Android 安全加密：對稱加密詳解

Android安全加密專題文章索引

1. Android安全加密：對稱加密
   
2. Android安全加密：非對稱加密
   
3. Android安全加密：消息摘要Message Digest
   
4. Android安全加密：數字簽名和數字證書
   
5. Android安全加密：Https編程
   

以上學習所有內容，對稱加密、非對稱加密、消息摘要、數字簽名等知識都是為了理解數字證書工作原理而作為一個預備知識。數字證書是密碼學裡的終極武器，是人類幾千年歷史總結的智慧的結晶，只有在明白了數字證書工作原理後，才能理解Https 協議的安全通訊機制。最終才能在SSL 開發過程中得心應手。

另外，對稱加密和消息摘要這兩個知識點是可以單獨拿來使用的。

數字證書使用到了以上學習的所有知識

1. 對稱加密與非對稱加密結合使用實現了秘鑰交換，之後通信雙方使用該秘鑰進行對稱加密通信。
2. 消息摘要與非對稱加密實現了數字簽名，根證書機構對目標證書進行簽名，在校驗的時候，根證書用公鑰對其進行校驗。若校驗成功，則說明該證書是受信任的。
3. Keytool 工具可以創建證書，之後交給根證書機構認證後直接使用自簽名證書，還可以輸出證書的RFC格式信息等。
4. 數字簽名技術實現了身份認證與數據完整性保證。
5. 加密技術保證了數據的保密性，消息摘要算法保證了數據的完整性，對稱加密的高效保證了數據處理的可靠性，數字簽名技術保證了操作的不可否認性。
   

通過以上內容的學習，我們要能掌握以下知識點：

1. 基礎知識：bit 位、字節、字符、字符編碼、進制轉換、io
2. 知道怎樣在實際開發裡怎樣使用對稱加密解決問題
3. 知道對稱加密、非對稱加密、消息摘要、數字簽名、數字證書是為了解決什麼問題而出現的
4. 了解SSL 通訊流程
5. 實際開發裡怎樣請求Https 的接口
   

凱撒密碼

1. 介紹

凱撒密碼作為一種最為古老的對稱加密體制，在古羅馬的時候都已經很流行，他的基本思想是：通過把字母移動一定的位數來實現加密和解密。明文中的所有字母都在字母表上向後（或向前）按照一個固定數目進行偏移後被替換成密文。例如，當偏移量是3 的時候，所有的字母A 將被替換成D，B 變成E，由此可見，位數就是凱撒密碼加密和解密的密鑰。

例如：字符串”ABC”的每個字符都右移3 位則變成”DEF”，解密的時候”DEF”的每個字符左移3 位即能還原，如下圖所示：

2. 准備知識

 //字符轉換成ASCII 碼數值
 char charA = 'a';
 int intA = charA; //char 強轉為int 即得到對應的ASCII 碼值，'a'的值為97

//ASCII 碼值轉成char
int intA = 97;//97 對應的ASCII 碼'a'
char charA = (char) intA; //int 值強轉為char 即得到對應的ASCII 字符，即'a'

3. 凱撒密碼的簡單代碼實現

 /**
 * 加密
 * @param input 數據源（需要加密的數據）
 * @param key 秘鑰，即偏移量
 * @return 返回加密後的數據
 */
 public static String encrypt(String input, int key) {
 //得到字符串裡的每一個字符
 char[] array = input.toCharArray();

 for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
 //字符轉換成ASCII 碼值
 int ascii = array[i];
 //字符偏移，例如a->b
 ascii = ascii + key;
 //ASCII 碼值轉換為char
 char newChar = (char) ascii;
 //替換原有字符
 array[i] = newChar;

 //以上4 行代碼可以簡寫為一行
 //array[i] = (char) (array[i] + key);
 }

 //字符數組轉換成String
 return new String(array);
 }

 /**
 * 解密
 * @param input 數據源（被加密後的數據）
 * @param key 秘鑰，即偏移量
 * @return 返回解密後的數據
 */
 public static String decrypt(String input, int key) {
 //得到字符串裡的每一個字符
 char[] array = input.toCharArray();
 for (int i = 0; i < array.length; ++i) {
 //字符轉換成ASCII 碼值
 int ascii = array[i];
 //恢復字符偏移，例如b->a
 ascii = ascii - key;
 //ASCII 碼值轉換為char
 char newChar = (char) ascii;
 //替換原有字符
 array[i] = newChar;

 //以上4 行代碼可以簡寫為一行
 //array[i] = (char) (array[i] - key);
 }

 //字符數組轉換成String
 return new String(array);
 }

代碼輸出結果：

4. 破解凱撒密碼：頻率分析法

凱撒密碼加密強度太低，只需要用頻度分析法即可破解。

在任何一種書面語言中，不同的字母或字母組合出現的頻率各不相同。而且，對於以這種語言書寫的任意一段文本，都具有大致相同的特征字母分布。比如，在英語中，字母E 出現的頻率很高，而X 則出現得較少。

