基于安卓系統(tǒng)的國密硬件加密系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

孫金奇

摘要：移動手機(jī)的快速普及以及移動互連網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，給人們的生活工作帶來了極大的便利，人們可以使用移動手機(jī)終端的APP來實(shí)現(xiàn)上下班打卡、編輯工作文件、訪問公司內(nèi)網(wǎng)、與朋友視頻通話等工作生活需求。但是，移動互聯(lián)網(wǎng)的信息安全問題也為我們的生活工作帶來了新的挑戰(zhàn)，手機(jī)端硬件加密系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。然而，不同的手機(jī)硬件加密系統(tǒng)硬件構(gòu)造、硬件體系不同，并未形成統(tǒng)一的對外接口，導(dǎo)致手機(jī)應(yīng)用APP必須使用不同的版本來適配不同的加密硬件。因此，本系統(tǒng)主要解決硬件系統(tǒng)的統(tǒng)一對外出口問題，在不修改應(yīng)用APP的前提下統(tǒng)一調(diào)用不同的加密硬件，故此，安全APP是本系統(tǒng)的核心。

關(guān)鍵詞：Android;國密;加解密;簽名驗(yàn)簽;終端可信硬件密碼模塊

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0187-03

0 引言

近年來隨著移動手機(jī)的應(yīng)用與普及以及手機(jī)操作系統(tǒng)的進(jìn)一步革新與完善，手機(jī)應(yīng)用需求越來越多。例如：手機(jī)支付使我們再也不必帶錢包拿幾百塊錢現(xiàn)金甚至銀行卡去買東西，可以通過手機(jī)掃碼支付，直接打通用戶、商家與銀行的信息流。二十年前，我們?nèi)ツ吧鞘新糜紊虅?wù)等需要買一張地圖，甚至到一個地方就需要向路人打聽如何去往自己的目的地，但是當(dāng)前的手機(jī)導(dǎo)航讓我們無論身處何地，只要有網(wǎng)絡(luò)信號就可以快速獲取當(dāng)前位置、如何去往目的地?？梢哉f智能手機(jī)的發(fā)展改變了我們的生活，但是智能手機(jī)的快速發(fā)展也存在一定的問題，例如：假基站獲取我們的網(wǎng)絡(luò)信號來進(jìn)行詐騙與傳銷;手機(jī)網(wǎng)絡(luò)病毒遠(yuǎn)程植入獲取用戶通信錄、個人信息、支付信息等;網(wǎng)絡(luò)通信內(nèi)容被人竊聽甚至網(wǎng)上售賣等。因此，亟需手機(jī)安全加密系統(tǒng)來保護(hù)個人信息不泄露。

當(dāng)下手機(jī)端的加密有硬件加密和軟件加密之分，軟件加密是通過加密軟件來保護(hù)信息流入流出的安全可靠，但軟加密效率相對低下。硬件加密主要是通過手機(jī)內(nèi)置加密芯片（如華為Mate系列手機(jī)的Inse加密模塊）、TF加密卡以及手機(jī)貼膜卡實(shí)現(xiàn)。這三種加密方式可以實(shí)現(xiàn)相同的業(yè)務(wù)功能，但是由于這三種加密方式的硬件基礎(chǔ)不同，應(yīng)用程序如果想分別調(diào)用這三種方法只能編寫三個版本的軟件系統(tǒng)或編寫一個統(tǒng)一的調(diào)用接口來統(tǒng)一調(diào)用。顯然使用三個版本應(yīng)用程序工作量巨大是不可取的，因此需要一款統(tǒng)一的加密硬件調(diào)用接口程序供應(yīng)用程序調(diào)用，這也是本文的重點(diǎn)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 Android系統(tǒng)架構(gòu)

Android系統(tǒng)是當(dāng)下最流行的手機(jī)操作系統(tǒng)之一，是由谷歌公司開發(fā)一款基于Linux系統(tǒng)的開源操作系統(tǒng)。Android平臺的核心是Android系統(tǒng)，該平臺是由操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用程序以及用戶界面組成。其中，其核心軟件是基于Linux系統(tǒng)，使用C語言開發(fā)編寫;中間件使用C++語言編寫，為底層操作提供支持與保障;應(yīng)用軟件是由各種應(yīng)用公司開發(fā)研制，用于滿足用戶的各種功能需求。

