Android系统安全 — 1-OpenSSL支持的常用加解密算法介绍

常用加解密算法介绍

1. 哈希算法

常见的函数包含MD系列、SHA-1、SHA-2家族、SHA-3家族、SM3等。

1.1 MD5（单向散列算法）

全称是Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法），经MD2、MD3和MD4发展而来。MD5算法的使用不需要支付任何版权费用。

MD5功能： 输入任意长度的信息，经过处理，输出为128位的信息（数字指纹）；不同的输入得到的不同的结果（唯一性）；根据128位的输出结果不可能反推出输入的信息（不可逆）；

# 语法
md5sum 文件名 > 保存校验和文件名
# 示例
md5sum test.txt > test.txt.md5

1.2 SHA-1/SHA-2/SHA-3

SHA全称Secure HASH Algorithm，由NIST开发；

SHA-1于1995年进行修订发布，要求输入最大长度2^64 -1位数据，输出固定160位消息摘要，处理过程按照512位数据块进行分组。

SHA1的IV设定方法为十六进制数(0-F)，每两个数构成一个字节，其中A(32bit数)顺时针0-7，B顺时针8-F，C逆时针F-8，D逆时针7-0，E取C3\D2\E1\F0，因此固定为：

(0x67452301U), (0xEFCDAB89U), (0x98BADCFEU), (0x10325476U),(0xC3D2E1F0U)

SHA-2是一系列Hash函数的统称，其中包括SHA-224\256\384\512等，区别主要在于函数内部结果和生成的摘要值长度，SHA-512还有另外变体为SHA512_224、SHA512_256，主要是基于SHA512产生的摘要值进行截断，与SHA512区别在于IV和输出长度不一致。

其中，SHA-224\256分组大小为512位，SHA-384\512, SHA-512_224和SHA-512_256分组大小为1024bit。

SHA-224生成224位消息摘要，初始IV为：

(0xC1059ED8U),(0x367CD507U),(0x3070DD17U),(0xF70E5939U),
(0xFFC00B31U),(0x68581511U),(0x64F98FA7U),(0xBEFA4FA4U)

SHA-256生成256位消息摘要，初始IV(取自然界前8个素数平方根小数部分前32位)为：

(0x6A09E667U),(0xBB67AE85U),(0x3C6EF372U),(0xA54FF53AU),
(0x510E527FU),(0x9B05688CU),(0x1F83D9ABU),(0x5BE0CD19U)

SHA384生成384位消息摘要，初始IV为：

(0xCBBB9D5DC1059ED8),(0x629A292A367CD507),(0x9159015A3070DD17), (0x152FECD8F70E5939),
(0x67332667FFC00B31), (0x8EB44A8768581511),(0xDB0C2E0D64F98FA7), (0x47B5481DBEFA4FA4)

SHA-3对于SHA-2是一种补充或者备用方案而不是替代。

SHA-3算法的函数系列均基于KECCAK哈希算法,补充了FIPS 180-4规定的SHA-1和SHA-2哈希函数系列，SHA-3算法包括四个加密哈希函数SHA3-224,SHA3-256,SHA3-384，SHA3-512 和两个可扩展输出函数（XOF）SHAKE128和SHAKE256。

SHA3算法的原理参考：https://blog.csdn.net/weixin_41754258/article/details/119645704

1.3 SM3 加密算法

SM 3是中国国家密码管理局 2010 年公布的中国商用密码杂凑算法标准。适用于商用密码应用中的数字签名和验证。

SM3 是在 SHA-256 基础上改进实现的一种算法，其安全性和 SHA-256 相当。SM3 和 MD5 的迭代过程类似，也采用 MD（Merkle-Damgard）结构。消息分组长度为 512 位，摘要值长度为 256 位。

SM 3 算法的设计思想：SM 3 算法采用分组密码结构设计，采用置换、非线性函数和模运算来实现数据的混淆和扩散，以确保数据的安全性。

SM 3 算法的加密流程：包括消息填充、初始向量设定、消息分组、迭代加密等步骤，最终生成哈希值作为数据的加密结果。

SHA3算法的原理参考：

https://cloud.tencent.com/developer/article/2419203

2. 对称算法

常见的对称算法有：RC, GCM, DES, TDES, AES,

AES-GCM, AES-CCM, SM4

2.1 RC算法

RC算法包括RC2,RC4,RC5

RC2 是由著名密码学家 Ron Rivest 设计的一种传统对称分组加密算法，它可作为 DES 算法的建议替代算法。它的输入和输出都是64bit。密钥的长度是从1字节到128字节可变，但目前的实现是8字节（1998年）。

