基于Java的移动数据加密算法研究

基于Java的移动数据加密算法研究李晓勇北京邮电大学PCN&CAD中心，北京（100876）E-mail：xiaoyongli83@摘要：本文总结了常用的数据加密算法和其在java环境中的实现，并在此基础上分析了几种在移动环境中常用的数据加密的常用算法,最后给出了一个AES算法的java实现。

关键词：公钥，私钥，Java1.引言当前，移动通信技术不断发展，其规模也不断扩大，移动通信终端(主要是手机) 的功能也在不断增强。

人们越来越依赖于互联网上的信息，并且希望移动终端能够连上互联网络进行信息的传输，移动商务逐步变为商家的主要业务。

对于移动用户和无线应用程序开发人员而言，安全性正在成为一个重要问题。

通常情况下，为了提供端到端的安全，移动安全解决方案必须在应用层和传输层这两个网络层之一内执行。

移动终端的数据在传输过程多次中转存在安全隐患，并且传输层的加密不能由用户自己控制，相比较而言用户更愿意在应用层进行数据直接加密。

2.常用加密算法简介2.1 数字摘要数字摘要主要用于对要传输的数据作运算生成信息摘要，它并不是一种加密机制，但却能产生信息的数字“指纹”，它的目的是为了确保数据没有被修改或变化，保证信息的完整性不被破坏[1]。

主要使用单向散列函数算法，可用于检验消息的完整性，和通过散列密码直接以文本形式保存等，目前广泛使用的算法有MAC、MD5、SHA。

MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA数据安全公司开发的一种单向散列算法，MD5被广泛使用，可以用来把不同长度的数据块进行暗码运算成一个128位的数值；SHA（Secure Hash Algorithm）这是一种较新的散列算法，可以对任意长度的数据运算生成一个160位的数值；MAC（Message Authentication Code）：消息认证代码，是一种使用密钥的单向函数，可以用它们在系统上或用户之间认证文件或消息。

HMAC（用于消息认证的密钥散列法）就是这种函数的一个例子。

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验码，CRC校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中。

占用系统资源少，用软硬件均能实现，是进行数据传输差错检测地一种很好的手段。

jdk1.5对上面都提供了支持，在java中进行消息摘要很简单，java.security.MessageDigest 提供了一个简易的操作方法，还可以通过消息认证码来进行加密实现，javax.crypto.Mac提供了一个解决方案。

2.2对称密码技术消息摘要只能检查消息的完整性，但是单向的，对明文消息并不能加密，要加密明文的消息的话，就要使用其他的算法确保机密性。

对称密钥加密也称秘密密钥加密，加密和解密使用同一个密钥。

因此信息的发送方和接收方必须共享一个密钥。

对称密码技术是从传统的简单换位代替密码发展而来的，对称密码体制按加密模式可分为序列密码和分组密码两大类[2] [3]。

2.2.1序列密码序列密码的主要原理是通过有限状态及产生性能优良的伪随机序列，使用该序列加密信息流，按照逐比特加密的规则得到密文序列。

所以，序列密码算法的安全程度完全取决于伪随机序列的好坏。

序列密码的优点是运算速度快，秘闻传输过程中的错误不会在明文中扩散;其缺点是密钥变换过于频繁、密钥分配较难。

2.2.2分组密码分组密码是将明文分成长度固定的数据组，在给定密钥的控制下，使之变换成相应的密文组。

一次对以若干位为一组的明文进行操作与运算的明文密码算法，就是分组密码非对称密码技术。

使用私钥加密首先需要一个密钥，可用javax.crypto.KeyGenerator产生一个密钥(java.security.Key)，然后传递给一个加密工具(javax.crypto.Cipher)，该工具再使用相应的算法来进行加密，主要对称算法有：DES（实际密钥只用到56位），AES（支持三种密钥长度：128、192、256位），通常首先128位，其他的还有DESede等，jdk1.5种也提供了对对称算法的支持。

2.3公钥加密公开密钥加密也称为非对称密钥加密。

公开密钥加密使用两个不同的密钥:一个用来加密信息，称为加密密钥；另一个用来解密信息，称为解密密钥。

用户把加密密钥公开，因此加密密钥也称为公开密钥，简称公钥。

解密密钥保密，因此解密密钥也称为私有密钥，简称私钥。

这两个密钥是数学相关的，用某用户的加密密钥加密后所得的数据只能用该用户的解密密钥才能解密[4]。

因而要求用户的私钥不能透露给自己不信任的任何人。

目前比较流行的公钥密码体制主要有两类:一类是基于大整数因子分解问题的，其中最典型的代表是RSA 体制;另一类是基于离散对数问题的，如ElGamal 公钥密码体制和影响比较大的椭圆曲线公钥密码体制。

公钥加密与对称密钥加密相比，其优势在于不需要一把共享的通用密钥，用于解密的私钥不发往任何地方，这样，即使公钥被截获，因为没有与其匹配的私钥，所以截获的公钥对入侵者是没有任何用处的。

但是公钥加密速度很慢（比私钥加密慢100到1000倍），公钥的主要算法有RSA，还包括Blowfish，Diffie-Helman等，jdk1.5种提供了对RSA的支持。