英語文本中典型的字母分布情況如下圖所示：

5. 破解流程

1. 統計密文裡出現次數最多的字符，例如出現次數最多的字符是是'h'。
2. 計算字符'h'到'e'的偏移量，值為3，則表示原文偏移了3 個位置。
3. 將密文所有字符恢復偏移3 個位置。
   

注意點：統計密文裡出現次數最多的字符時，需多統計幾個備選，因為最多的可能是空格或者其他字符，例如下圖出現次數最多的字符'#'是空格加密後的字符，'h'才是'e'偏移後的值。

解密時要多幾次嘗試，因為不一定出現次數最多的字符就是我們想要的目標字符，如下圖，第二次解密的結果才是正確的。

/**
 * 頻率分析法破解凱撒密碼
 */
public class FrequencyAnalysis {
 //英文裡出現次數最多的字符
 private static final char MAGIC_CHAR = 'e';
 //破解生成的最大文件數
 private static final int DE_MAX_FILE = 4;

 public static void main(String[] args) throws Exception {
 //測試1，統計字符個數
 //printCharCount("article1_en.txt");

 //加密文件
 //int key = 3;
 //encryptFile("article1.txt", "article1_en.txt", key);

 //讀取加密後的文件
 String artile = file2String("article1_en.txt");
 //解密（會生成多個備選文件）
 decryptCaesarCode(artile, "article1_de.txt");
 }

 public static void printCharCount(String path) throws IOException{
 String data = file2String(path);
 List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(data);
 for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
 //輸出前幾位的統計信息
 System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現" + entry.getValue() + "次");
 }
 }

 public static void encryptFile(String srcFile, String destFile, int key) throws IOException {
 String artile = file2String(srcFile);
 //加密文件
 String encryptData = MyEncrypt.encrypt(artile, key);
 //保存加密後的文件
 string2File(encryptData, destFile);
 }

 /**
 * 破解凱撒密碼
 * @param input 數據源
 * @return 返回解密後的數據
 */
 public static void decryptCaesarCode(String input, String destPath) {
 int deCount = 0;//當前解密生成的備選文件數
 //獲取出現頻率最高的字符信息（出現次數越多越靠前）
 List<Entry<Character, Integer>> mapList = getMaxCountChar(input);
 for (Entry<Character, Integer> entry : mapList) {
 //限制解密文件備選數
 if (deCount >= DE_MAX_FILE) {
 break;
 }

 //輸出前幾位的統計信息
 System.out.println("字符'" + entry.getKey() + "'出現" + entry.getValue() + "次");

 ++deCount;
 //出現次數最高的字符跟MAGIC_CHAR的偏移量即為秘鑰
 int key = entry.getKey() - MAGIC_CHAR;
 System.out.println("猜測key = " + key + "， 解密生成第" + deCount + "個備選文件" + "\n");
 String decrypt = MyEncrypt.decrypt(input, key);

 String fileName = "de_" + deCount + destPath;
 string2File(decrypt, fileName);
 }
 }

 //統計String裡出現最多的字符
 public static List<Entry<Character, Integer>> getMaxCountChar(String data) {
 Map<Character, Integer> map = new HashMap<Character, Integer>();
 char[] array = data.toCharArray();
 for (char c : array) {
 if(!map.containsKey(c)) {
 map.put(c, 1);
 }else{
 Integer count = map.get(c);
 map.put(c, count + 1);
 }
 }

 //輸出統計信息
 /*for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
 System.out.println(entry.getKey() + "出現" + entry.getValue() + "次");
 }*/

 //獲取獲取最大值
 int maxCount = 0;
 for (Entry<Character, Integer> entry : map.entrySet()) {
 //不統計空格
 if (/*entry.getKey() != ' ' && */entry.getValue() > maxCount) { 
 maxCount = entry.getValue();
 }
 }

 //map轉換成list便於排序
 List<Entry<Character, Integer>> mapList = new ArrayList<Map.Entry<Character,Integer>>(map.entrySet());
 //根據字符出現次數排序
 Collections.sort(mapList, new Comparator<Entry<Character, Integer>>(){
 @Override
 public int compare(Entry<Character, Integer> o1,
 Entry<Character, Integer> o2) {
 return o2.getValue().compareTo(o1.getValue());
 }
 });
 return mapList;
 }

 public static String file2String(String path) throws IOException {
 FileReader reader = new FileReader(new File(path));
 char[] buffer = new char[1024];
 int len = -1;
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 while ((len = reader.read(buffer)) != -1) {
 sb.append(buffer, 0, len);
 }
 return sb.toString();
 }

 public static void string2File(String data, String path){
 FileWriter writer = null;
 try {
 writer = new FileWriter(new File(path));
 writer.write(data);
 } catch (Exception e) {
 e.printStackTrace();
 }finally {
 if (writer != null) {
 try {
 writer.close();
 } catch (IOException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }
 }