RC4 于1987年提出，和 DES 算法一样，是一种对称加密算法，但不同于 DES的是，RC4 不是对明文进行分组处理，而是字节流的方式依次加密明文中的每一个字节，解密的时候也是依次对密文中的每一个字节进行解密。

RC4 算法的特点是算法简单，运行速度快，而且密钥长度是可变的，可变范围为1-256字节（8-2048bit），在如今技术支持的前提下，当密钥长度为128bit时，如今也没有找到对于128bit密钥长度的 RC4 加密算法的有效攻击方法.

RC5 分组密码算法是1994由麻萨诸塞技术研究所的 Ronald L. Rivest 教授发明的，并由 RSA 实验室分析。它是参数可变的分组密码算法，三个可变的参数是：分组大小、密钥大小和加密轮数。在此算法中使用了三种运算：异或、加和循环。

2.2 DES/TDES算法

DES 加密算法出自 IBM 的研究，后来被美国政府正式采用，之后开始广泛流传，但是近些年使用越来越少，因为 DES 使用56位密钥（密钥长度越长越安全），以现代计算能力24小时内即可被破解。

DES 算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

• Key 是 DES 算法的工作密钥。
• Data 是要被加密或被解密的数据。
• Mode 为 DES 的工作方式，有两种：加密或解密。

3DES（或称为 Triple DES）是三重数据加密算法（TDEA，Triple Data Encryption Algorithm）块密码的通称。它相当于是对每个数据块应用三次 DES 加密算法。即通过增加 DES 的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。3DES 的密钥长度为24个字节，而 DES 的密钥长度为8的倍数，比如8，16，24都可以。

2.3 AES算法

2.3.1 常用AES算法

AES 加密算法采用分组密码体制，每个分组数据的长度为128位16个字节，密钥长度可以是128位16个字节、192位或256位，我们通常采用需要初始向量 IV 的 CBC 模式，初始向量的长度也是128位16个字节。

AES 加密的五个关键词，分别是：分组密码体制、Padding、密钥、初始向量 IV 和四种加密模式。

• 分组密码体制
  AES 采用分组密码体制，即 AES 加密会首先把明文切成一段一段的，而且每段数据的长度要求必须是128位16个字节，如果最后一段不够16个字节了，就需要用 Padding 来把这段数据填满16个字节，然后分别对每段数据进行加密，最后再把每段加密数据拼起来形成最终的密文。
• Padding
  Padding 就是用来把不满16个字节的分组数据填满16个字节用的，它有三种模式 PKCS5、PKCS7 和NOPADDING。
  PKCS5 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的几，比如缺少5个字节，就在末尾填充5个字节的5。PKCS7 是指分组数据缺少几个字节，就在数据的末尾填充几个字节的0，比如缺少7个字节，就在末尾填充7个字节的0。NoPadding 是指不需要填充，也就是说数据的发送方肯定会保证最后一段数据也正好是16个字节。
• 初始向量IV
  初始向量 IV 的长度规定为128位16个字节，初始向量的来源为随机生成。至于为什么初始向量能使加密更安全可靠，会在下面的加密模式中提到。
• 四种加密模式
  一共有四种加密模式，分别是 ECB（电子密码本模式,相对不安全）、CBC（密码分组链接模式）、CFB、OFB、CTR，我们通常采用需要初始向量 IV 的 CBC 模式。
  AES流程图：
  

2.3.2 AES-GCM, AES-CCM算法

• AES-GCM

AES-GCM加密算法指的是该对称加密采用Counter模式，并带有GMAC消息认证码。

GCM ( Galois/Counter Mode)中的G就是GMAC, C就是指CTR， 指的是该对称加密采用Counter模式，并带有GMAC消息认证码, GCM可以提供对消息的加密合完整性校检。

