Android數據加密概述及多種加密方式 聊天記錄及賬戶加密 提供高質量的數據保護

　　Android數據加密概述及多種加密方式 聊天記錄及賬戶加密 提供高質量的數據保護

　　數據加密又稱密碼學，它是一門歷史悠久的技術，指通過加密算法和加密密鑰將明文轉變為密文，而解密則是通過解密算法和解密密鑰將密文恢復為明文。數據加密目前仍是計算機系統對信息進行保護的一種最可靠的辦法。它利用密碼技術對信息進行加密，實現信息隱蔽，從而起到保護信息的安全的作用。

　　一、概述

　　數據加密是指通過加密算法和加密密鑰將明文轉變為密文，而解密則是通過解密算法和解密密鑰將密文恢復為明文。它產生的歷史相當久遠，它是起源於要追溯於公元前2000年(幾個世紀了)，雖然它不是現在我們所講的加密技術(甚至不叫加密)，但作為一種加密的概念，確實早在幾個世紀前就誕生了。當時埃及人是最先使用特別的象形文字作為信息編碼的，隨著時間推移，巴比倫、美索不達米亞和希臘文明都開始使用一些方法來保護他們的書面信息。其最基本方法是易位法和置換法。其模型如右圖。

　　加密技術包括兩個元素：算法和密鑰。算法是將普通的文本(或者可以理解的信息)與一串數字(密鑰)的結合，產生不可理解的密文的步驟，密鑰是用來對數據進行編碼和解碼的參數。

　　不知不覺中，現實生活中，我們也在使用加密的技術。例如：藏頭詩：

　　新雁才聞一兩聲

　　年年長是惹東風

　　快箭拂下西飛鵬

　　樂不專一須锵铿

　　電報：

　　電報收下來一般都是數碼例如一份報是1234 2234 3234…根據手裡的密碼本用來解密，而且這個密碼本是要每隔一定時間就要換一本的，這在事前收發雙方就已有約定，什麼時間換什麼本。 收下一份報，首先要根據另外一份密碼把報轉成真碼，比如1對應2，2對應3…3對應4 原報文處理成如下2345，3345， 4345…當然這只是打比方，然後再利用密碼本，根據密碼本上的解密方法，比如2345對應“我想”，3345對應“要吃”，4345對應“雞腿”…合起來就是我想要吃雞腿，你看這過程中沒了密碼本，特務即使拿下原報文1234也沒辦法。

　　這些，都是現實中加密例子。

　　二、特征

　　1. 數據保密性

　　保密性：指防止非法授權用戶獲得有用信息。現時生活有相應的例子，例如，你要將一個秘密事情告訴別人，故而要將這個事情悄悄的告訴別人。這樣能夠防止非法用戶獲取授權。數據加密也是基於這樣的特性。

　　2. 數據完整性

　　完整性：指信息沒有被非授權用戶更改和破壞，包括信息在生成、傳輸、存儲中不被刪除、篡改、偽造等。例如，古代皇帝，下诏的時候，需要筆記和皇英，就是為了保證數據的完整性。

　　3. 不可抵賴性

　　不可抵賴性：指實體無法否認或抵賴曾經發送、接受某信息或參與網絡信息交互活動的事實。古代的簽字畫押，也是這樣的原理把。

　　三、常用加密算法比較

　　1. Hash算法

　　hash算法的意義在於提供了一種快速存取數據的方法,它用一種算法建立鍵值與真實值之間的對應關系,(每一個真實值只能有一個鍵值,但是一個鍵值可以對應多個真實值),這樣可以快速在數組等條件中裡面存取數據.