 }
}

對稱加密

介紹

加密和解密都使用同一把秘鑰，這種加密方法稱為對稱加密，也稱為單密鑰加密。
簡單理解為：加密解密都是同一把鑰匙。

凱撒密碼就屬於對稱加密，他的字符偏移量即為秘鑰。

對稱加密常用算法

AES、DES、3DES、TDEA、Blowfish、RC2、RC4、RC5、IDEA、SKIPJACK 等。

DES：全稱為Data Encryption Standard，即數據加密標准，是一種使用密鑰加密的塊算法，1976 年被美國聯邦政府的國家標准局確定為聯邦資料處理標准（FIPS），隨後在國際上廣泛流傳開來。

3DES：也叫Triple DES，是三重數據加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）塊密碼的通稱。
它相當於是對每個數據塊應用三次DES 加密算法。由於計算機運算能力的增強，原版DES 密碼的密鑰長度變得容易被暴力破解；3DES 即是設計用來提供一種相對簡單的方法，即通過增加DES 的密鑰長度來避免類似的攻擊，而不是設計一種全新的塊密碼算法。

AES: 高級加密標准（英語：Advanced Encryption Standard，縮寫：AES），在密碼學中又稱Rijndael 加密法，是美國聯邦政府采用的一種區塊加密標准。這個標准用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。經過五年的甄選流程，高級加密標准由美國國家標准與技術研究院（NIST）於2001 年11 月26 日發布於FIPS PUB 197，並在2002 年5 月26 日成為有效的標准。2006 年，高級加密標准已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。

DES 算法簡介

DES 加密原理（對比特位進行操作，交換位置，異或等等，無需詳細了解）

准備知識

Bit 是計算機最小的傳輸單位。以0 或1 來表示比特位的值

例如數字3 對應的二進制數據為：00000011

代碼示例

 int i = 97;
 String bit = Integer.toBinaryString(i);
 //輸出：97 對應的二進制數據為： 1100001
 System.out.println(i + "對應的二進制數據為： " + bit);

Byte 與Bit 區別

數據存儲是以“字節”（Byte）為單位，數據傳輸是以大多是以“位”（bit，又名“比特”）為單位，一個位就代表一個0 或1（即二進制），每8 個位（bit，簡寫為b）組成一個字節（Byte，簡寫為B），是最小一級的信息單位。

Byte 的取值范圍：

//byte 的取值范圍：-128 到127
System.out.println(Byte.MIN_VALUE + "到" + Byte.MAX_VALUE);

即10000000 到01111111 之間，一個字節占8 個比特位

二進制轉十進制圖示：

任何字符串都可以轉換為字節數組

String data = "1234abcd";
byte[] bytes = data.getBytes();//內容為：49 50 51 52 97 98 99 100

上面數據49 50 51 52 97 98 99 100 對應的二進制數據（即比特位為）：

00110001
00110010
00110011
00110100
01100001
01100010
01100011
01100100

將他們間距調大一點，可看做一個矩陣：

之後可對他們進行各種操作，例如交換位置、分割、異或運算等，常見的加密方式就是這樣操作比特位的，例如下圖的IP 置換以及S-Box 操作都是常見加密的一些方式：

IP 置換：

S-BOX 置換：

DES 加密過程圖解（流程很復雜，只需要知道內部是操作比特位即可）：

對稱加密應用場景

1. 本地數據加密（例如加密android 裡SharedPreferences 裡面的某些敏感數據）
2. 網絡傳輸：登錄接口post 請求參數加密{username=lisi,pwd=oJYa4i9VASRoxVLh75wPCg==}
3. 加密用戶登錄結果信息並序列化到本地磁盤(將user 對象序列化到本地磁盤，下次登錄時反序列化到內存裡)
4. 網頁交互數據加密（即後面學到的Https）
   

DES 算法代碼實現

//1,得到cipher 對象（可翻譯為密碼器或密碼系統）
 Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES");
 //2，創建秘鑰
 SecretKey key = KeyGenerator.getInstance("DES").generateKey();
 //3，設置操作模式（加密/解密）
 cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
 //4，執行操作
 byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());

AES 算法代碼實現

用法同上，只需把”DES”參數換成”AES”即可。

使用Base64 編碼加密後的結果

byte[] result = cipher.doFinal("黑馬".getBytes());
System.out.println(new String(result));

