彻底搞懂Android安全架构:基础篇

安全要解决什么问题？

• 保密（Security、Confidentiality）：只想让部分有权限的人知晓，其他人是看不到的；
• 鉴别、认证（Authentication）：确保通信的对方就是自己信得过的人；
• 完整性（Integrity）：能够验证信息在传输过程中是否发生了篡改，或者数据丢失等现象
• 不可否认性（Non-repudiation）：谁发的信息，能够表明发送者等身份。

一些常用术语：

• 密钥：分为加密密钥和解密密钥。
• 明文：没有进行加密，能够直接代表原文含义的信息。
• 密文：经过加密处理之后，隐藏原文含义的信息。
• 加密：将原文转换成密文的实施过程。
• 解密：将密文转换成明文的实施过程。

密码术

说到密码术似乎感觉很高大上，这不都是各种谍战片里面经常出现的吗？其实，在我们现实生活中，多多少少也会接触一些简单的密码术，例如：字母加密、藏头诗、倒写文等。我们可以采用任何规则来定义密码术，但是通常我们并不会自己去写新的密码术，为什么呢？

这主要是因为：

1. 安全性：没有经过验证的密码术，确保不了该密码术一定安全。
2. 密码术里面是否有后门，因为自己定义的密码术不公开，不知道里面是否包含一些其他后门的类似程序。

概括来讲，加密主要分为：置换加密 、转置加密、乘积加密（多次置换加密和转置加密的混合使用）。

加密模型

对称加密模型

• DES

• AES

• 应用场景

• 存在的问题：密钥如何交换？

非对称加密模型

下面首先通过一个例子来简单说明公钥私钥、数字签名、消息摘要是什么，然后再详细分析非对称加密模型里面的重要知识点:

鲍勃采用某种产生密钥的算法，生成两把密钥：一把是公钥，一把是私钥。

鲍勃将自己的公钥发送给他的朋友－－帕蒂、道格、苏珊－－每人一把，以后谁想给鲍勃写私密邮件，则可以使用该公钥进行加密。

现在苏珊想给鲍勃写一封保密邮件，他写完之后用鲍勃的公钥加密，就可以达到保密的效果。

鲍勃收到信之后，用自己的私钥解密，看到了信件的内容。这里要强调的是，只要鲍勃的私钥不泄漏，这封信就是安全的，即使落在别人的手里，也无法解密。

鲍勃给苏珊回信，决定采用“数字签名”。他写完之后先用Hash函数，生成信件的摘要（Digest）。

然后，鲍勃再使用私钥对这个摘要加密，生成“数字签名”。

鲍勃将这个签名附在邮件下方，一起发给苏珊。

苏珊收信后，取下数字签名，用鲍勃的公钥解密，得到信件的摘要。由此证明，这封信确实是鲍勃发出的。

苏珊再对信件本身使用Hash函数，将得到的结果，与上一步得到的摘要进行比对。如果两者一致，就证明这封信未被修改过。

复杂的情况出现了，道格想欺骗苏珊，他偷偷使用了苏珊的电脑，用自己的公钥换走了鲍勃的公钥。此时苏珊实际拥有的是道格的公钥，但是还以为这是鲍勃的公钥。因此，道格就可以冒充鲍勃，用自己的私钥做成”数字签名”，写信给苏珊，让苏珊用假的鲍勃公钥进行解密。

后来，苏珊感觉不对劲，发现自己无法确定公钥是否真的属于鲍勃。她想到了一个办法，要求鲍勃去找”证书中心”（certificate authority，简称CA），为公钥做认证。证书中心用自己的私钥，对鲍勃的公钥和一些相关信息一起加密，生成”数字证书”（Digital Certificate）。

鲍勃拿到数字证书以后，就可以放心了。以后再给苏珊写信，只要在签名的同时，再附上数字证书就行了。

苏珊收信后，用CA的公钥解开数字证书，就可以拿到鲍勃真实的公钥了，然后就能证明”数字签名”是否真的是鲍勃签的。

• 公钥和私钥

通过上面的例子，我们可以很轻松的知道，公钥和私钥都是由鲍勃产生的，私钥由自己保管，公钥交可以交给任何人。

应用场景：

• 公钥算法的理论基石
  数学是科学之基
  基础学科研究之物，虚虚实实，先虚后实
  公钥算法的最重要的两大数学基础
  建立在分解大数的困难度
  建立在以大素数为模来计算离散对数的困难度
• RSA算法
  RSA的名字由来？就是三个科学家的名字首字母的组合
  建立在分解大数的困难度
  公钥私钥的长度至少1024bit

