最佳安全实践：在 Java 和 Android 中使用 AES 进行对称加密：第2部分：AES-CBC + HMAC

本文是我上一篇文章：“最佳安全实践：在 Java和 Android 中使用 AES 进行对称加密” 的续篇，在这篇文章中我总结了关于 AES 最为重要的事情并演示了如何通过 AES-GCM 来使用它。在阅读本文并深入下一个主题之前，我强烈建议你阅读它，因为它解释了最重要的基础知识。

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本文讨论了以下可能发生的情况：你不能通过类似 Galois/Counter Mode (GCM) 的认证加密模式来使用高级加密标准（AES）？你当前使用的平台不支持它，或者你必须兼容老版本或其它第三方协议？无论你放弃 GCM 的原因是什么，你都不应该放弃它所具有的安全属性：

• 保密性：没有密钥的人无法阅读该消息
• 完整性：没有人会修改消息内容
• 真实性：可以对消息的发送者进行验证

选择非认证加密，比如块模式密码分组链接（CBC），不幸的是，由于具备很好的延展性，它缺少后两个安全属性。如何解决这个问题？正如我在上一篇文章中所说的那样，一种可能的解决方案是将加密原语组合在一起以包含加密验证码（MAC）。

加密验证码（MAC）

那么什么是 MAC，我们为什么要使用它呢？MAC 类似于散列函数，这意味着它将消息作为输入并生成一个所谓的简短标记。为了确保并非任何人都可以为任意消息创建标记，MAC 函数需要一个密钥来进行计算。与使用非对称加密的签名相比，MAC 可使用相同的密钥来进行标记生成和认证。

例如，如果双方安全地交换了 MAC 密钥，并且每条消息都附加了认证标记，那么它们都可以检查消息是否是由另一方创建的，并且在传输过程中没有被更改。攻击者需要保密的 MAC 密钥来伪造身份进行标记验证。

最广泛使用的 MAC 类型之一是 散列消息密钥验证码（HMAC），它包含一个哈希加密函数，该函数通常是 SHA256。由于我不会详细介绍其算法，因此我建议你阅读相关 RFC。当然还有如 CBC-MAC 等其他可用于对称加密的类型。几乎所有的加密框架都至少包含一个 HMAC 实现，包括通过 Mac 实现的 JCA/JCE。

使用加密的 MAC：架构

那么正确应用 MAC 的方法是什么呢？根据安全研究院 Hugo Krawcyzk 的说法，这里有三种基本选项：

• MAC-then-Encrypt：基于明文生成 MAC，然后将其追加到明文中后再进行加密（在 SSL 中使用）
• Encrypt-then-MAC：基于密文和初始向量生成 MAC，然后将其追加到密文中（在 IPsec 中使用）
• Encrypt-and-MAC： 基于明文生成 MAC、然后将其追加到密文中（在 SSH 中使用）

每一个选项都有它自己的属性，我建议你通过这篇文章来获取每个选项的完整参数。总而言之，大部分 研究员 推荐使用 Encrypt-then-MAC（EtM）。由于 MAC 可以防止不正确消息的解密，它可以防止选择密文攻击。此外也由于 MAC 在密文中运行，它不能泄漏有关明文的任何信息。然而它的缺点是，因为 IV 和标记中必须包含可能的协议/算法版本或类型，因此实施起来稍微有些困难。重要的是在验证 MAC 之前永远不要进行任何加密操作，否则你可能受到 padding-oracle 攻击（Moxie 称之为末日原则）。

Encrypt-then-Mac 架构

附录：CGM 和 Encrypt-then-MAC 通常情况下它们的安全强度可能类似，CGM 有以下优点：

• 简单易用而不易出错
• 更快，因为它只需要一次通过整个信息

它的缺点是只能允许 96 位初始向量（对于 128 位），HMAC 理论上比 GCM 的内部 MAC 算法 GHASH（128 位标记大小对 256 位及以上）更强。GCM 无法进行 IV + 密钥重用。相关详细讨论，请查阅此处。

