Android 应用安全开发之浅谈加密算法的坑

阿里安全

本文作者:阿里移动安全@伊樵,@舟海

Android开发中,难免会遇到需要加解密一些数据内容存到本地文件、或者通过网络传输到其他服务器和设备的问题,但并不是使用了加密就绝对安全了,如果加密函数使用不正确,加密数据很容易受到逆向破解攻击。还有很多开发者没有意识到的加密算法的问题。

1. 需要了解的基本概念

密码学的三大作用:加密( Encryption)、认证(Authentication),鉴定(Identification)

  • 加密:防止坏人获取你的数据。

  • 认证:防止坏人修改了你的数据而你却并没有发现。

  • 鉴权:防止坏人假冒你的身份。

明文、密文、密钥、对称加密算法、非对称加密算法,这些基本概念和加密算法原理就不展开叙述了。

2. Android SDK提供的API

2.1 Android 加密相关API结构

Android SDK使用的API和JAVA提供的基本相似,由 Java Cryptography Architecture (JCA,java加密体系结构) ,Java Cryptography Extension (JCE,Java加密扩展包) ,Java Secure Sockets Extension(JSSE,Java安全套接字扩展包),Java Authentication and Authentication Service(JAAS,Java 鉴别与安全服务)组成。

JCA提供基本的加密框架,如证书、数字签名、消息摘要和密钥对产生器,对应的Android API中的以下几个包:

java.security 
java.security.acl
java.security.cert
java.security.interfaces
java.security.spec

JCE扩展了JCA,提供了各种加密算法、摘要算法、密钥管理等功能,对应的Android API中的以下几个包:

javax.crypto 
javax.crypto.interfaces 
javax.crypto.spec

JSSE提供了SSL(基于安全套接层)的加密功能,使用HTTPS加密传输使用,对应的Android API主要是java.net.ssl包中。

JAAS 提供了在Java平台上进行用户身份鉴别的功能。对应的Android API主要在以下几个包:

javax.security.auth 
javax.security.auth.login 
javax.security.auth.callback 
javax.security.auth.x500

它们其实只是一组接口,实际的算法是可由不同的Provider提供,Android API默认的Provider主要是是Bouncy Castle和OpenSSL。

此外Android API还提供了android.security和android.security.keystore(API 23新增)来管理keychain和keystore。

2.2 Base64编码算法

Base64编码算法是一种用64个字符(ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/)来表示任意二进制数据的方法。在计算机网络发展的早期,由于“历史原因”,电子邮件不支持非ASCII码字符,如果要传送的电子邮件带有非ASCII码字符(诸如中文)或者图片,用户收到的电子邮件将会是一堆乱码,因此发明了Base64编码算法。至于为何会乱码?请大家自行Google。在加解密算法中,原始的数据和加密后的数据一般也是二进制数据,为了不传输出错,方便保存或者调试代码,一般需要对加密后的数据进行base64编码。

Android提供了Base64编码的工具类android.util.Base64,可以直接使用,不用自己去实现base64编码的算法了。 如:

byte[] output = sha.digest();
String result = Base64.encodeToString(output, Base64.DEFAULT);

开发者建议:base64只是一种编码方式,并不是一种加密算法,不要使用base64来加密数据。

2.3 随机数生成器

在Android加密算法中需要随机数时要使用SecureRandom来获取随机数。 如:

SecureRandom sr = new SecureRandom();
byte[] output = new byte[16];
sr.nextBytes(output);

注意不要给SecureRandom设置种子。调用seeded constructor或者setSeed(byte[])是不安全的。SecureRandom()默认使用的是dev/urandom作为种子产生器,这个种子是不可预测的。

开发者建议:

  1. 不要使用Random类来获取随机数。

  2. 在使用SecureRandom时候,不要设置种子。使用以下函数设置种子都是有风险的:

    SecureRandom.SecureRandom(byte[] seed) 
    SecureRandom.setSeed(long seed) 
    SecureRandom.setSeed(byte[] seed)

2.4 Hash算法

Hash算法是指任意长度的字符串输入,此算法能给出固定n比特的字符串输出,输出的字符串一般称为Hash值。

具有以下两个特点:

  • 抗碰撞性:寻找两个不同输入得到相同的输出值在计算上是不可行的,需要大约 的时间去寻找到具有相同输出的两个输入字符串。

  • 不可逆:不可从结果推导出它的初始状态。

抗碰撞性使Hash算法对原始输入的任意一点更改,都会导致产生不同的Hash值,因此Hash算法可以用来检验数据的完整性。我们经常见到在一些网站下载某个文件时,网站还提供了此文件的hash值,以供我们下载文件后检验文件是否被篡改。

不可逆的特性使Hash算法成为一种单向密码体制,只能加密不能解密,可以用来加密用户的登录密码等凭证。

开发者建议:

  1. 建议使用SHA-256、SHA-3算法。 如使用SHA-256算法对message字符串做哈希:

    ...
    byte[] input = message.getBytes();
    MessageDigest sha = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
    sha.update(input);
    byte[] output = sha.digest();
    String result = Base64.encodeToString(output, Base64.DEFAULT);
  2. 不建议使用MD2、MD4、MD5、SHA-1、RIPEMD算法来加密用户密码等敏感信息。这一类算法已经有很多破解办法,例如md5算法,网上有很多查询的字典库,给出md5值,可以查到加密前的数据。

    MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
    byte[] md5Bytes = md.digest(str.getBytes());
    String result = Base64.encodeToString(md5Bytes, Base64.DEFAULT);
  3. 不要使用哈希函数做为对称加密算法的签名。

  4. 注意:当多个字符串串接后再做hash,要非常当心。**

    • 如:字符串S,字符串T,串接做hash,记为 H (S||T)。但是有可能发生以下情况。

    • 如“builtin||securely” 和 “built||insecurely”的hash值是完全一样的。

如何修改从而避免上述问题产生? 改为H(length(S) || S || T)或者 H(H(S)||H(T))或者H(H(S)||T)。

实际开发过程中经常会对url的各个参数,做词典排序,然后取参数名和值串接后加上某个SECRET字符串,计算出hash值,作为此URL的签名,如foo=1, bar=2, baz=3 排序后为bar=2, baz=3, foo=1,做hash的字符串为:SECRETbar2baz3foo1,在参数和值之间没有分隔符,则”foo=bar”和”foob=ar”的hash值是一样的,”foo=bar&fooble=baz”和”foo=barfooblebaz”一样,这样通过精心构造的恶意参数就有可能与正常参数的hash值一样,从而骗过服务器的签名校验。

2.5 消息认证算法

要确保加密的消息不是别人伪造的,需要提供一个消息认证码(MAC,Message authentication code)。

  • 消息认证码是带密钥的hash函数,基于密钥和hash函数。

  • 密钥双方事先约定,不能让第三方知道。

  • 消息发送者使用MAC算法计算出消息的MAC值,追加到消息后面一起发送给接收者。

  • 接收者收到消息后,用相同的MAC算法计算接收到消息MAC值,并与接收到的MAC值对比是否一样。

开发者建议: 建议使用HMAC-SHA256算法,避免使用CBC-MAC。

HMAC-SHA256例子如下:

//初始化KeyGenerator
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("HmacSHA256");
//产生密钥
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
//获取密钥
byte[] key = secretKey.getEncoded();
Log.d(Base64.encodeToString(key, Base64.DEFAULT));

//还原密钥
SecretKey restoreSecretKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA256");
//实例化MAC
Mac mac = Mac.getInstance(restoreSecretKey.getAlgorithm());
//初始化MAC
mac.init(restoreSecretKey);
//执行摘要
byte[] hmacSHA256Bytes = mac.doFinal(message.getBytes());
result = Base64.encodeToString(hmacSHA256Bytes, Base64.DEFAULT);

2.6 对称加密算法

在对称加密算法中,数据发信方将明文(原始数据)和加密密钥一起经过特殊加密算法处理后,使其变成复杂的加密密文发送出去。收信方收到密文后,若想解读原文,则需要使用加密用过的密钥及相同算法的逆算法对密文进行解密,才能使其恢复成可读明文。在对称加密算法中,使用的密钥只有一个,发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密,这就要求解密方事先必须知道加密密钥。

该算法的缺点是,如果一旦密钥泄漏,那么加密的内容将都不可信了。

开发者建议:

  1. 建议使用AES算法。

  2. DES默认的是56位的加密密钥,已经不安全,不建议使用。

  3. 注意加密模式不要使用ECB模式。ECB模式不安全,说明问题的经典的三张图片,如 明文是:
    图片描述
    用ECB加密模式后:
    图片描述
    用CBC加密模式后:
    图片描述
    想更深入的了解关于对CBC加密模式的攻击,可参看:《SSL/TLS协议安全系列:CBC 模式的弱安全性介绍(一)》http://drops.wooyun.org/tips/6619

  4. Android 提供的AES加密算法API默认使用的是ECB模式,所以要显式指定加密算法为:CBC或CFB模式,可带上PKCS5Padding填充。AES密钥长度最少是128位,推荐使用256位。

    //生成KEY
    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES");
    keyGenerator.init(256);
    //产生密钥
    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
    //获取密钥
    byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();
    Log.d("AES KEY", Base64.encodeToString(keyBytes, 0));
    
    //还原密钥
    SecretKey key = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
    
    //加密
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
    byte[] encodeResult = cipher.doFinal(plainText.getBytes());
    Log.d("AES encode", Base64.encodeToString(encodeResult, Base64.DEFAULT));
    