　　2. MD5算法

　　MD5的全稱是Message-Digest Algorithm 5(信息-摘要算法)，在90年代初由MITLaboratory for Computer Science和RSA Data Security Inc的Ronald L. Rivest開發出來，經MD2、MD3和MD4發展而來。它的作用是讓大容量信息在用數字簽名軟件簽署私人密匙前被"壓縮"成一種保密的格式(就是把一個任意長度的字節串變換成一定長的大整數)。不管是MD2、MD4還是MD5，它們都需要獲得一個隨機長度的信息並產生一個128位的信息摘要。雖然這些算法的結構或多或少有些相似，但MD2的設計與MD4和MD5完全不同，那是因為MD2是為8位機器做過設計優化的，而MD4和MD5卻是面向32位的電腦。這三個算法的描述和C語言源代碼在Internet RFCs 1321中有詳細的描述(http://www.ietf.org/rfc/rfc1321.txt)，這是一份最權威的文檔，由Ronald L. Rivest在1992年8月向IEFT提交。

　　Van Oorschot和Wiener曾經考慮過一個在散列中暴力搜尋沖突的函數(Brute-Force HashFunction)，而且他們猜測一個被設計專門用來搜索MD5沖突的機器(這台機器在1994年的制造成本大約是一百萬美元)可以平均每24天就找到一個沖突。但單從1991年到2001年這10年間，竟沒有出現替代MD5算法的MD6或被叫做其他什麼名字的新算法這一點，我們就可以看出這個瑕疵並沒有太多的影響MD5的安全性。上面所有這些都不足以成為MD5的在實際應用中的問題。並且，由於MD5算法的使用不需要支付任何版權費用的，所以在一般的情況下(非絕密應用領域。但即便是應用在絕密領域內，MD5也不失為一種非常優秀的中間技術)，MD5怎麼都應該算得上是非常安全的了。

　　算法的應用

　　MD5的典型應用是對一段信息(Message)產生信息摘要(Message-Digest)，以防止被篡改。比如，在UNIX下有很多軟件在下載的時候都有一個文件名相同，文件擴展名為.md5的文件，在這個文件中通常只有一行文本，大致結構如：

　　MD5 (tanajiya.tar.gz) = 0ca175b9c0f726a831d895e269332461

　　這就是tanajiya.tar.gz文件的數字簽名。MD5將整個文件當作一個大文本信息，通過其不可逆的字符串變換算法，產生了這個唯一的MD5信息摘要。如果在以後傳播這個文件的過程中，無論文件的內容發生了任何形式的改變(包括人為修改或者下載過程中線路不穩定引起的傳輸錯誤等)，只要你對這個文件重新計算MD5時就會發現信息摘要不相同，由此可以確定你得到的只是一個不正確的文件。如果再有一個第三方的認證機構，用MD5還可以防止文件作者的"

　　抵賴"，這就是所謂的數字簽名應用。

　　MD5還廣泛用於加密和解密技術上。比如在UNIX系統中用戶的密碼就是以MD5(或其它類似的算法)經加密後存儲在文件系統中。當用戶登錄的時候，系統把用戶輸入的密碼計算成MD5值，然後再去和保存在文件系統中的MD5值進行比較，進而確定輸入的密碼是否正確。通過這樣的步驟，系統在並不知道用戶密碼的明碼的情況下就可以確定用戶登錄系統的合法性。這不但可以避免用戶的密碼被具有系統管理員權限的用戶知道，而且還在一定程度上增加了密碼被破解的難度。

　　正是因為這個原因，現在被黑客使用最多的一種破譯密碼的方法就是一種被稱為"跑字典"的方法。有兩種方法得到字典，一種是日常搜集的用做密碼的字符串表，另一種是用排列組合方法生成的，先用MD5程序計算出這些字典項的MD5值，然後再用目標的MD5值在這個字典中檢索。我們假設密碼的最大長度為8位字節(8 Bytes)，同時密碼只能是字母和數字，共26+26+10=62個字符，排列組合出的字典的項數則是P(62,1)+P(62,2)….+P(62,8)，那也已經是一個很天文的數字了，存儲這個字典就需要TB級的磁盤陣列，而且這種方法還有一個前提，就是能獲得目標賬戶的密碼MD5值的情況下才可以。這種加密技術被廣泛的應用於UNIX系統中，這也是為什麼UNIX系統比一般操作系統更為堅固一個重要原因。