两大加密模型的优缺点：

优点：相对于非对称加密非常高效。
缺点：密钥交换问题
     不如RSA的加密安全程度高，但是当选择256bit的AES时，仍然能胜任绝大多数的安全领域

非对称加密的优缺点：

优点：安全性足够高
     没有密钥交换的问题
缺点：效率低，对于大数据加密很慢

密钥交换

实际的保密会话场景：

• 基于高效的 对称加密 算法对会话进行加密
• 会话密钥实时产生且周期性变化
• 基于其他足够安全的方式进行会话密钥的传输和交换

利用公钥密钥来交换会话密钥

• 实时随机的会话密钥产生
• 使用对端的的公钥对产生的会话密钥加密并传递给对端
• 对段使用私钥解密获取会话密钥
• 双方开始基于共享的会话密钥进行对称加密的保密会话通信
  

其他的密钥交换方式

Diffie-Hellman密钥交换协议

• 基于以大素数为模计算离散对数的困难度
• 双方各自选定Key，然后以一定算法变换（使得Key不以明文传输）后传输给对方
• 双方利用对方交换过来的数据和自己选定的key做变换，获得一个一致的结果，作为会话密钥
  

消息摘要

• Hash与散列函数的定义与特点
  定义：变长的输入变成定长的输出。
  特点：

易变性：即便原始信息发生1bit的变化，Hash的输出将会有不可预知的巨大变化。
不可逆性：通过Hash的结果构造出满足的输入信息是不可能的，或者极其困难的。

常见的Hash算法：MD5（128位）、SHA1（160位）

• 消息摘要和数字指纹

人的指纹的特点：
双胞胎的指纹不同
通过指纹猜不出它的主人
与Hash的对应关系：
易变性
不可逆
数字指纹由此而来，通过对消息采用某种Hash算法得到的输出就是消息摘要，也叫数字指纹。

• Hash的应用场景

1. 防篡改
   基于易变特性
   保证完整性
   示例：
   网络下载某个文件时，都会指定该文件的一个MD5值，确保文件没有被替换
   消息传送时尾部额外传MD

2. 防损坏
   基于易变特性
   保证完整性
   示例：
   CRC校验的作用和不足
   MD校验消息恶劣环境传输的完整性和未受损坏
   应用程序中对于核心文件／数据库读写的鲁棒性保护，防止掉电和Crash

3. 认证
   基于不可逆特性
   可认证对端
   示例：
   HTTP的Basic和Digest认证
   PPP的PAP和CHAP认证
   手机登陆密码和隐藏MMI的设计

• HMAC
  我们遇到了什么问题？
  直接尾部附带消息摘要的问题（篡改内容的同时篡改摘要）
  直接对密码做Hash传输的认证的问题（重放攻击）

  HMAC怎么解决的？
  HMAC就是使用Key对原始信息变换后再进行Hash

电子签名

签名要解决什么问题？

• 签什么？
  签的内容的完整性保护
• 谁在签
  签名人的不可否认性

  公钥密码术的两面性

通过上面的图例说明我们知道对于公钥密码术，我们不仅可以使用公钥加密，反过来也可以通过公钥来实现电子签名。

证书与PKI

• 证书的作用

1. 证书的存储和交换
   公钥作为一个字段存储于数字证书中
   证书的交换和传输即可传输／交换公钥

2. 现代信任基石

证书只是存储和交换公钥的吗？那我不可以吧公钥直接作为一个文件来存储和交换吗？
另外，我不可以篡改证书吗？我作为第三者，篡改苏珊发给鲍勃的证书，把里面的公钥改成我自己的，由此来HACK别人发给鲍勃的信息。
利用签名来保护数字证书本身。

• 证书链和PKI

根证书自签名，非根证书父签名
证书的限制：约束、拥堵、有效期

参考资料

http://www.youdzone.com/signature.html
http://www.jikexueyuan.com/course/32_7.html?ss=1
http://www.cnblogs.com/f1194361820/archive/2015/01/29/4260025.html