2.7 非对称加密

非对称加密算法需要两个密钥:公开密钥(publickey)和私有密钥(privatekey)。公开密钥与私有密钥是一对,如果用公开密钥对数据进行加密,只有用对应的私有密钥才能解密;如果用私有密钥对数据进行加密,那么只有用对应的公开密钥才能解密(这个过程可以做数字签名)。

非对称加密主要使用的是RSA算法。

开发者建议:

  1. 注意密钥长度不要低于512位,建议使用2048位的密钥长度。使用RSA进行数字签名的算法,如:

    //生成密钥
    KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    keyPairGenerator.initialize(2048);
    KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
    RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey)keyPair.getPublic();
    RSAPrivateKey rsaPrivateKey = (RSAPrivateKey)keyPair.getPrivate();
    
    //签名            
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(rsaPrivateKey.getEncoded());
    KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
    PrivateKey privateKey = keyFactory.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
    Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
    signature.initSign(privateKey);
    signature.update(src.getBytes());
    byte[] result = signature.sign();
  2. 使用RSA算法做加密,RSA加密算法应使用Cipher.getInstance(RSA/ECB/OAEPWithSHA256AndMGF1Padding),否则会存在重放攻击的风险。如:

    KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA");
    keyPairGenerator.initialize(2048);
    KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
    RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
    RSAPrivateKey rsaPrivateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
    
    //公钥加密
    X509EncodedKeySpec x509EncodedKeySpec = new X509EncodedKeySpec(rsaPublicKey.getEncoded());
    KeyFactory keyFactory= KeyFactory.getInstance("RSA");
    PublicKey publicKey = keyFactory.generatePublic(x509EncodedKeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA256AndMGF1Padding");
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);
    byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
    ...
    //私钥解密
    PKCS8EncodedKeySpec pkcs8EncodedKeySpec = new PKCS8EncodedKeySpec(rsaPrivateKey.getEncoded());
    KeyFactory keyFactory2 = KeyFactory.getInstance("RSA");
    PrivateKey privateKey = keyFactory2.generatePrivate(pkcs8EncodedKeySpec);
    Cipher cipher = Cipher.getInstance("RSA/ECB/OAEPWithSHA256AndMGF1Padding");
    cipher5.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey5);
    byte[] result2 = cipher.doFinal(result);

2.8 加密算法PBE

PBE是一种基于口令的加密算法,其特点是使用口令代替了密钥,而口令由用户自己掌管,采用随机数杂凑多重加密等方法保证数据的安全性。

开发者建议:使用基于口令的加密算法PBE时,生成密钥时要加盐,盐的取值最好来自SecureRandom,并指定迭代次数。如:

//初始化盐
mSalt = new byte[SALT_LENGTH_BYTES];
SecureRandom sr = new SecureRandom();
sr.nextBytes(mSalt);

SecretKeyFactory secretKeyFactory = SecretKeyFactory.getInstance(KEY_GENERATOR_MODE);
keySpec = new PBEKeySpec(password, salt, KEY_GEN_ITERATION_COUNT, KEY_LENGTH_BITS);
secretKey = secretKeyFactory.generateSecret(keySpec);

(以上所有示例算法仅供参考)

3. 总结

几条原则:

  1. 不要自己设计加密算法和协议,使用业界标准的算法。

  2. 对称加密算法不要使用ECB模式,不建议使用DES算法。

  3. 要选择合适长度的密钥。

  4. 要确保随机数生成器的种子具有足够的信息熵。

  5. 不要使用没有消息认证的加密算法加密消息,无法防重放。

  6. 当多个字符串拼接后做hash,要非常当心。

  7. 当给算法加yan盐取值时不要太短,不要重复。

  8. 使用初始化向量时IV时,IV为常量的CBC,CFB,GCM等和ECB一样可以重放,即采用上一个消息的最后一块密文作为下一个消息的IV,是不安全的。

  9. 密钥应遵循的原则

    1. 密钥不能为常量,应随机,定期更换,如果加密数据时使用的密钥为常量,则相同明文加密会得到相同的密文,很难防止字典攻击。

    2. 开发同学要防范密钥硬编码的毛病。

而在实际开发中,密钥如何保存始终是绕不过的坎?如果硬编码在代码中容易被逆向,如果放在设备的某个文件,也会被有经验的破解者逆向找到,在这里推荐阿里聚安全的安全组件服务,其中的安全加密功能提供了开发者密钥的安全管理与加密算法实现,保证密钥的安全性,实现安全的加解密操作。

参考

  1. 《Java加密与解密的艺术》

  2. 《Android Application Secure Design/Secure Coding Guidebook》

  3. http://security.stackexchange.com/questions/2202/lessons-learned-and-misconceptions-regarding-encryption-and-cryptology

  4. http://netifera.com/research/flickr_api_signature_forgery.pdf

  5. http://nelenkov.blogspot.com/2012/04/using-password-based-encryption-on.html*


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