Android Keystore 对称－非对称加密

Posted 2020-10-22 晕菜一员

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

• 存：使用Keystore 加密信息后存入SharedPreferences
• 取：从SharedPreferences取出信息並使用Keystore 解密

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

 

1 private static final String KEYSTORE_PROVIDER = "AndroidKeyStore";
2 private static final String AES_MODE = "AES/GCM/NoPadding";
3 private static final String RSA_MODE = "RSA/ECB/PKCS1Padding";
4 
5 private static final String KEYSTORE_ALIAS = "KEYSTORE_DEMO";
6 
7 KeyStore mKeyStore = KeyStore.getInstance(KEYSTORE_PROVIDER);
8 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；

1 private void genKeyStoreKey(Context context) throws Exception {
2         if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.M) {
3             generateRSAKey_AboveApi23();
4         } else {
5             generateRSAKey_BelowApi23(context);
6         }
7     }

api23 以上使用 KeyGenParameterSpec：

 1 @RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.M)
 2     private void generateRSAKey_AboveApi23() throws Exception {
 3         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator
 4                 .getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA, KEYSTORE_PROVIDER);
 5 
 6 
 7         KeyGenParameterSpec keyGenParameterSpec = new KeyGenParameterSpec
 8                 .Builder(KEYSTORE_ALIAS, KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)
 9                 .setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256, KeyProperties.DIGEST_SHA512)
10                 .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_RSA_PKCS1)
11                 .build();
12 
13         keyPairGenerator.initialize(keyGenParameterSpec);
14         keyPairGenerator.generateKeyPair();
15 
16     }

api23 以下使用 KeyPairGeneratorSpec：

 1 private void generateRSAKey_BelowApi23(Context context) throws NoSuchAlgorithmException, NoSuchProviderException, InvalidAlgorithmParameterException {
 2         Calendar start = Calendar.getInstance();
 3         Calendar end = Calendar.getInstance();
 4         end.add(Calendar.YEAR, 30);
 5 
 6         KeyPairGeneratorSpec spec = new KeyPairGeneratorSpec.Builder(context)
 7                 .setAlias(KEYSTORE_ALIAS)
 8                 .setSubject(new X500Principal("CN=" + KEYSTORE_ALIAS))
 9                 .setSerialNumber(BigInteger.TEN)
10                 .setStartDate(start.getTime())
11                 .setEndDate(end.getTime())
12                 .build();
13 
14         KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator
15                 .getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA, KEYSTORE_PROVIDER);
16 
17         keyPairGenerator.initialize(spec);
18         keyPairGenerator.generateKeyPair();
19     }

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

 1 private void genAESKey() throws Exception {
 2         // Generate AES-Key
 3         byte[] aesKey = new byte[16];
 4         SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
 5         secureRandom.nextBytes(aesKey);
 6 
 7         // Generate 12 bytes iv then save to SharedPrefs
 8         byte[] generated = secureRandom.generateSeed(12);
 9         String iv = Base64.encodeToString(generated, Base64.DEFAULT);
10         prefsHelper.setIV(iv);
12 
13         // Encrypt AES-Key with RSA Public Key then save to SharedPrefs
14         String encryptAESKey = encryptRSA(aesKey);
15         prefsHelper.setAESKey(encryptAESKey);
16     }

　　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。

 1 private String encryptRSA(byte[] plainText) throws Exception {
 2         PublicKey publicKey = keyStore.getCertificate(KEYSTORE_ALIAS).getPublicKey();
 3 
 4         Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_MODE);
 5         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
 6 
 7         byte[] encryptedByte = cipher.doFinal(plainText);
 8         return Base64.encodeToString(encryptedByte, Base64.DEFAULT);
 9    }
11 
12     private byte[] decryptRSA(String encryptedText) throws Exception {
13         PrivateKey privateKey = (PrivateKey) keyStore.getKey(KEYSTORE_ALIAS, null);
14 
15         Cipher cipher = Cipher.getInstance(RSA_MODE);
16         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);
17 
18         byte[] encryptedBytes = Base64.decode(encryptedText, Base64.DEFAULT);
19         byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(encryptedBytes);
20 
21         return decryptedBytes;
22     }

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

1 //实例化加密类，参数为加密方式，要写全
2 Cipher cipher = Cipher.getIntance("AES/CBC/PKCS5Padding");
3 
4 //初始化，此方法可以采用三种方式，按服务器要求来添加。
5 //（1）无第三个参数
6 //（2）第三个参数为SecureRandom random = new SecureRandom();
7 // 中random对象，随机数。(AES不可采用这种方法)
8 //（3）第三个参数：IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(iv.getBytes); 
9 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,  keySpec,  ivSpec/random);

具体使用：

 1 /**
 2      * AES Encryption
 3      * @param plainText: A string which needs to be encrypted.
 4      * @return A base64\'s string after encrypting.
 5      */
 6     private String encryptAES(String plainText) throws Exception {
 7         Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_MODE);
 8         cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getAESKey(), new IvParameterSpec(getIV()));
 9 
10         // 加密過後的byte
11         byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
12 
13         // 將byte轉為base64的string編碼
14         return Base64.encodeToString(encryptedBytes, Base64.DEFAULT);
15     }
17 
18     private String decryptAES(String encryptedText) throws Exception {
19         // 將加密過後的Base64編碼格式 解碼成 byte
20         byte[] decodedBytes = Base64.decode(encryptedText.getBytes(), Base64.DEFAULT);
21 
22         // 將解碼過後的byte 使用AES解密
23         Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_MODE);
24         cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, getAESKey(), new IvParameterSpec(getIV()));
25 
26         return new String(cipher.doFinal(decodedBytes));
27     }

iv 初始化向量

1 private byte[] getIV() {
2      String prefIV = prefsHelper.getIV();
3      return Base64.decode(prefIV, Base64.DEFAULT);
4 }

 

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。

1 KeyGenParameterSpec keyGenParameterSpec = new KeyGenParameterSpec
2         .Builder(KEYSTORE_ALIAS, KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)
3         .setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256, KeyProperties.DIGEST_SHA512)
4         .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_RSA_PKCS1)
5         .setKeySize(4096)
6         .build();

 

引言：

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

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