使用加密的 MAC：验证密钥

我们必须解决的最后一个问题是：我们应该从哪里获得用于 MAC 计算的密钥？如果使用的是强密钥（即足够随机且可以安全地切换），那么使用与加密相同的密钥（当使用 HMAC 时）似乎没有已知问题。但最佳实践是使用密钥派生函数（KDF）派生出 2 个子密钥以防范未来可能发现的任何问题。这可以像计算主密钥上的 SHA256 并将其拆分为两个 16 字节块一样简单。 但是我更喜欢标准化的协议，比如基于 HMAC 的 Extract-and-Expand 密钥派生函数，它直接支持此场景而不需要字节调整。

2 个子密钥的派生

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在 Java 和 Android 中使用 EtM 实现 AES-CBC

理论已经足够了，现在让我们开始编码！在接下来的例子中，我将使用 AES-CBC，这是一个看似保守的决定。这样做的原因是，应该保证几乎每个 JRE 和 Android 版本都可以使用它。如前所述，我们将使用带有 HMAC 的 Encrypt-then-Mac 方案。这里唯一的外部依赖是 HKDF。这段代码基本上是我在上一篇文章中描述的 GCM 示例的一个映射。

加密

简单起见，我们使用随机生成的 128 位密钥。当你传递 128、192 或 256 位长度的密钥时，Java 将自动选择正确的模式。但请注意，256 位加密通常需要在 JRE 中安装 无政策限制权限文件（OpenJDK 和 Android 无需安装）。如果你不确定要使用的密钥大小，请在我的上一篇文章中阅读关于该主题的相关段落。

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
byte[] key = new byte[16];
secureRandom.nextBytes(key);

然后我们需要创建我们的初始化向量。对于 CBC，应该使用 16 个字节长的初始向量（IV）。请注意，始终使用像 SecureRandom 这样的强伪随机数生成器（PRNG）。

byte[] iv = new byte[16];
secureRandom.nextBytes(iv);

重用 IV 不像 GCM 那样具有灾难性，但最好还是避免使用。在这里可以看到可能的攻击。

下一步，我们将派生出加密和身份验证所需的 2 个子密钥。我们将在配置 HMAC-SHA256（使用此库）中使用 HKDF，由于它使用起来简单直接。我们使用 HKDF 中的 info 参数来生成两个 16 字节子密钥，从而对它们进行区分。

// import at.favre.lib.crypto.HKDF;
byte[] encKey = HKDF.fromHmacSha256().expand(key, "encKey".getBytes(StandardCharsets.UTF_8), 16);
byte[] authKey = HKDF.fromHmacSha256().expand(key, "authKey".getBytes(StandardCharsets.UTF_8), 32); //HMAC-SHA256 key is 32 byte

接下来，我们将初始化密码并加密我们的明文。由于 CBC 的行为类似于块模式，因此我们需要一个填充模式用于填充不完全符合 16 字节块大小的信息。由于对使用的填充方案似乎没有安全隐患，我们选择了支持最广泛的：PKCS#7。

注意： 由于历史原因，我们必须将密码套件设置为 PKCS5。除了被定义为了不同的块尺寸，两者几乎完全相同；通常情况下 PKCS#5 与 AES 并不兼容，但由于定义可追溯到使用了 8 字节块的 3DES，我们坚持使用它。如果你的 JCE 提供程序接受 AES/CBC/PKCS7Padding，那么使用此定义更好，如此你的代码将更容易被理解。

final Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding"); //actually uses PKCS#7
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, new SecretKeySpec(encKey, "AES"), new IvParameterSpec(iv));
byte[] cipherText = cipher.doFinal(plainText);

接下来，我们需要准备 MAC 并添加主要数据来进行身份验证。

SecretKey macKey = new SecretKeySpec(authKey, "HmacSHA256");
Mac hmac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
hmac.init(macKey);
hmac.update(iv);
hmac.update(cipherText);

如果你想要验证其他元数据（比如协议版本），你还可以将其添加到 mac 生成过程中。这与将关联数据添加到经过身份验证的加密算法的概念相同。

if (associatedData != null) {
    hmac.update(associatedData);
}

然后计算 mac：

byte[] mac = hmac.doFinal();

最后将所有信息序列化为单个消息：

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1 + iv.length + 1 + mac.length + cipherText.length);
byteBuffer.put((byte) iv.length);
byteBuffer.put(iv);
byteBuffer.put((byte) mac.length);
byteBuffer.put(mac);
byteBuffer.put(cipherText);
byte[] cipherMessage = byteBuffer.array();

