Android的加密缓存(上)--JCA基础

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在Java的知识体系中，Java平台安全是很重要的一部分。作为Android开发者，其实这部分知识对我们来说既陌生又熟悉。说熟悉，Android中Apk打包离不开的jks签名文件，Android 6.0提供的指纹识别接口的调用(Demo), 都是建立在Android平台安全的体系上。而Android平台安全又是建立在Java平台安全的这个坚实的基础上。说陌生，对于Java密码学架构(Java Cryptography Architecture 简称JCA)的还挺陌生，该系列文章分为上下两部分，这一篇主要聊聊JCA的基础知识，可能有些枯燥，在下篇，我会结合具体代码，完成一次简单的字符串缓存加密和解密。

JCA的基本介绍

先看来自《Java Cryptography Architecture
(JCA) Reference Guide》的一段背景介绍：

Java平台重视安全性，包括语言安全性，密码学，公钥基础设施，身份验证，安全通行和访问控制。
JCA是JDk平台上非常重要的部分，通过包含一个 “provider”架构，设计了一套API为包括 数字签名、消息摘要、证书和证书验证、加密(对称和非对称，分组和流式密码)、秘钥生成和管理、安全随机码生成等功能服务。

可以看出，JCA是Java平台安全的基础，其它相关的还有Java密码学拓展(Java Cryptography Extension 简称JCE)、Java Secure Socket Extension (JSSE) 、Java Generic Security Services (JGSS)。

java密码学架构

JCA的设计原则

JCA在设计之初就遵循一些基本原则，也就是

  • 实现的独立性和互操作性
  • 算法的独立性和可扩展性

应用无需实现具体的安全算法，或者说应用请求来自Java平台的安全服务。这些安全服务在“providers”（下面会介绍）中实现，这些providers可以互相协作，与应用之间没有必然的绑定限制。Java平台提供了现成的实现算法的providers，应用也可以通过自定义providers来实现特殊的算法。

JCA的架构

Cryptographic Service Providers CSP 密码服务提供者

刚才在设计原则那部分，反复提到了“providers”，那providers到底是个什么东西呢? JCA文档是这么介绍的：

a package or set of packages that supply a concrete implementation of a subset of the JDK Security API cryptography features
一个包或包结合，提供JDK安全API密码特性的具体实现

这么看还是很抽象，首先要了解java.security.Provider，这个抽象类是所有安全提供者的基础类。每一个CSP，也就是我们的密码服务提供者，都包含java.security.Provider类的一个实例，这个实例包含了“providers”的名称和所有实现的安全服务/算法的列表，当我们需要某种算法时，JCA框架就会去查询这个“providers”数据库，找到匹配的实例并创建它。

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public abstract class Provider extends Properties {

    private String name;

    private String info;

    private double version;

    private transient Set<Map.Entry<Object,Object>> entrySet = null;
    private transient int entrySetCallCount = 0;

    private transient boolean initialized;

    ...
}

引用下JCA文档中的这张图：

java密码学架构--02

配合这张图就很清晰了，我们开发者处于应用层，JCA框架层对应用层只提供接口，具体的实现逻辑被封装起来。

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//我们仅需通过具体的Engine class并提供需要的算法名称“MD5”，我们就可以获得一个provider实现的消息摘要实例
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");

Key Management 秘钥的管理

KeyStore是一个数据库，它可以被用于管理秘钥和证书的仓库。秘钥可用于应用的的数据验证，加密或签名。Sun Microsystems提供了默认的KeyStore实现。它将秘钥实现为一个文件，使用专有的秘钥类型(格式)叫“jks”.其他的秘钥格式如”jceks”(一种比jks加密强度更大的秘钥库格式)、”pkcs12”等。Android开发者应该很熟悉jks，打包生成apk的时候，我们就会用到jkd格式的秘钥。

例如，Android系统提供了默认的KeyStore，可以通过名称“AndroidKeyStore”来获取

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KeyStore mKeyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");