Android系統(tǒng)采用與大部分操作系統(tǒng)類似的分層架構(gòu)，如圖1所示分為四個層次，分別是：APPLICATIONS（應(yīng)用層）、APPLICATION FRAMEWORK（應(yīng)用框架層）、運(yùn)行庫層以及LINUX KERNEL（Linux內(nèi)核層）。應(yīng)用層主要是面向用戶的可視化功能軟件，如：短信、日歷、天氣、微信、備忘錄等，所有面向應(yīng)用層的軟件均由JAVA編寫。應(yīng)用框架層為應(yīng)用層的軟件提供運(yùn)行框架，提供了豐富的UI接口，方便應(yīng)用開發(fā)人員調(diào)用底層服務(wù)。運(yùn)行庫層包含豐富的C/C++庫，通過應(yīng)用框架層為開發(fā)者提供各種功能服務(wù)。Linux內(nèi)核提供各種進(jìn)程管理、內(nèi)存分配、設(shè)備驅(qū)動管理、堆棧是文件系統(tǒng)管理等功能服務(wù)。

Android系統(tǒng)開發(fā)有活動（Activity）、服務(wù)（Service）、廣播接收器（BroadcastReciever）、內(nèi)容提供商（Content Provider）四大組件?；顒邮撬袘?yīng)用程序的根本，所有程序都運(yùn)行在活動中。應(yīng)用程序每一個界面就是一個活動，其中有各種圖片、文字、按鈕等，類似于一個網(wǎng)頁。服務(wù)不提供頁面，可以與其它組件交互，在后臺運(yùn)行。服務(wù)是一種程序，在不主動關(guān)閉的情況下它可以在后臺運(yùn)行很長時間。廣播接收器廣泛應(yīng)用于應(yīng)用程序間的信息傳輸機(jī)制，應(yīng)用程序可以使用其對外部事件進(jìn)行有針對性的過濾。內(nèi)容提供商實(shí)現(xiàn)多個應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的共享。

1.2 國密加密體系

國密算法是由國家密碼局指定的國產(chǎn)商用密碼算法，可實(shí)現(xiàn)商用加解密運(yùn)算、簽名驗(yàn)簽認(rèn)證等功能服務(wù)，其主要算法有SM1、SM2、SM3、SM4。

SM1是商用密碼算法中的分組標(biāo)準(zhǔn)對稱算法，密鑰與分組長度均為128bit，該算法強(qiáng)度與軟硬件速率性能均與AES類似，該算法只是以IP核的形式存儲在安全芯片中，具體算法內(nèi)容保密，不向外公開。SM2是一款國密局發(fā)布的橢圓曲線公鑰密碼算法，其相對于國際上的RSA更加安全可靠。橢圓曲線是由維爾斯特拉斯方程確定的平面曲線，橢圓曲線是基于離散對數(shù)問題問題實(shí)現(xiàn)的加密方式，至今暫無有效的方法解決這一問題。橢圓曲線算法相對于RSA有如下優(yōu)勢：（1）計算量小，處理速度快，相對于RSA可以快速實(shí)現(xiàn)簽名驗(yàn)簽和加解密;（2）帶寬需求低;（3）安全性高，160位的橢圓曲線密碼強(qiáng)度與1024位的RSA強(qiáng)度相當(dāng);（4）存儲量小，SM2的存儲空間是192-256bit，RSA的存儲空間為2048-4096bit;（5）計算復(fù)雜度高，SM2的計算復(fù)雜度是完全指數(shù)級別，而RSA的計算復(fù)雜度為亞指數(shù)級別。SM3是我國采用的一種散列函數(shù)密碼標(biāo)準(zhǔn)（GM/T0004-2012《SM3密碼雜湊算法》）。在我國商用密碼中，其主要應(yīng)用于簽名驗(yàn)簽、消息認(rèn)證碼生成驗(yàn)證、隨機(jī)數(shù)生成等，其生成效率與SHA-256相當(dāng)。SM4是國家秘密局采用的分組密碼標(biāo)準(zhǔn)（GM/T0002-2012《SM4分組密碼算法》），SM4主要用于數(shù)據(jù)的加密與解密，其分組長度與密鑰的長度都是128比特，加密與密鑰擴(kuò)展算法均采用32為非線性迭代結(jié)構(gòu)，S盒子是固定的8bit輸入輸出。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

