Android客户端与服务端数据加密传输方案详解

前言

在网络通信中，通信传输数据容易被截取或篡改，如果在传输用户隐私数据过程中，被不法分子截取或篡改，就可能导致用户受到伤害，比如被诈 骗，所以对客户端与服务端的传输数据加密，是网络通信中必不可少的。

数据加密方案

首先，客户端与服务端商量好数据加密协议，对传输数据做到安全保护。

安全保护至少需要有下面两点：

• 采用HTTPS协议

• 采用公钥密码体制RSA算法对数据加密

现在安全是保证了，但还要考虑到性能问题，由于RSA算法对数据加密时运算速度慢，所以直接把所有传输数据都用RSA加密，会导致网络通信慢，这对用户将是不好的体验。由于对称密钥密码体制中的AES运算速度快且安全性高，所以结合AES对传输数据加密是非常好的方案。

下面是对客户端与服务端通信数据加密比较通用的方案：

• 客户端生成AES密钥，并保存AES密钥

• 客户端用AES密钥对请求传输数据进行加密

• 客户端使用RSA公钥对AES密钥加密，然后把值放到自定义的一个请求头中

• 客户端向服务端发起请求

• 服务端拿到自定义的请求头值，然后使用RSA私钥解密，拿到AES密钥

• 服务端使用AES密钥对请求数据解密

• 服务端对响应数据使用AES密钥加密

• 服务端向客户端发出响应

• 客户端拿到服务端加密数据，并使用之前保存的AES密钥解密

注意：传输数据使用AES密钥加密，RSA公钥对AES密钥加密。RSA公钥和私钥由服务端生成，公钥放在客户端，私钥放在服务端。公钥私钥要私密保护，不能随便给人。

具体流程图如下：

上面网络通信过程是安全的，可以保证通信数据即使被截取了，也无法获得任何有效信息；即使被篡改了，也无法被客户端和服务端验证通过。

数据加密细节

AES加解密

生成AES密钥和使用AES密钥加密、解密，有下面重要的几点：

1.密钥长度的选择：AES能支持的密钥长度可以为128,192,256位(也即16,24,32个字节)，这里选择128位。

2.算法/模式/填充的选择：

这里选择AES/CBC/PKCS5Padding。

3.添加向量 IvParameterSpec：增强算法强度。 4.编码格式选择：UTF-8。

下面为具体代码实现：

private final int AES_KEY_LENGTH = 16;//密钥长度16字节，128位
   private final String AES_ALGORITHM = "AES";//算法名字
   private final String AES_TRANSFORMATION = "AES/CBC/PKCS5Padding";//算法/模式/填充
   private final String AES_IV = "0112030445060709";//使用CBC模式，需要一个向量iv，可增加加密算法的强度
   private final String AES_STRING = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIGKLOP";
   private final Charset UTF_8 = Charset.forName("UTF-8");//编码格式
   /**
    * 使用AES加密
    *
    * @param aesKey AES Key
    * @param data   被加密的数据
    * @return AES加密后的数据
    */
   private byte[] encodeAES(byte[] aesKey, String data) {
       if (aesKey == null || aesKey.length != AES_KEY_LENGTH) {
           return null;
       }
       SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, AES_ALGORITHM);
       try {
           Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
           IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes(UTF_8));
           cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, iv);
           return cipher.doFinal(data.getBytes(UTF_8));
       } catch (Exception e) {
           Log.d(TAG, e.getMessage(), e);
       }
       return null;
   }
   /**
    * 使用AES解密
    *
    * @param aesKey AES Key
    * @param data   被解密的数据
    * @return AES解密后的数据
    */
   private String decodeAES(byte[] aesKey, byte[] data) {
       if (aesKey == null || aesKey.length != AES_KEY_LENGTH) {
           return null;
       }
       SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(aesKey, AES_ALGORITHM);
       try {
           Cipher cipher = Cipher.getInstance(AES_TRANSFORMATION);
           IvParameterSpec iv = new IvParameterSpec(AES_IV.getBytes(UTF_8));
           cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, iv);
           return new String(cipher.doFinal(data), UTF_8);
       } catch (Exception e) {
           Log.d(TAG, e.getMessage(), e);
       }
       return null;
   }
   private int getRandom(int count) {
       return (int) Math.round(Math.random() * (count));
   }
   /**
    * 生成AES key
    *
    * @return AES key
    */
   private String initAESKey() {
       StringBuilder sb = new StringBuilder();
       int len = AES_STRING.length();
       for (int i = 0; i < AES_KEY_LENGTH; i++) {
           sb.append(AES_STRING.charAt(getRandom(len - 1)));
       }
       return sb.toString();
   }

现在AES密钥和AES加密、解密都有了，在通常情况下，还会对加密、解密过程进行Base64 编码、解码。

Base64编码，选择 URL_SAFE 标识，也就是 "-" 和 &ldquo;_&rdquo; 会被替换为 "+" 和 "/"，：

/**
    * 对数据进行Base64编码，使用的是{@link android.util.Base64}，而且flags需要使用 {@link android.util.Base64#URL_SAFE,android.util#Base64.NO_PADDING,android.util.Base64#NO_WRAP}。
    *
    * @param input 来源数据
    * @return Base64编码的数据
    */
   private String encodeBase64(byte[] input) {
       return new String(Base64.encode(input, Base64.URL_SAFE | Base64.NO_PADDING | Base64.NO_WRAP), UTF_8);
   }

Base64解码，和编码对应：

/**
    * 对数据进行Base64解码，使用的是{@link android.util.Base64}，而且flags需要使用 {@link android.util.Base64#URL_SAFE,android.util.Base64#NO_WRAP}，主要是为了和Base64加密对应。
    *
    * @param str 需要解码的数据
    * @return Base64解码后的数据
    */
   private byte[] decodeBase64(String str) {
       return Base64.decode(str.getBytes(UTF_8), Base64.URL_SAFE | Base64.DEFAULT);
   }

RSA公钥加密

RSA公钥是从服务端拿到的，这个公钥不能被泄漏，必须做到安全保护。

使用RSA公钥加密，也有几个重要点：

1.拿到的公钥是Base64 编码后的，所以首先需要对公钥Base64解码。

2.算法/模式/填充的选择：RSA/ECB/PKCS1Padding

3.编码格式选择：UTF-8。

注意：使用RSA公钥加密的流程对应的就是服务端使用RSA私钥解密的流程，所以需要和服务端沟通商量好。

具体代码实现：

private final String RSA_PUB_KEY = "服务端给的公钥";
   private final String RSA_TRANSFORMATION = "RSA/ECB/PKCS1Padding";
   /**
    * 公钥加密
    *
    * @param data           要加密的数据
    * @param key            公钥
    * @param transformation 算法/模式/填充
    * @return 加密后的数据
    */
   public byte[] encryptByPublicKey(byte[] data, String key, String transformation)
           throws GeneralSecurityException {
       byte[] keyBytes = Base64.decode(key.getBytes(UTF_8), Base64.NO_WRAP);
       X509EncodedKeySpec keySpec = new X509EncodedKeySpec(keyBytes);
       KeyFactory keyFactory = KeyFactory.getInstance("RSA");
       PublicKey pubKey = keyFactory.generatePublic(keySpec);
       Cipher cipher = Cipher.getInstance(transformation);
       cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, pubKey);
       return cipher.doFinal(data);
   }

来源：https://juejin.cn/post/7146386827522342948