Android使用OpenSSL实现加密算法

2024-07-03

在Android SDK开发过程中，需要对一些数据进行加密，特别是在网络传输过程中。
本文使用OpenSSL库实现了APP常用的加解密算法，源码见 github 项目 AndroidNative。

1.OpenSSL

1.1 OpenSSL概念

OpenSSL是一个开源的软件库，包含了各种加密算法和协议的实现，如SSL/TLS、AES、RSA、DES、SHA等。它可以用来实现网络通信的安全，包括加密、认证和数据完整性验证等功能。

1.2 OpenSSL的编译

编译过程见上一篇文章
https://yadiq.github.io/2024/07/02/LinuxCompileOpensslCurl/
编译结果见本项目源码
https://github.com/yadiq/AndroidNative/tree/main/app/src/main/jni_demo/otherlibs/openssl

2.常用加密算法

2.1 对称加密(共享密钥加密算法)

对称加密算法，加密和解密使用同一个秘钥。常用的对称加密算法：AES、DES、3DES。在众多的对称加密算法中，目前来讲AES是最好的，最安全的。

优点：对数据没有长度限制，加解密速度快，比非对称加密快好几个数量级。
缺点：秘钥的传输及保管是个问题，任何一方的秘钥泄漏都将导致数据的不安全，不适合互联网，一般用于内部系统

2.1.1 AES算法(高级加密标准,Advanced Encryption Standard)

概念
AES 加密算法是密码学中的高级加密标准，该加密算法采用对称分组密码体制，密钥长度的最少支持为 128 位、 192 位、256 位，分组长度 128 位。
AES 本身就是为了取代 DES 的，AES 具有更好的安全性、效率和灵活性。
六种加密模式
ECB模式（The Electronic Codebook Mode）
CBC模式（The Cipher Block Chaining Mode）
CTR模式（The Counter Mode）
GCM模式（The Galois/Counter Mode）,本质上是CTR模式(计数器模式)加上GMAC
CFB模式（The Cipher Feedback Mode）
OFB模式（The Output Feedback Mode）
参数
Key：对称密钥，它的长度可以为128、192、256bits，用来加密明文的密码。
IV(Initialisation Vector)：初始向量，它的选取必须随机。通常以明文的形式和密文一起传送。它的作用和MD5的”加盐”有些类似，目的是防止同样的明文块，始终加密成同样的密文块。如果不设置，则默认16个0。
AAD(Additional Authenticated Data)：附加身份验证数据。AAD数据不需要加密，通常以明文形式与密文一起传递给接收者。可以为空
Mac tag(MAC标签)：将确保数据在传输和存储过程中不会被意外更改或恶意篡改。该标签随后在解密操作期间使用，以确保密文和AAD未被篡改。在加密时，Mac tag由明文、密钥Key、IV、AAD共同产生。

2.2 非对称加密(公开密钥加密算法)

非对称加密算法，加密和解密使用不同的秘钥，分为公钥和私钥。常用的非对称加密算法：RSA、DSA、ECC。在非对称加密算法中，RSA用的最多的。

优点：无需关心秘钥的传输问题，只要在服务端把私钥保管好即可。
缺点：加密速度慢，对加密的数据长度有限制，适合小数据量加解密或数据签名。

2.2.1 RSA算法

RSA 加密算法是目前最有影响力的公钥加密算法，并且被普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。
RSA 加密算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

2.3 哈希算法(散列算法、签名加密算法、摘要算法)

哈希算法，不需要密钥。常用的哈希算法：SHA-1、MD5。
用于将数据快速映射为固定长度的值，通常用于数据结构、数据检索、数据完整性验证等各种领域。

2.3.1 MD5 (Message Digest Algorithm 5)

无论是多长的输入，MD5 都会输出长度为 128bits 的一个串 (通常用 16 进制表示为 32 个字符)。
它的典型应用是对一段信息产生信息摘要，以防止被篡改。

优势：速度较快，适用于小数据集。
劣势：较易碰撞（两个不同的输入产生相同的哈希值），不适合安全性要求高的场景。

2.3.2 SHA-1 (Secure Hash Algorithm 1)

对于长度小于 2 ^ 64 位的消息，SHA1 会产生一个 160 位的消息摘要 (通常用 16 进制表示为 40 个字符)。
它一般而言不可逆，可以被应用在检查文件完整性，以及数字签名等场景。

优势：速度适中，适用于小到中等大小的数据集，较MD5更安全。
劣势：不适合用于安全性要求极高的场景，因为已经被证明存在漏洞。

2.3.2 SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit)

SHA1 会产生一个 256 位的消息摘要 (通常用 16 进制表示为 64 个字符)。

优势：安全性较高，速度适中，适用于各种数据集大小。
劣势：相对于MD5和SHA-1，速度较慢。

2.3.3 HMAC算法

Hmac算法是一种标准的基于密钥的哈希算法，可以配合MD5、SHA-1等哈希算法，计算的摘要长度和原摘要算法长度相同。
Hmac算法总是和某种哈希算法配合起来用的，可选以下多种算法：HmacMD5/HmacSHA1/HmacSHA256/HmacSHA384/HmacSHA51。

3.加密算法的实现

3.1 AES加解密算法

已实现的加解密算法：aes_256_gcm、aes_256_cbc、aes_128_ecb，对密文进行base64编码。

   /**
    * aes_256_gcm加密函数
    * @param plaintext 明文
    * @return 密文base64编码
    */
   static string aes256gcmEncrypt(const char *plaintext, const void *key, const char *iv);
   /**
    * aes_256_gcm解密函数
    * @param ciphertext 密文base64编码
    * @return 明文
    */
   static string aes256gcmDecrypt(const char *cipherBase64, const void *key, const char *iv);

   /**
    * aes_256_cbc加密函数
    * @param plaintext 明文
    * @return 密文base64编码
    */
   static string aes256cbcEncrypt(const char *plaintext, const void *key, const char *iv);
   /**
    * aes_256_cbc解密函数
    * @param ciphertext 密文base64编码
    * @return 明文
    */
   static string aes256cbcDecrypt(const char *cipherBase64, const void *key, const char *iv);

   /**
    * aes_128_ecb加密函数
    * @param plaintext 明文
    * @return 密文base64编码
*/
   static string aes128ecbEncrypt(const char *plaintext, const void *key);
   /**
    * aes_128_ecb解密函数
    * @param ciphertext 密文base64编码
    * @return 明文
    */
   static string aes128ecbDecrypt(const char *cipherBase64, const void *key);

源码见：
https://github.com/yadiq/AndroidNative/blob/main/app/src/main/jni_demo/utils_openssl/AesUtil.cpp

3.2 哈希加密算法

已实现的哈希加密算法：SHA-1、HMAC算法，密文转十六进制字符串。

/**
 * SHA1加密
 * @param plaintext 明文
 * @return 密文转十六进制字符串
 */
static string sha1Encrypt(const char *plaintext);

/**
 * HMAC加密
 * @param algorithm 哈希算法名称：MD5、SHA1、SHA224、SHA256、SHA384、SHA512
 * @param plaintext 明文
 * @param key 密钥
 * @return 密文转十六进制字符串
 */
static string hmacEncrypt(const char *algorithm, const char *plaintext, const char *key);

源码见：
https://github.com/yadiq/AndroidNative/blob/main/app/src/main/jni_demo/utils_openssl/HashUtil.cpp

5. 验证

在线加解密工具:
https://www.lddgo.net/en/encrypt/aes
https://tool.oschina.net/encrypt?type=2

4.效果图

AndroidOpensslEncrypt