手機(jī)移動應(yīng)用加解密與簽名驗(yàn)簽系統(tǒng)采用的是前后端分離的設(shè)計結(jié)構(gòu)。前后端分離設(shè)計，是一種前端代碼與后端代碼的分離，也是前端內(nèi)部邏輯與后端內(nèi)部邏輯的分離（前后端系統(tǒng)可以獨(dú)立地完成其內(nèi)部子功能邏輯），更是前后端物理部署的分離。前后端分離使業(yè)務(wù)邏輯更加清晰，減少了前后端功能的耦合，某個子功能的錯誤不會迭代影響其他子功能的錯誤，更重要的是前端錯誤不會影響后端服務(wù)器錯誤，后端服務(wù)器功能增減與更新迭代不會影響手機(jī)前端功能。終端包括智能手機(jī)等在內(nèi)的移動終端，其硬件部分由可信終端硬件和可信的硬件密碼模塊等組成;軟件部分由移動操作系統(tǒng)、業(yè)務(wù)APP和安全APP組成，如圖2所示。其中業(yè)務(wù)APP是需要加密的手機(jī)端普通APP程序，安全APP是手機(jī)端APP與終端可信硬件密碼模塊之間的統(tǒng)一接口（直接調(diào)用手機(jī)內(nèi)置安全加密芯片（Inse）、手機(jī)貼膜卡加密芯片、TF加密卡芯片）[1]。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用前后端分離的架構(gòu)邏輯，前端手機(jī)安全APP模塊，后端簽名服務(wù)器、功能調(diào)用接口、終端可信硬件密碼模塊，相互邏輯解耦合，獨(dú)立開發(fā)、獨(dú)立部署。手機(jī)端服務(wù)的業(yè)務(wù)功能邏輯拆分提高了系統(tǒng)開發(fā)安全、降低了系統(tǒng)冗余。同時，由于功能模塊相互低耦合度，提高了系統(tǒng)的魯棒性，降低了開發(fā)難度[2，3]。

3.1 后端服務(wù)器

后端服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)對手機(jī)前端應(yīng)用APP發(fā)來的簽名包進(jìn)行驗(yàn)簽，驗(yàn)簽成功后獲取SM2（國密）國密加密公鑰值。然后，通過簽名響應(yīng)的形式將本地生成的SM4（國密）通信密鑰以獲取的SM2（國密）公鑰加密的形式進(jìn)行傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)會話密鑰的交換。后端服務(wù)器同時還進(jìn)行時間戳辨認(rèn)、IMSI號審核、包名審計等，以確定申請人信息無誤，防止重放攻擊等惡意代碼入侵，并以日志的形式記錄每一條簽名信息與加密信息。

3.2 手機(jī)端安全APP模塊

手機(jī)端安全APP模塊主要實(shí)現(xiàn)對終端可信硬件密碼模塊的選擇，以確保應(yīng)用APP使用最優(yōu)的加密方式。由于手機(jī)端加密方式多樣，為保證應(yīng)用開發(fā)的統(tǒng)一，必須使用統(tǒng)一的信息對外出口。因此，安全APP模塊是本系統(tǒng)的核心，是終端可信硬件密碼模塊與手機(jī)應(yīng)用APP之間的橋梁。手機(jī)應(yīng)用APP不需要知道調(diào)用的是何種加密模塊，只需要調(diào)用統(tǒng)一接口，就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的簽名/驗(yàn)簽和加/解密功能，在軟件上實(shí)現(xiàn)了加密模塊選擇調(diào)用的透明化！