輸出結果：

加密後的結果是字節數組，這些被加密後的字節在碼表（例如UTF-8 碼表）上找不到對應字符，會出現亂碼，當亂碼字符串再次轉換為字節數組時，長度會變化，導致解密失敗，所以轉換後的數據是不安全的。

使用Base64 對字節數組進行編碼，任何字節都能映射成對應的Base64 字符，之後能恢復到字節數組，利於加密後數據的保存於傳輸，所以轉換是安全的。同樣，字節數組轉換成16 進制字符串也是安全的。

密文轉換成Base64 編碼後的輸出結果：

密文轉換成16 進制編碼後的輸出結果：

Java 裡沒有直接提供Base64 以及字節數組轉16 進制的Api，開發中一般是自己手寫或直接使用第三方提供的成熟穩定的工具類（例如apache 的commons-codec）。

Base64 字符映射表

對稱加密的具體應用方式

1. 生成秘鑰並保存到硬盤上，以後讀取該秘鑰進行加密解密操作，實際開發中用得比較少

//生成隨機秘鑰
SecretKey secretKey = KeyGenerator.getInstance("AES").generateKey();
//序列化秘鑰到磁盤上
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(new File("heima.key"));

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(secretKey);

//從磁盤裡讀取秘鑰
FileInputStream fis = new FileInputStream(new File("heima.key"));
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
Key key = (Key) ois.readObject();

2. 使用自定義秘鑰（秘鑰寫在代碼裡）

//創建密鑰寫法1
KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key.getBytes());
SecretKey secretKey = SecretKeyFactory.getInstance(ALGORITHM).
generateSecret(keySpec);

//創建密鑰寫法2
//SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(key.getBytes(), KEY_ALGORITHM);

Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, secretKey);
//得到key 後，後續代碼就是Cipher 的寫法，此處省略...

注意事項

把秘鑰寫在代碼裡有一定風險，當別人反編譯代碼的時候，可能會看到秘鑰，Android 開發裡建議用JNI 把秘鑰值寫到C 代碼裡，甚至拆分成幾份，最後再組合成真正的秘鑰

算法/工作模式/填充模式

初始化cipher 對象時，參數可以直接傳算法名：例如：

Cipher c = Cipher.getInstance("DES");

也可以指定更詳細的參數，格式：”algorithm/mode/padding” ，即”算法/工作模式/填充模式”

Cipher c = Cipher.getInstance("DES/CBC/PKCS5Padding");

密碼塊工作模式

塊密碼工作模式(Block cipher mode of operation)，是對於按塊處理密碼的加密方式的一種擴充，不僅僅適用於AES，包括DES, RSA 等加密方法同樣適用。

填充模式

填充(Padding)，是對需要按塊處理的數據，當數據長度不符合塊處理需求時，按照一定方法填充滿塊長的一種規則。

具體代碼：

//秘鑰算法
private static final String KEY_ALGORITHM = "DES";
//加密算法：algorithm/mode/padding 算法/工作模式/填充模式
private static final String CIPHER_ALGORITHM = "DES/ECB/PKCS5Padding";
//秘鑰
private static final String KEY = "12345678";//DES 秘鑰長度必須是8 位或以上
//private static final String KEY = "1234567890123456";//AES 秘鑰長度必須是16 位

//初始化秘鑰
SecretKey secretKey = new SecretKeySpec(KEY.getBytes(), KEY_ALGORITHM);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);

//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);
byte[] result = cipher.doFinal(input.getBytes());

注意：AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 參數

//AES、DES 在CBC 操作模式下需要iv 參數
IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(key.getBytes());

//加密
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, iv);

總結

DES 安全度在現代已經不夠高，後來又出現的3DES 算法強度提高了很多，但是其執行效率低下，AES算法加密強度大，執行效率高，使用簡單，實際開發中建議選擇AES 算法。實際android 開發中可以用對稱加密（例如選擇AES 算法）來解決很多問題，例如：

1. 做一個管理密碼的app，我們在不同的網站裡使用不同賬號密碼，很難記住，想做個app 統一管理，但是賬號密碼保存在手機裡，一旦丟失了容易造成安全隱患，所以需要一種加密算法，將賬號密碼信息加密起來保管，這時候如果使用對稱加密算法，將數據進行加密，秘鑰我們自己記在心裡，只需要記住一個密碼。需要的時候可以還原信息。
2. android 裡需要把一些敏感數據保存到SharedPrefrence 裡的時候，也可以使用對稱加密，這樣可以在需要的時候還原。
3. 請求網絡接口的時候，我們需要上傳一些敏感數據，同樣也可以使用對稱加密，服務端使用同樣的算法就可以解密。或者服務端需要給客戶端傳遞數據，同樣也可以先加密，然後客戶端使用同樣算法解密.