Engine Classes and Algorithms 引擎类和算法

例如上文MessageDigest就是一类引擎类，1.4会介绍一些常用的引擎类，这里就不多做介绍了。

JCA的核心类和接口

看到这，想必大家对Providers，KeyStore，引擎类， 算法这些概念有了一些基础的认知。先放松一下，看一下gakki的笑容，放松一下。

gakki

骚年，我们继续。从API这个角度入手，了解一下JCA框架有哪些基础的类。了解之后，才方便我们后面的实战部分。

JCA的类大致可以分为以下几种：

  • Provider and Security 类
  • 各种Engine类，如SecureRandom, MessageDigest, Signature, Cipher, Mac, KeyFactory, SecretKeyFactory, KeyPairGenerator, KeyGenerator, KeyAgreement, AlgorithmParameters, AlgorithmParameterGenerator , KeyStore, and CertificateFactory
  • Key 接口和类
  • 算法参数规格接口和类(the Algorithm Parameter Specification Interfaces and Classes)
    秘钥规格接口和类(the Key Specification Interfaces and Classes)
  • 多种支持和便利接口和类

Key

首先了解一下秘钥，对应的定义是java.security.Key，是所有opaque keys的顶层接口，所谓opaque keys，也就是无法直接访问到构成key的材料，也就是说opaque keys给予了访问限制。只能通过getAlgorithm()、getFormat()、getEncoded()这些方法来获取到秘钥指定的信息。

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public interface Key extends java.io.Serializable {

    static final long serialVersionUID = 6603384152749567654L;

    public String getAlgorithm();

    public String getFormat();

    public byte[] getEncoded();
}

KeyStore

用于创建和管理秘钥库, KeyStore是秘钥的数据库。秘钥库中的私有秘钥有与之相关的证书链，用于验证相关联的公有密钥。秘钥库也包含来自受信任实体的证书。上文有介绍，这里就不多说了。

KeyGenerator

通过使用特殊算法来生成秘钥，如果希望生成非对称秘钥，请使用KeyPairGenerator

初始化：有两种初始化方式：

KeyGenerator

  • 算法无关
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public void init(SecureRandom random);

public void init(int keysize);

public void init(int keysize, SecureRandom random);
  • 算法相关
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public void init(AlgorithmParameterSpec params);

public void init(AlgorithmParameterSpec params, SecureRandom random);

生成秘钥

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public SecretKey generateKey();

  • AlgorithmParameterSpec

    算法参数，看源码可知只是个接口，具体的实现如KeyGenParameterSpec

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package java.security.spec;

/**
* A (transparent) specification of cryptographic parameters.
*
* <P> This interface contains no methods or constants. Its only purpose
* is to group (and provide type safety for) all parameter specifications.
* All parameter specifications must implement this interface.
*
* @author Jan Luehe
*
*
* @see java.security.AlgorithmParameters
* @see DSAParameterSpec
*
* @since 1.2
*/

public interface AlgorithmParameterSpec { }

KeyGenParameterSpec

参数很多，显然也是通过构建者模式进行的初始化，构建者AlgorithmParameterSpec.Builder，重要的参数有
秘钥别名，秘钥目的，block modes、EncryptionPadding等

PurposeEnum

秘钥目的：加密、解密、签名、验证

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public @interface PurposeEnum {}

/**
 * Purpose of key: encryption.
 */
public static final int PURPOSE_ENCRYPT = 1 << 0;

/**
 * Purpose of key: decryption.
 */
public static final int PURPOSE_DECRYPT = 1 << 1;

/**
 * Purpose of key: signing or generating a Message Authentication Code (MAC).
 */
public static final int PURPOSE_SIGN = 1 << 2;

/**
 * Purpose of key: signature or Message Authentication Code (MAC) verification.
 */
public static final int PURPOSE_VERIFY = 1 << 3;

下面介绍几个Engine class

Cipher

用于数据的加密和解密，通过秘钥初始化。有几种不同的算法：如 对称加密协议 symmetric bulk encryption(AES, DES, DESede, Blowfish, IDEA)，流式加密 stream encryption(RC4等)， 非对称加密 asymmetric encryption(RSA等), 密码基础的加密 password-based encryption(PBE)

signature

提供用于密码数字签名算法(如DSA或RSAwithMD5)的功能

MessageDigest

提供密码信息摘要（如SHA-1或MD5）的功能，接受任意直接长度的输入（byte[]格式），生成
固定长度的输出(称为digest或hash)

Mac

Message Authentication Code的缩写，与MessageDigest类似， 用于检测信息的完整性以及在不可靠媒介上存储(包含一个secret key，持有正确key的人能够验证已接收的信息)

** 参考资料 **