基于Android 平臺的數(shù)據(jù)傳輸加密方案的研究

吳素紅，劉 洋

（沈陽工程學(xué)院 信息網(wǎng)絡(luò)中心，遼寧 沈陽 110136）

隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展和移動硬件的不斷優(yōu)化升級，目前移動終端設(shè)備已然成為人們辦公、生活、學(xué)習(xí)的主要工具。據(jù)2020 年上半年統(tǒng)計，基于Android 系統(tǒng)的移動終端市場占有率已近80%，而IOS 系統(tǒng)市場占有率下降至21.6%，An‐droid系統(tǒng)處于無法替代的地位。

因為Android 系統(tǒng)本身開源，所以有很多手機廠家會深度定制Android 系統(tǒng)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)一些系統(tǒng)漏洞。此外，安卓市場比較混亂，對app 的審核不嚴(yán)格，這就導(dǎo)致出現(xiàn)一些惡意軟件。Android系統(tǒng)一旦root，惡意app 就可以獲得系統(tǒng)的最高權(quán)限［1］。如何保證Android 系統(tǒng)上的應(yīng)用數(shù)據(jù)安全、傳輸安全成為一個難題。本文分析經(jīng)典的加密算法，并優(yōu)化了AES 算法，為保證密鑰傳輸安全性，引入了RSA 算法，提出了一套基于Android 平臺的數(shù)據(jù)傳輸加密方案。

1 加密算法分析

分析傳統(tǒng)的加密算法，就不得不提到對稱加密算法和非對稱加密算法，這2 種算法是按密鑰類型劃分的。在加密算法中，若加密過程和解密過程使用的密鑰是一樣的，則為對稱加密算法；若密鑰不同，則為非對稱加密算法。對稱加密算法的優(yōu)勢是加密速度快、效率高。在數(shù)據(jù)需要頻繁加解密時，使用對稱加密算法更為合適。

對稱加密算法中比較經(jīng)典的算法包括AES 算法和DES 算法。與DES 算法相比，AES 算法的加密效率高，在安全性方面，AES 算法也更具優(yōu)勢。AES 算法密鑰支持128 位、192 位和256 位多種長度，更為靈活。在AES 算法加解密過程中，生成的密鑰具有更強的不確定性，并且由于AES 算法采用了寬軌跡策略［2］，在面對線性密碼分析、差分密碼分析時，具有很好的抵抗性，這在很大程度上都提升了算法的安全性。

1.1 AES算法分析

AES 算法的密鑰長度靈活，支持多種長度，密鑰長度為128 bits時，加密輪數(shù)為10輪；密鑰長度為192 bits 時，加密輪數(shù)為12 輪；密鑰長度為256 bits時，加密輪數(shù)為14 輪［3］。當(dāng)密鑰長度為128 位時，數(shù)據(jù)的加解密過程如圖1所示。

圖1 AES加解密過程

設(shè)AES 加密函數(shù)為E，則加密公式為C=E（K，P），其中P為明文，K為密鑰，C為密文。加密過程：輸入明文分組和128 位的密鑰，明文分組表示為狀態(tài)矩陣，密鑰表示為字節(jié)方陣，執(zhí)行10 次輪函數(shù)E，最終得到密文。

AES 算法有重要的4 個步驟：字節(jié)替換（Sub‐Bytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和輪密鑰加（AddRoundKey）。

1）字節(jié)替換

通過查表（S 盒）的方式將狀態(tài)矩陣中的各元素替換為新的元素，將狀態(tài)矩陣中每個字節(jié)的高4 位作為行索引，低4 位作為列索引，取出S 盒中對應(yīng)的元素作為輸出。該步驟提供了AES 算法的非線性變換能力。S 盒在建構(gòu)過程中，結(jié)合可逆的仿射變換矩陣和乘法逆元可以避免一般的代數(shù)攻擊［4］。

2）行移位

行移位是將狀態(tài)矩陣進行左循環(huán)移位處理，當(dāng)密鑰長度為128 bits時，狀態(tài)矩陣從0行到3行分別左移0 B、1 B、2 B、3 B。