2.4 数字签名数字签名确定交换消息的通信方身份的第一个级别。

A通过使用公钥加密数据后发给B，B利用私钥解密就得到了需要的数据，由于都是使用公钥加密，那么如何检验是A发过来的消息呢？A可以利用A自己的私钥进行加密，然后B再利用A的公钥来解密，就可以了；数字签名的原理就基于此，而通常为了证明发送数据的真实性，通过利用消息摘要获得简短的消息内容，然后再利用私钥进行加密散列数据和消息一起发送。

java中为数字签名提供了良好的支持，java.security.Signature类提供了消息签名。

2.5 数字证书数字证书将一个身份标识连同公钥一起进行封装，并由称为认证中心或 CA 的第三方进行数字签名。

如A用私钥加密，那么B接受到消息后，用A提供的公钥解密；现在有个C，他把消息拦截了，然后用自己的私钥加密，同时把自己的公钥发给B，并告诉B，那是A的公钥，就会出现欺诈，这时候就需要一个中间机构Certificate Authority(也即CA），有名的CA机构有Verisign等，目前数字认证的工业标准是：CCITT的X.509：java平台提供了密钥库，用作密钥和证书的资源库。

从物理上讲，密钥库是缺省名称为 .keystore 的文件（有一个选项使它成为加密文件）。

密钥和证书可以拥有名称（称为别名），每个别名都由唯一的密码保护。

密钥库本身也受密码保护；您可以选择让每个别名密码与主密钥库密码匹配。

3.移动加密虽然加密算法已经相对完备，然而考虑到特殊环境下的具体情况时，并不是每一种方法都适合。

常用的公钥密码算法如RSA、DH、ElGamal等都涉及到指数运算，运算过程速度慢，而且密钥位数较多，随之需要的存储容量也大。

基于椭圆曲线的公钥密码体制( ECC)虽然可以避免上述一些公钥算法的缺点，但算法的实现较为复杂。

移动通信数据量小，环境恶劣，计算资源十分有限，因此需要运算效率高，速度快，易于实现的算法。

目前，大多采用对称密钥中的DES，AES算法和改进的非对称密钥NTRU算法及其演化版。

3.1 DES算法DES 采用了对称密码编码技术，它的特点是文件加密和解密使用相同的密钥[5][6]。

对称加密算法使用起来简单快捷，密钥较短，且破译困难，但开放性差。

DES 属于分组密码体制，它用于进行大批数据加密，其基本思想是，在一个56 位密钥的控制下，将按64 位分组的明文信息加密成按64 位分组的密文信息。

整个加密过程由16 个独立的加密循环所组成，每个循环使用—个自己的密钥K(1) ，K(2) ， ，K(16) 和加密函数，各个密钥为48位，按一定的算法从主密钥中生成。

3.2 AES算法AES是旧式数据加密标准(DES)的后续标准是一种可用来保护电子数据的新型加密算法，已经被网络硬件和软件供应商广泛的采用[7][8]。

因此对AES算法进行研究并利用该算法对重要数据进行加密对保证数据的安全有着重要的意义。

特别的，AES是可以使用128、192和256位密钥的迭代式对称密钥块密码，并且可以对128位(16个字节)的数据块进行加密和解密。

与非对称式密码系统不同的是，对称密钥密码使用同一个密钥来对数据进行加密和解密。

3.3 NTRU 算法NTRU 算法的安全性是基于数论中在一个大维数的格中寻找一个很短向量的数学难题[9]。

NTRU 公钥密码系统的安全性来自多项式混合系统和与之独立的互素的整数p 和q 的模规约运算的交互，它是一种基于多项式截断环的加解密系统，其加密过程基于环上多项式的运算和对互素数p 和q 的模规约运算，解密的有效性依赖于某些元素的概率。

3.4基于中国剩余定理的算法该算法借鉴公钥密码体制NTRU的设计思想，根据构造公钥密码体制的一般设计策略，以中国剩余定理为理论基础提出了一种全新的公钥密码方案[10]。

该方案安全、简单、高效，易于实现，特别适合于小数据量和受限环境(如手机、智能卡)下的加密通信。

该方案是基于大整数因式分解困难性这个问题上的。

只要模n不能被分解成素数p和q，那么，非授权人员要从密文中恢复明文就相当困难。

该密码方案运算速度相当快，加密过程仅用到2次乘法、1次加法和1次求模;解密过程用到8次求模运算、8次乘法运算和一次求模的逆元运算。

无论是加密过程还是解密过程，所需要的运算量都极小，因此方案极其高效。

方案在加密过程中引入了随机数，这就意味着对于相同的明文，加密后的密文是不同的，也就是说恢复明文中每个比特的困难等同于恢复整个明文的难度。

4.实现代码应用jdk1.5提供的工具包，可以简单的实现上面所说的一些算法。

下面以AES加密算法为例给出一段示例代码：import javax.crypto.Cipher;import javax.crypto.KeyGenerator;import java.security.Key;public class Encription{p ublic static void main(String[] args) throws Exception{if(args.length!=1){System.err.println("Usage:java Encription.java <text>");System.exit(1);}byte[] plainText=args[0].getBytes("UTF8");//通过KeyGenerator形成一个keySystem.out.println("/nStart generate AES key");KeyGenerator keyGen=KeyGenerator.getInstance("AES");keyGen.init(128);Key key=keyGen.generateKey();System.out.println("Finish generating DES key");//获得一个私鈅加密类Cipher，ECB是加密方式，PKCS5Padding是填充方法Cipher cipher=Cipher.getInstance("AES/ECB/PKCS5Padding");System.out.println("/n"+cipher.getProvider().getInfo());//使用私鈅加密System.out.println("/nStart encryption:");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE,key);byte[] cipherText=cipher.doFinal(plainText);System.out.println("Finish encryption:");System.out.println(new String(cipherText,"UTF8"));System.out.println("/nStart decryption:");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE,key);byte[] newPlainText=cipher.doFinal(cipherText);System.out.println("Finish decryption:");System.out.println(new String(newPlainText,"UTF8"));}}从上面的示例看出，首先调用KeyGenerator方法生成一个密钥，然后就可以用这个密钥通过私鈅加密类Cipher的doFinal方法进行加密解密了。