使用非对称式+对称式加解密可以解決此問題。

考慮到加解密效能、版本兼容，下面會介紹用非对称式+对称式來加解密。

KeyStore非对称+对称式加解密流程

  1. 使用KeyStore产生随机的RSA Key；
  2. 产生AES Key，并用RSA Public Key加密后存入SharedPrefs；
  3. 从SharedPrefs取出AES Key，並用RSA Private Key解密，用這把AES Key來加解密信息；

主流的加密方式有：（对称加密）AES、DES        （非对称加密）RSA、DSA

工作模式:

DES一共有:

电子密码本模式（ECB）、加密分组链接模式（CBC）、加密反馈模式（CFB）、输出反馈模式（OFB）;

AES一共有：

电子密码本模式（ECB）、加密分组链接模式（CBC）、加密反馈模式（CFB）、输出反馈模式（OFB）、计数器模式（CTR），伽罗瓦计数器模式（GCM）

PKCS5Padding是填充模式，还有其它的填充模式;

对于初始化向量iv: 初始化向量参数，AES 为16bytes. DES 为8bytes

 private static final String KEYSTORE_PROVIDER = "AndroidKeyStore";

 private static final String AES_MODE = "AES/GCM/NoPadding";

 private static final String RSA_MODE = "RSA/ECB/PKCS1Padding";

 private static final String KEYSTORE_ALIAS = "KEYSTORE_DEMO";

 KeyStore mKeyStore = KeyStore.getInstance(KEYSTORE_PROVIDER);

 mKeyStore.load(null);

（1）产生随机的RSA Key

产生RSA Key会使用到KeyPairGenerator：

其中KeyPairGeneratorSpec在Api 23以上已經Deprecated了；

Api level 23以上改使用KeyGenParameterSpec；

 private void genKeyStoreKey(Context context) throws Exception {

         if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {

             generateRSAKey_AboveApi23();

         } else {

             generateRSAKey_BelowApi23(context);

         }

     }

api23 以上使用 KeyGenParameterSpec：

 @RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.M)

     private void generateRSAKey_AboveApi23() throws Exception {

         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator

                 .getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA, KEYSTORE_PROVIDER);

         KeyGenParameterSpec keyGenParameterSpec = new KeyGenParameterSpec

                 .Builder(KEYSTORE_ALIAS, KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)

                 .setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256, KeyProperties.DIGEST_SHA512)

                 .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_RSA_PKCS1)

                 .build();

         keyPairGenerator.initialize(keyGenParameterSpec);

         keyPairGenerator.generateKeyPair();

     }

api23 以下使用 KeyPairGeneratorSpec：

 private void generateRSAKey_BelowApi23(Context context) throws NoSuchAlgorithmException, NoSuchProviderException, InvalidAlgorithmParameterException {

         Calendar start = Calendar.getInstance();

         Calendar end = Calendar.getInstance();

         end.add(Calendar.YEAR, 30);

         KeyPairGeneratorSpec spec = new KeyPairGeneratorSpec.Builder(context)

                 .setAlias(KEYSTORE_ALIAS)

                 .setSubject(new X500Principal("CN=" + KEYSTORE_ALIAS))

                 .setSerialNumber(BigInteger.TEN)

                 .setStartDate(start.getTime())

                 .setEndDate(end.getTime())

                 .build();

         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator

                 .getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA, KEYSTORE_PROVIDER);

         keyPairGenerator.initialize(spec);

         keyPairGenerator.generateKeyPair();

     }

（2）产生AES Key后， 并用RSA Public Key加密后存入SharedPrefs

 private void genAESKey() throws Exception {

         // Generate AES-Key

         byte[] aesKey = new byte[16];

         SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();

         secureRandom.nextBytes(aesKey);

         // Generate 12 bytes iv then save to SharedPrefs

         byte[] generated = secureRandom.generateSeed(12);

         String iv = Base64.encodeToString(generated, Base64.DEFAULT);

         prefsHelper.setIV(iv);