3）列混淆

AES 的基礎(chǔ)域是有限域GF（28），可以把輸入的狀態(tài)矩陣的每一列當(dāng)成是基礎(chǔ)域上的多項式，將其與一個固定多項式C（x）={03}x3+{01}x2+{01}x+{02}相乘，最后模m（x）=x4+1取余［5］。

列混淆過程表示如下：

逆列混淆過程表示如下：

4）輪密鑰加

將密鑰擴展復(fù)雜化是確保算法安全性的重要一步，輪密鑰加操作就是將輪密鑰與狀態(tài)矩陣按位進行異或操作，之后的每次輪密鑰通過密鑰擴展得到，當(dāng)密鑰長度為128 位時，AES 加密算法共迭代10輪，產(chǎn)生11個子密鑰。

1.2 AES算法改進

傳統(tǒng)AES 算法在列混淆操作中，使用循環(huán)矩陣作為擴散函數(shù)。加密過程使用的矩陣為解密過程使用的矩陣為通過計算分析，解密過程會比加密過程更耗時，運算時間的差距會造成解密過程的延時問題［6-7］。

在有限域GF（28）上，通過構(gòu)造正交矩陣來構(gòu)造最佳擴散矩陣，可以減少計算量，篩選無特征量的正交矩陣會更安全，可以避免黑客利用擴散矩陣的特征變量進行攻擊［8］。在有限域GF（28）中，若4階方陣C=，則正交矩陣有以下性質(zhì)：

1）CCT=I，CTC=I，其中I為單位矩陣。

2）當(dāng)且僅當(dāng)||C+I=0時，C有特征值，并且該特征值一定等于1。

通過分析，如果使

成立，則c0=c2，同時C的逆矩陣等于其本身，則滿足

可以得出

進一步計算可得出等式

根據(jù)以上結(jié)論以及擴散性、性能等設(shè)計準(zhǔn)則，系數(shù)取01、02、03等簡單值，令矩陣

可使({0 3} ?{0 3})⊕({0 2} ?{0 2})={0 1} 成立。對于這個等式，有

2 改進的AES 加密算法在Android平臺的應(yīng)用

隨著智能手機的發(fā)展和普及，現(xiàn)在的智能終端已經(jīng)變成一個功能多樣的移動電腦、音視頻播放器、電子筆記本、數(shù)碼相機、移動存儲器［9］，這帶給人們方便的同時，也不得不更多地考慮到信息安全的問題。如何加密保護移動終端的重要信息，避免信息在傳輸過程中被泄露、被竊取、被篡改是當(dāng)前信息安全領(lǐng)域的一個重要課題。

2.1 加解密過程

由于前后臺會頻繁進行數(shù)據(jù)交互，所以利用改進的AES 算法加密數(shù)據(jù)串以保證數(shù)據(jù)交互中加解密的速度。在加解密過程中，由于AES 算法的密鑰很有可能會被泄露，所以如何安全地將密鑰傳輸至解密端是一大重點。

本文采用非對稱加密算法RSA 將改進的AES算法的AES 密鑰進行加密處理。加解密過程如圖2所示。

圖2 加解密過程

加密端用AES 密鑰加密原始信息，用RSA 公鑰加密AES 密鑰，將處理后的密鑰和密文組成格式化數(shù)據(jù)，傳輸給解密端。

解密端獲取發(fā)送端傳來的數(shù)據(jù)，將其解析出未解密的AES 密鑰和密文數(shù)據(jù)，使用RSA 私鑰解密已加密的AES 密鑰以得到AES 密鑰，用AES 密鑰解密出原始信息。

2.2 RSA密鑰的管理

由于Android 系統(tǒng)的開源性，在Android 平臺上RSA 密鑰的存儲是著重需要考慮的問題。An‐droid系統(tǒng)存儲方式主要有SharedPreferences存儲、文件存儲和SQlite 數(shù)據(jù)庫存儲。Android 系統(tǒng)被root后，可輕易獲取到/data/data//目錄下的數(shù)據(jù)庫文件和SharedPreferences 文件。若將密鑰直接放在上層代碼中，apk 安裝包被破解后同樣有暴露的風(fēng)險。