安全APP模塊會按照加密速度優(yōu)先級以優(yōu)先調(diào)用手機(jī)內(nèi)置安全加密芯片（Inse），如果無此安全APP的情況下，調(diào)用手機(jī)貼膜卡加密模塊，最后調(diào)用TF加密卡模塊。如果這幾個安全加密模塊都不存在，則返回硬件未找到，否則，調(diào)用優(yōu)先級最高的加密模塊實(shí)現(xiàn)國密簽名/驗(yàn)簽和加/解密操作。安全APP在啟動時首先會初始化手機(jī)的硬件資源，如手機(jī)的IMEI號，應(yīng)用APP包名、終端可信硬件密碼模塊的配置情況等。安全APP一旦獲取了終端可信硬件密碼模塊的信息，將主動選擇該密碼模塊（如有多種密碼模塊則選擇最優(yōu)模塊）。當(dāng)應(yīng)用APP發(fā)來簽名請求時，安全APP將整合已有信息調(diào)用簽名接口獲取帶有簽名公鑰簽名信息。然后，當(dāng)應(yīng)用APP獲取服務(wù)端發(fā)來的響應(yīng)信息時，安全APP使用驗(yàn)簽接口，調(diào)用終端可信硬件密碼模塊驗(yàn)簽信息，并使用SM2解密密鑰獲取SM4會話密鑰。最后，應(yīng)用APP即可與服務(wù)器使用SM4會話密鑰進(jìn)行會話操作。其中會話密鑰以鍵值對的形式與應(yīng)用APP的包名存儲在安全APP中，以區(qū)分不同應(yīng)用APP的會話密鑰。

3.3 手機(jī)端功能接口

（1）簽名接口。簽名接口主要是在手機(jī)端安全APP初始化選定終端可信硬件密碼模塊后，與終端可信硬件密碼模塊通信的接口，通過簽名接口安全APP可以獲取加密模塊的SM2（國密非對稱加密算法）簽名公鑰以及使用SM2（國密國密非對稱加密算法）私鑰簽名的SM2（國密非對稱加密算法）加密公鑰簽名信息值，通過bate64轉(zhuǎn)化后發(fā)送給應(yīng)用APP。（2）驗(yàn)簽接口。驗(yàn)簽接口主要實(shí)現(xiàn)在后臺服務(wù)器驗(yàn)簽應(yīng)用APP發(fā)送的簽名數(shù)據(jù)成功后，發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)也是一串簽名數(shù)據(jù)，其中包含SM2（國密國密非對稱加密算法）簽名公鑰、使用SM2（國密國密非對稱加密算法）公鑰加密后的SM4（國密對稱加密算法）會話密鑰值等。通過驗(yàn)簽接口，可以驗(yàn)簽后臺服務(wù)端發(fā)來數(shù)據(jù)的合法性，同時通過安全APP解密獲取會話密鑰值。（3）加密接口/解密接口。通過驗(yàn)簽接口獲取的存儲在安全APP中的會話密鑰，應(yīng)用APP可以實(shí)時與后臺服務(wù)器進(jìn)行SM4（國密對稱加密算法）加密的會話通信。（4）公鑰導(dǎo)出接口。由于簽名驗(yàn)簽時需要驗(yàn)簽方獲取簽名方的公鑰信息，因此需要通過公鑰導(dǎo)出接口調(diào)用安全APP獲取加密模塊的簽名驗(yàn)簽公鑰字符串。

4 結(jié)語

本文主要介紹了基于安卓系統(tǒng)的國密硬件加密系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計的移動應(yīng)用加密系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線硬件加密模塊的調(diào)度，包括加密模塊發(fā)現(xiàn)、模塊選擇以及硬件功能調(diào)用等。用戶在不需要關(guān)心硬件加密模塊的前提下，快速實(shí)現(xiàn)加解密與簽名驗(yàn)簽操作，在軟件層實(shí)現(xiàn)對用戶的透明不可見，用戶不需要關(guān)心自己調(diào)用的是何種硬件加密方式，極大地提高了用戶調(diào)用效率，減少了下游用戶的開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 熱夏提·艾爾肯.基于透明加密的Android平臺加密系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院工程管理與信息技術(shù)學(xué)院），2017.

[2] 李濟(jì)洋，趙鵬遠(yuǎn)，劉喆.基于加密SD卡的內(nèi)網(wǎng)移動終端可信接入方案[J].網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報，2019，5（04）：108-118.

[3] 王志賀，駱釗，謝吉華，顧偉，陳海超，許超，周亮.基于SM2密碼體系的SD卡的電力移動終端安全接入方案[J].中國電力，2015，48（05）：75-80.