　　算法描述

　　對MD5算法簡要的敘述可以為：MD5以512位分組來處理輸入的信息，且每一分組又被劃分為16個32位子分組，經過了一系列的處理後，算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯後將生成一個128位散列值。

　　在MD5算法中，首先需要對信息進行填充，使其字節長度對512求余的結果等於448。因此，信息的字節長度(Bits Length)將被擴展至N*512+448，即N*64+56個字節(Bytes)，N為一個正整數。填充的方法如下，在信息的後面填充一個1和無數個0，直到滿足上面的條件時才停止用0對信息的填充。然後，在在這個結果後面附加一個以64位二進制表示的填充前信息長度。經過這兩步的處理，現在的信息字節長度=N*512+448+64=(N+1)*512，即長度恰好是512的整數倍。這樣做的原因是為滿足後面處理中對信息長度的要求。

　　MD5中有四個32位被稱作鏈接變量(Chaining Variable)的整數參數，他們分別為：A=0x01234567，B=0x89abcdef，C=0xfedcba98，D=0x76543210。

　　當設置好這四個鏈接變量後，就開始進入算法的四輪循環運算。循環的次數是信息中512位信息分組的數目。

　　將上面四個鏈接變量復制到另外四個變量中：A到a，B到b，C到c，D到d。

　　主循環有四輪(MD4只有三輪)，每輪循環都很相似。第一輪進行16次操作。每次操作對a、b、c和d中的其中三個作一次非線性函數運算，然後將所得結果加上第四個變量，文本的一個子分組和一個常數。再將所得結果向右環移一個不定的數，並加上a、b、c或d中之一。最後用該結果取代a、b、c或d中之一。

　　以一下是每次操作中用到的四個非線性函數(每輪一個)。

　　F(X,Y,Z) =(X&Y)|((~X)&Z)

　　G(X,Y,Z) =(X&Z)|(Y&(~Z))

　　H(X,Y,Z) =X^Y^Z

　　I(X,Y,Z)=Y^(X|(~Z))

　　(&是與，|是或，~是非，^是異或)

　　這四個函數的說明：如果X、Y和Z的對應位是獨立和均勻的，那麼結果的每一位也應是獨立和均勻的。F是一個逐位運算的函數。即，如果X，那麼Y，否則Z。函數H是逐位奇偶操作符。

　　假設Mj表示消息的第j個子分組(從0到15)，<

　　這四輪(64步)是：

　　第一輪

　　FF(a,b,c,d,M0,7,0xd76aa478)

　　FF(d,a,b,c,M1,12,0xe8c7b756)

　　FF(c,d,a,b,M2,17,0x242070db)

　　FF(b,c,d,a,M3,22,0xc1bdceee)

　　FF(a,b,c,d,M4,7,0xf57c0faf)

　　FF(d,a,b,c,M5,12,0x4787c62a)

　　FF(c,d,a,b,M6,17,0xa8304613)

　　FF(b,c,d,a,M7,22,0xfd469501)

　　FF(a,b,c,d,M8,7,0x698098d8)

　　FF(d,a,b,c,M9,12,0x8b44f7af)

　　FF(c,d,a,b,M10,17,0xffff5bb1)

　　FF(b,c,d,a,M11,22,0x895cd7be)

　　FF(a,b,c,d,M12,7,0x6b901122)

　　FF(d,a,b,c,M13,12,0xfd987193)

　　FF(c,d,a,b,M14,17,0xa679438e)

　　FF(b,c,d,a,M15,22,0x49b40821)

　　第二輪

　　GG(a,b,c,d,M1,5,0xf61e2562)

　　GG(d,a,b,c,M6,9,0xc040b340)

　　GG(c,d,a,b,M11,14,0x265e5a51)

　　GG(b,c,d,a,M0,20,0xe9b6c7aa)

　　GG(a,b,c,d,M5,5,0xd62f105d)

　　GG(d,a,b,c,M10,9,0x02441453)

　　GG(c,d,a,b,M15,14,0xd8a1e681)