綜上分析，本文將Android 端的RSA 公鑰和私鑰放在native 層，采用C 語言實現(xiàn)，經(jīng)過編譯形成so 動態(tài)鏈接庫，并開放相應(yīng)的Java 接口提供給上層應(yīng)用調(diào)用。之所以選擇C 語言，是因為C 代碼的執(zhí)行速度較快，可以保證加解密的速度，同時動態(tài)鏈接庫so被反編譯破解的難度更大。

除此之外，為避免so 文件被竊取二次打包，采用apk 簽名來驗證so 庫調(diào)用的合法性，當(dāng)apk 簽名與自己的簽名不一致時，調(diào)用so 庫會直接崩潰。為避免多次調(diào)用驗證簽名影響整體加解密速度，將apk簽名驗證邏輯寫在JNI_OnLoad（）函數(shù)中，該函數(shù)僅在so庫加載時自動調(diào)用，偽代碼如下：

3 實現(xiàn)及效果分析

3.1 實現(xiàn)效果

Android 端用改進的AES 算法加密原始信息，用RSA 公鑰加密AES 密鑰，將已加密的AES 密鑰和密文數(shù)據(jù)組成JSON 串，傳送到服務(wù)器端。An‐droid端加密過程數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 Android端加密過程

服務(wù)器端獲取Android 端傳來的數(shù)據(jù)，拆解JSON 串得到未解密的AES 密鑰和密文數(shù)據(jù)，用RSA 私鑰解密得出AES 密鑰，然后解密Android 端傳來的密文數(shù)據(jù)，最終得到原始信息。服務(wù)器端解密過程數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 服務(wù)器端解密過程

服務(wù)器端用改進的AES 算法加密數(shù)據(jù)，用RSA 公鑰加密AES 密鑰，將處理后的AES 密鑰和密文數(shù)據(jù)組成JSON 串，傳輸給Android 端。服務(wù)器端加密過程數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 服務(wù)器端加密過程

Android 端獲取服務(wù)端傳來的數(shù)據(jù)，拆解數(shù)據(jù)后獲取到未解密的AES 密鑰和密文數(shù)據(jù)，使用RSA 私鑰解密得出AES 密鑰，然后解密服務(wù)器端傳來的密文數(shù)據(jù)。Android 端解密過程數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 Android端解密過程

3.2 效果分析

本文對長128 bit的字符串進行了5組測試，分別以AES 算法和改進的AES 算法進行加解密，并記錄相應(yīng)的耗時情況，如表1 所示。通過分析實驗結(jié)果可知，相比于傳統(tǒng)的AES 算法，使用優(yōu)化后的AES 算法，數(shù)據(jù)加解密速度有小幅度提升，加密速度可提高大約21%，解密速度可提高大約26%，并且加解密速度更加均衡，比原算法在運算效率上更具優(yōu)勢。

表1 算法效率對比 ms

本文在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)過程中，改進了AES 算法，保證數(shù)據(jù)的加解密速度，并且引入了RSA 算法，提高了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩浴嶒炛胁捎肁pkCrack 軟件破解apk，僅能破解上層代碼，無法破解so 庫內(nèi)加解密算法的關(guān)鍵代碼和密鑰。此外，通過模擬攻擊者使用Wireshark 抓包程序抓取傳輸數(shù)據(jù)，只能獲取到密文，無法得到密鑰解密還原出原始信息。

4 結(jié)論

本文針對Android 端的數(shù)據(jù)安全問題，將AES算法進行改進，解決了頻繁交互過程中加解密速度低的問題，同時采用RSA 算法加密AES密鑰，保證了傳輸過程中密鑰的安全。此外，將RSA 密鑰保存至動態(tài)鏈接庫并對其進行簽名認(rèn)證，大大增加了被破解的難度。該方案易于實現(xiàn)，適用性強，能夠滿足大多數(shù)Android端數(shù)據(jù)傳輸加密的需求。