         // Encrypt AES-Key with RSA Public Key then save to SharedPrefs

         String encryptAESKey = encryptRSA(aesKey);

         prefsHelper.setAESKey(encryptAESKey);

     }

　　1］ 加密存储：使用RSA Public Key 加密 AES Key，存入缓存中。

　　2]  解密使用：使用RSA Private Key 解密 得到 AES Key。

 private String encryptRSA(byte[] plainText) throws Exception {

         PublicKey publicKey = keyStore.getCertificate(KEYSTORE_ALIAS).getPublicKey();

         Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_MODE);

         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);

         byte[] encryptedByte = cipher.doFinal(plainText);

         return Base64.encodeToString(encryptedByte, Base64.DEFAULT);

    }

     private byte[] decryptRSA(String encryptedText) throws Exception {

         PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyStore.getKey(KEYSTORE_ALIAS, null);

         Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_MODE);

         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);

         byte[] encryptedBytes = Base64.decode(encryptedText, Base64.DEFAULT);

         byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);

         return decryptedBytes;

     }

获取AES :

1 private SecretKeySpec getAESKey() throws Exception {

2         String encryptedKey = prefsHelper.getAESKey();

3         byte[] aesKey = decryptRSA(encryptedKey);

4

5         return new SecretKeySpec(aesKey, AES_MODE);

6     }

再使用AES 加解密内容：

对于：Cipher 初始化

 //实例化加密类，参数为加密方式，要写全

 Cipher cipher = Cipher.getIntance("AES/CBC/PKCS5Padding");

 //初始化，此方法可以采用三种方式，按服务器要求来添加。

 //（1）无第三个参数

 //（2）第三个参数为SecureRandom random = new SecureRandom();

 // 中random对象，随机数。(AES不可采用这种方法)

 //（3）第三个参数：IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes);

 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,  keySpec,  ivSpec/random);

具体使用：

 /**

      * AES Encryption

      * @param plainText: A string which needs to be encrypted.

      * @return A base64's string after encrypting.

      */

     private String encryptAES(String plainText) throws Exception {

         Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_MODE);

         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getAESKey(), new IvParameterSpec(getIV()));

         // 加密過後的byte

         byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());

         // 將byte轉為base64的string編碼

         return Base64.encodeToString(encryptedBytes, Base64.DEFAULT);

     }

     private String decryptAES(String encryptedText) throws Exception {

         // 將加密過後的Base64編碼格式 解碼成 byte

         byte[] decodedBytes = Base64.decode(encryptedText.getBytes(), Base64.DEFAULT);

         // 將解碼過後的byte 使用AES解密

         Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_MODE);

         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getAESKey(), new IvParameterSpec(getIV()));

         return new String(cipher.doFinal(decodedBytes));

     }

iv 初始化向量

 private byte[] getIV() {

      String prefIV = prefsHelper.getIV();

      return Base64.decode(prefIV, Base64.DEFAULT);

 }

关于RSA：

使用RSA加解密时，在较低版本的手机上可能无法选择OAEP(最优非对称加密填充，RSA的加密解密是基于OAEP的)這個模式;

因此可以改使用RSA_PKCS1_PADDING模式，使用这个模式的話，输入必须比RSA的Key至少11個字节，如果需要被加密的字串过长的话，可以在产生Key时指定Key Size长度，或是将字串分段加密。

以预设Key Size = 2048bit(256byte)來说，输入最长只能到256–11=245byte，我們可以透过setKeySize(int keySize)指定Key的长度，但是Key Size越大，加解密时速度就越慢。

 KeyGenParameterSpec keyGenParameterSpec = new KeyGenParameterSpec

         .Builder(KEYSTORE_ALIAS, KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)

         .setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256, KeyProperties.DIGEST_SHA512)

         .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_RSA_PKCS1)

         .setKeySize(4096)

         .build();

引言：

RSA Supported sizes: 512, 768, 1024, 2048, 3072, 4096

RSA PKCS1 填充方式

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