　　GG(b,c,d,a,M4,20,0xe7d3fbc8)

　　GG(a,b,c,d,M9,5,0x21e1cde6)

　　GG(d,a,b,c,M14,9,0xc33707d6)

　　GG(c,d,a,b,M3,14,0xf4d50d87)

　　GG(b,c,d,a,M8,20,0x455a14ed)

　　GG(a,b,c,d,M13,5,0xa9e3e905)

　　GG(d,a,b,c,M2,9,0xfcefa3f8)

　　GG(c,d,a,b,M7,14,0x676f02d9)

　　GG(b,c,d,a,M12,20,0x8d2a4c8a)

　　第三輪

　　HH(a,b,c,d,M5,4,0xfffa3942)

　　HH(d,a,b,c,M8,11,0x8771f681)

　　HH(c,d,a,b,M11,16,0x6d9d6122)

　　HH(b,c,d,a,M14,23,0xfde5380c)

　　HH(a,b,c,d,M1,4,0xa4beea44)

　　HH(d,a,b,c,M4,11,0x4bdecfa9)

　　HH(c,d,a,b,M7,16,0xf6bb4b60)

　　HH(b,c,d,a,M10,23,0xbebfbc70)

　　HH(a,b,c,d,M13,4,0x289b7ec6)

　　HH(d,a,b,c,M0,11,0xeaa127fa)

　　HH(c,d,a,b,M3,16,0xd4ef3085)

　　HH(b,c,d,a,M6,23,0x04881d05)

　　HH(a,b,c,d,M9,4,0xd9d4d039)

　　HH(d,a,b,c,M12,11,0xe6db99e5)

　　HH(c,d,a,b,M15,16,0x1fa27cf8)

　　HH(b,c,d,a,M2,23,0xc4ac5665)

　　第四輪

　　II(a,b,c,d,M0,6,0xf4292244)

　　II(d,a,b,c,M7,10,0x432aff97)

　　II(c,d,a,b,M14,15,0xab9423a7)

　　II(b,c,d,a,M5,21,0xfc93a039)

　　II(a,b,c,d,M12,6,0x655b59c3)

　　II(d,a,b,c,M3,10,0x8f0ccc92)

　　II(c,d,a,b,M10,15,0xffeff47d)

　　II(b,c,d,a,M1,21,0x85845dd1)

　　II(a,b,c,d,M8,6,0x6fa87e4f)

　　II(d,a,b,c,M15,10,0xfe2ce6e0)

　　II(c,d,a,b,M6,15,0xa3014314)

　　II(b,c,d,a,M13,21,0x4e0811a1)

　　II(a,b,c,d,M4,6,0xf7537e82)

　　II(d,a,b,c,M11,10,0xbd3af235)

　　II(c,d,a,b,M2,15,0x2ad7d2bb)

　　II(b,c,d,a,M9,21,0xeb86d391)

　　常數ti可以如下選擇：

　　在第i步中，ti是4294967296*abs(sin(i))的整數部分，i的單位是弧度。(4294967296等於2的32次方)所有這些完成之後，將A、B、C、D分別加上a、b、c、d。然後用下一分組數據繼續運行算法，

　　最後的輸出是A、B、C和D的級聯。

　　當你按照我上面所說的方法實現MD5算法以後，你可以用以下幾個信息對你做出來的程序作一個簡單的測試，看看程序有沒有錯誤。

　　MD5 ("") = d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e

　　MD5 ("a") = 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661

　　MD5 ("abc") = 900150983cd24fb0d6963f7d28e17f72

　　MD5 ("message digest") = f96b697d7cb7938d525a2f31aaf161d0

　　MD5 ("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz") = c3fcd3d76192e4007dfb496cca67e13b

　　MD5 ("ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789") =

　　d174ab98d277d9f5a5611c2c9f419d9f

　　MD5 ("123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789

　　01234567890") = 57edf4a22be3c955ac49da2e2107b67a

　　MD5的安全性

　　MD5相對MD4所作的改進：

　　1. 增加了第四輪;