这基本上就是加密。将构建消息、IV、IV 的长度以及 mac 的长度、mac 和加密数据附加到单个字节数组。

如果你需要字符串表示，可以选用 Base64 对其进行编码。Android 中有该编码的标准实现，JDK 仅从版本 8 开始支持（如果可能，我将避免使用 Apache Commons Codec，因为它很慢且实现混乱）。

由于 Java 是一种自动内存管理语言，因此最佳做法是尽可能快地从内存中擦除加密密钥或 IV 等敏感数据。我们无法保证以下内容能够按照预期工作，但在大多数情况下应该如此：

Arrays.fill(authKey, (byte) 0);
Arrays.fill(encKey, (byte) 0);

注意不要覆盖还在其他地方使用的数据。

解密

解密和反向加密类似：首先解构消息。

ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.wrap(cipherMessage);

int ivLength = (byteBuffer.get());
if (ivLength != 16) { // check input parameter
    throw new IllegalArgumentException("invalid iv length");
}
byte[] iv = new byte[ivLength];
byteBuffer.get(iv);

int macLength = (byteBuffer.get());
if (macLength != 32) { // check input parameter
    throw new IllegalArgumentException("invalid mac length");
}
byte[] mac = new byte[macLength];
byteBuffer.get(mac);

byte[] cipherText = new byte[byteBuffer.remaining()];
byteBuffer.get(cipherText);

仔细验证输入参数以防止拒绝服务攻击，如 IV 或 mac 长度，因为攻击者可能会更改相关值。

然后导出解密和身份验证所需的密钥。

// import at.favre.lib.crypto.HKDF;
byte[] encKey = HKDF.fromHmacSha256().expand(key, "encKey".getBytes(StandardCharsets.UTF_8), 16);
byte[] authKey = HKDF.fromHmacSha256().expand(key, "authKey".getBytes(StandardCharsets.UTF_8), 32);

在我们解密任何东西之前，我们将验证 MAC。首先我们像之前一样计算 MAC；不要忘记之前添加的相关数据。

SecretKey macKey = new SecretKeySpec(authKey, "HmacSHA256");
Mac hmac = Mac.getInstance("HmacSHA256");
hmac.init(macKey);
hmac.update(iv);
hmac.update(cipherText);
if (associatedData != null) {
    hmac.update(associatedData);
}
byte[] refMac = hmac.doFinal();

比较 mac 时，我们需要一个恒定的时间比较函数来避免旁道攻击；阅读此文了解为什么这很重要。幸运的是我们可以使用 MessageDigest.isEquals()（旧的 bug 已在 Java 6u17 中修复）：

if (!MessageDigest.isEqual(refMac, mac)) {
    throw new SecurityException("could not authenticate");
}

作为最后一步，我们最终可以解密我们的消息。

final Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, new SecretKeySpec(encKey, "AES"), new IvParameterSpec(iv));
byte[] plainText = cipher.doFinal(cipherText);

以上便是所有内容，如果你想查看一个完整的例子，请查看我托管到 Github 中的一个使用 AES-CBC 的项目 Armadillo。如果你遇到了什么问题，也可以在 Gist 中找到这个确切的示例。

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总结

我们演示了使用密码分组链接（CBC）的 AES 和使用 HMAC 的 Encrypt-then-MAC 架构提供了我们希望从加密协议中看到的所有理想的安全属性：保密性、完整性和真实性。

可以看出，仅仅使用了 GCM，协议就变得复杂了。但是，这些原语通常在所有 Java/Android 环境中都可用，因此它可能是你唯一的选择。请考虑以下事项：

• 使用 16 字节随机初始化向量（使用强 PRNG）
• 使用 128 位以上的 MAC 长度（HMAC-SHA256 输出 256 位）
• 使用 Encrypt-then-Mac
• 使用 KDF 派生出 2 个子密钥
• 解密之前进行验证（末日原则）
• 通过使用恒定时间等于实现来防止定时攻击
• 使用 128 位加密密钥长度（你会没事的！）
• 将所有内容整合到一条消息中

参考资料：

• patrickfav/hkdf
• patrickfav/armadillo

进一步阅读：

最佳安全实践：在 Java 和 Android 中使用 AES 进行对称加密