Android开发实战班 - 数据持久化 - 数据加密与安全

在 Android 应用开发中，数据安全至关重要，尤其是在处理敏感信息（如用户密码、支付信息、个人隐私数据等）时。数据加密是保护数据安全的重要手段，可以有效防止数据泄露、篡改和未经授权的访问。本章节将介绍 Android 开发中常用的数据加密方法、加密库的使用、安全存储方案以及最佳实践，帮助学员掌握数据加密与安全的实现。

什么是数据加密:
- 数据加密是指将明文数据通过加密算法转换为密文数据，只有持有正确密钥的人才能解密并读取数据。
数据加密的目的:
- 保密性: 防止数据泄露，确保只有授权用户才能读取数据。
- 完整性: 防止数据被篡改，确保数据的完整性和一致性。
- 身份验证: 验证数据的来源，确保数据来自可信的发送者。
加密类型:
- 对称加密: 使用相同的密钥进行加密和解密，例如 AES。
- 非对称加密: 使用一对公钥和私钥进行加密和解密，例如 RSA。
- 哈希加密: 将数据转换为固定长度的哈希值，例如 SHA-256。

18.2 常用加密算法

18.2.1 对称加密

AES (Advanced Encryption Standard):

高级加密标准，是目前最常用的对称加密算法。
密钥长度可以是 128、192 或 256 位。
适用于加密大量数据，加密和解密速度快。

import javax.crypto.Cipher
import javax.crypto.KeyGenerator
import javax.crypto.SecretKey
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec

// 生成 AES 密钥
fun generateAesKey(): SecretKey {
    val keyGenerator = KeyGenerator.getInstance("AES")
    keyGenerator.init(256)
    return keyGenerator.generateKey()
}

// AES 加密
fun encryptAes(data: ByteArray, key: SecretKey): ByteArray {
    val cipher = Cipher.getInstance("AES")
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key)
    return cipher.doFinal(data)
}

// AES 解密
fun decryptAes(encryptedData: ByteArray, key: SecretKey): ByteArray {
    val cipher = Cipher.getInstance("AES")
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key)
    return cipher.doFinal(encryptedData)
}

18.2.2 非对称加密

RSA (Rivest–Shamir–Adleman):

RSA 是一种常用的非对称加密算法。
使用一对公钥和私钥进行加密和解密。
适用于加密少量数据，例如加密对称密钥。

import java.security.KeyPairGenerator
import java.security.PrivateKey
import java.security.PublicKey
import javax.crypto.Cipher

// 生成 RSA 密钥对
fun generateRsaKeyPair(): KeyPair {
    val keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA")
    keyPairGenerator.initialize(2048)
    return keyPairGenerator.generateKeyPair()
}

// RSA 加密
fun encryptRsa(data: ByteArray, publicKey: PublicKey): ByteArray {
    val cipher = Cipher.getInstance("RSA")
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey)
    return cipher.doFinal(data)
}

// RSA 解密
fun decryptRsa(encryptedData: ByteArray, privateKey: PrivateKey): ByteArray {
    val cipher = Cipher.getInstance("RSA")
    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey)
    return cipher.doFinal(encryptedData)
}

18.2.3 哈希加密

SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256):

SHA-256 是一种常用的哈希加密算法。
将任意长度的数据转换为 256 位的哈希值。
适用于数据完整性校验和密码存储。

import java.security.MessageDigest

// SHA-256 哈希
fun sha256(data: String): String {
    val md = MessageDigest.getInstance("SHA-256")
    val hashBytes = md.digest(data.toByteArray())
    return hashBytes.joinToString("") { "%02x".format(it) }
}

18.3 Android 中的安全存储

Keystore 系统:

Android 提供了 Keystore 系统，用于安全地存储和管理密钥。
Keystore 可以生成密钥，并提供安全的密钥存储和加密操作。
密钥存储在设备的硬件安全模块中，无法被提取。

import android.security.keystore.KeyGenParameterSpec
import android.security.keystore.KeyProperties
import java.security.KeyStore

// 生成 Keystore 密钥
fun generateKeystoreKey(alias: String) {
    val keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_AES, "AndroidKeyStore")
    val keyGenParameterSpec = KeyGenParameterSpec.Builder(
        alias,
        KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT or KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT
    )
        .setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
        .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
        .setKeySize(256)
        .build()
    keyGenerator.init(keyGenParameterSpec)
    keyGenerator.generateKey()
}

// 获取 Keystore 密钥
fun getKeystoreKey(alias: String): SecretKey {
    val keyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore")
    keyStore.load(null)
    return keyStore.getKey(alias, null) as SecretKey
}

EncryptedFile 和 EncryptedSharedPreferences:

Android Jetpack 提供了 EncryptedFile 和 EncryptedSharedPreferences，用于加密文件和数据存储。
EncryptedFile 可以对文件进行加密和解密。
EncryptedSharedPreferences 可以在 SharedPreferences 中存储加密数据。

import androidx.security.crypto.EncryptedFile
import androidx.security.crypto.EncryptedSharedPreferences
import androidx.security.crypto.MasterKeys

// 使用 EncryptedFile 加密文件
fun writeEncryptedFile(context: Context, fileName: String, content: String) {
    val masterKeyAlias = MasterKeys.getOrCreate(MasterKeys.AES_256_GCM_SPEC)
    val file = File(context.filesDir, fileName)
    val encryptedFile = EncryptedFile.Builder(
        file,
        context,
        masterKeyAlias,
        EncryptedFile.FileEncryptionScheme.AES256_SIV
    ).build()

    encryptedFile.openFileOutput().bufferedWriter().use { writer ->
        writer.write(content)
    }
}

// 使用 EncryptedSharedPreferences 加密 SharedPreferences
fun getEncryptedSharedPreferences(context: Context): SharedPreferences {
    val masterKeyAlias = MasterKeys.getOrCreate(MasterKeys.AES_256_GCM_SPEC)
    return EncryptedSharedPreferences.create(
        "secret_shared_prefs",
        masterKeyAlias,
        context,
        EncryptedSharedPreferences.PrefKeyEncryptionScheme.AES256_SIV,
        EncryptedSharedPreferences.PrefValueEncryptionScheme.AES256_GCM
    )
}

18.4 数据加密最佳实践

使用强加密算法:
- 使用经过验证的强加密算法，例如 AES, RSA, SHA-256 等。
保护密钥:
- 密钥是加密安全的核心，必须妥善保护。
- 使用 Android Keystore 系统存储和管理密钥，避免密钥泄露。
最小权限原则:
- 只存储和传输必要的数据，避免存储敏感信息。
- 最小化权限申请，只申请应用所需的最低权限。
安全存储:
- 使用加密存储方案，例如 EncryptedFile, EncryptedSharedPreferences 等。
- 避免在代码中硬编码密钥或敏感信息。
数据备份:
- 对敏感数据进行加密备份，避免备份数据泄露。
错误处理:
- 妥善处理加密操作中的异常，避免敏感信息泄露。