　　2. 每一步均有唯一的加法常數;

　　3. 為減弱第二輪中函數G的對稱性從(X&Y)|(X&Z)|(Y&Z)變為(X&Z)|(Y&(~Z));

　　4. 第一步加上了上一步的結果，這將引起更快的雪崩效應;

　　5. 改變了第二輪和第三輪中訪問消息子分組的次序，使其更不相似;

　　6. 近似優化了每一輪中的循環左移位移量以實現更快的雪崩效應。各輪的位移量互不相同。

　　3. RSA算法

　　RSA算法是一種非對稱密碼算法，所謂非對稱，就是指該算法需要一對密鑰，使用其中一個加密，則需要用另一個才能解密。 RSA的算法涉及三個參數，n、e1、e2。 其中，n是兩個大質數p、q的積，n的二進制表示時所占用的位數，就是所謂的密鑰長度。 e1和e2是一對相關的值，e1可以任意取，但要求e1與(p-1)*(q-1)互質;再選擇e2，要求

　　(e2*e1)mod((p-1)*(q-1))=1。

　　(n及e1),(n及e2)就是密鑰對。

　　RSA加解密的算法完全相同,設A為明文，B為密文，則：A=B^e1 mod n;B=A^e2 mod n;

　　e1和e2可以互換使用，即：

　　A=B^e2 mod n;B=A^e1 mod n;

　　補充：

　　對明文進行加密，有兩種情況需要這樣作：

　　1、您向朋友傳送加密數據，您希望只有您的朋友可以解密，這樣的話，您需要首先獲取您朋友的密鑰對中公開的那一個密鑰，e及n。然後用這個密鑰進行加密，這樣密文只有您的朋友可以解密，因為對應的私鑰只有您朋友擁有。

　　2、您向朋友傳送一段數據附加您的數字簽名，您需要對您的數據進行MD5之類的運算以取得數據的"指紋"，再對"指紋"進行加密，加密將使用您自己的密鑰對中的不公開的私鑰。您的朋友收到數據後，用同樣的運算獲得數據指紋，再用您的公鑰對加密指紋進行解密，比較解密結果與他自己計算出來的指紋是否一致，即可確定數據是否的確是您發送的、以及在傳輸過程中是否被篡改。

　　密鑰的獲得，通常由某個機構頒發(如CA中心)，當然也可以由您自己創建密鑰，但這樣作，

　　您的密鑰並不具有權威性。

　　計算方面，按公式計算就行了，如果您的加密強度為1024位，則結果會在有效數據前面補0以補齊不足的位數。補入的0並不影響解密運算。

　　4. DES算法

　　DES(Data Encryption Standard)滿足了國家標准局欲達到的4個目的:提供高質量的數據保護，防止數據未經授權的洩露和未被察覺的修改;具有相當高的復雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時又要便於理解和掌握;

　　DES算法把64位的明文輸入塊變為64位的密文輸出塊，它所使用的密鑰也是64位，首先，DES把輸入的64位數據塊按位重新組合，並把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長32位，並進行前後置換(輸入的第58位換到第一位，第50位換到第2位，依此類推，最後一位是原來的第7位)，最終由L0輸出左32位，R0輸出右32位，根據這個法則經過16次迭代運算後，得到L16、R16，將此作為輸入，進行與初始置換相反的逆置換，即得到密文輸出。

　　DES算法的入口參數有三個：Key、Data、Mode。其中Key為8個字節共64位，是DES算法的工作密鑰;Data也為8個字節64位，是要被加密或被解密的數據;Mode為DES的工作方式，有兩種：加密或解密，如果Mode為加密，則用Key去把數據Data進行加密，生成Data的密碼形式作為DES的輸出結果;如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數據Data解密，還原為Data的明碼形式作為DES的輸出結果。在使用DES時，雙方預先約定使用的”密碼”即Key，然後用Key去加密數據;接收方得到密文後使用同樣的Key解密得到原數據，這樣便實現了安全性較高的數據傳輸。