客户端与服务端数据加密传输方案
前言
从前一篇网络安全基础要点知识介绍中可以知道，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：
算法/模式/填充 字节加密后数据长度 不满16字节加密后长度
AES/CBC/NoPadding 16 不支持
AES/CBC/PKCS5Padding 32 16
AES/CBC/ISO10126Paddind 32 16
AES/CFB/NoPadding 16 原始数据长度
AES/CFB/PKCS5Padding 32 16
AES/CFB/ISO10126Padding 32 16
AES/ECB/NoPadding 16 不支持
AES/ECB/PKCS5Padding 32 16
AES/ECB/ISO10126Padding 32 16
AES/ECB/ISO10126Padding 32 16
AES/OFB/NoPadding 16 原始数据长度
AES/OFB/PKCS5Padding 32 16
AES/OFB/ISO10126Padding 32 16
AES/PCBC/NoPadding 16 不支持
AES/PCBC/PKCS5Padding 32 16
AES/PCBC/ISO10126Padding 32 16
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();
}
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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 “_” 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);
}
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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);
}
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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);
}
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总结
1.为了保证网络通信中的通信数据安全，首先采用HTTPS协议和公钥密钥体制中的RSA加密。
2.因为是RSA运算速度慢，所以采用运算速度快且安全性高的对称密钥密码体制中的AES对所
有传输数据进行加密，然后再用RSA对AES密钥加密，这样既能保证安全又能保证性能。
3.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。
4.数据加密后采用Base64编码，数据解密前采用Base64解码。
5.编码格式同一采用UTF-8
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