有些信息是我们不需要保密，但信息的接收者需要确认它的真实性的，例如源IP，源端口，目的IP，IV，等等。因此，我们可以将这一部分作为附加消息加入到MAC值的计算当中。

下图的Ek表示用对称秘钥k对输入做AES运算。最后，密文接收者会收到密文、IV（计数器CTR的初始值）、MAC值。

• AES-CCM
  CCM（Counter with Cipher Block Chaining-Message Authentication Code）是CBC-MAC与CTR的组合，可同时进行数据加密及认证，它基于对称秘钥分组加密算法，分组大小 128bits，因此 CCM 可以用于 AES，但是不能用于DES、3DES（分组大小为64bits）。CCM模式可以认为是分组加密算法的一种模式。
  CCM是CTR加密模式和CMAC认证算法的混合使用，常用在需要同时加密和认证的领域，比如WiFi安全中的WPE协议，它使用了AES-CCM模式。
  CCM首先使用CBC-MAC（Cipher Block Chaining-Message Authentication Code）模式对传输帧进行认证，然后使用CTR模式进行数据的加密。

2.4 SM4算法

SM4 是中国国家密码管理局提出的一种分组密码算法，也称为 SMS4。它属于对称加密算法，分组长度为 128 比特，密钥长度也为 128 比特。SM4 算法采用了与 AES 类似的轮函数结构，但具体的 S 盒和线性变换与 AES 不同，因此具有独特的加密性能。

SM4算法主要包括加解密算法和密钥扩展算法，采用 32 3232 轮非线性迭代的数学结构，其中算法中每一次迭代运算为一轮非线性变换。主要操作包括异或、合成置换、非线性迭代、反序变换、循环移位以及S盒变换等。加密算法和解密算法的数学架构、运算法则、运算操作等都是完全相同的，解密运算只需要将加密算法中生成的轮密钥进行反序使用。

3. 消息认证码MAC算法

• 基于Hash函数的MAC：HMAC

  HMAC在各种网络应用中都能找到，如安全传输层协议TLS、网络安全IPSec。并且，HMAC还是美国国家标准与技术研究院NIST所使用的标准。常见又HMAC-SHA1,HMAC-SHA256

  流程：
  

• 基于分组密码的MAC:DAA和CMAC

  数据认证算法DAA 使用广泛，它建立在DES之上，采用CBC密文分组链接模式。因为安全弱点和算法陈旧，容易产生伪造攻击，目前已经废止。

  DAA流程：
  

  CMAC建立在AES之上，采用CBC密文分组链接模式，是DAA的进阶版。

  CMAC流程：
  
  

4. 非对称算法

RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC ( "Elliptic Curve Cryptography)。使用最广泛的是 RSA 算法，Elgamal 是另一种常用的非对称加密算法。

• RSA算法

  RSA 是目前主流的公钥加密算法，该算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥，即公钥，而两个大素数组合成私钥。

  量子计算里的秀尔算法能使穷举的效率大大的提高。由于 RSA 算法是基于大数分解 (无法抵抗穷举攻击)，因此在未来量子计算能对 RSA 算法构成较大的威胁。一个拥有 N 量子位的量子计算机，每次可进行2^N 次运算，理论上讲，密钥为1024位长的 RSA 算法，用一台512量子比特位的量子计算机在1秒内即可破解。

• DAS算法

  ElGamal数字签名方案是基于离散对数求解的困难性，使用私钥进行加密，公钥进行解密。

  Schnorr数字签名方案是基于离散对数求解的困难性，将生成签名所需的消息计算量最小化。

  DSA (Digital Signature Algorithm) 是 Schnorr 和 ElGamal 签名算法的变种，被美国 NIST 作为 DSS (DigitalSignature Standard)。 DSA 是基于整数有限域离散对数难题的。

  简单的说，这是一种更高级的验证方式，用作数字签名。不单单只有公钥、私钥，还有数字签名。私钥加密生成数字签名，公钥验证数据及签名，如果数据和签名不匹配则认为验证失败。数字签名的作用就是校验数据在传输过程中不被修改，数字签名，是单向加密的升级。

• ECC算法

  在了解ECC算法之前，需要了解常见的椭圆曲线密码学标准：

  NIST曲线：由美国国家标准技术研究院(NIST)定义，包括P-224、P-256、P-384、P-521等。

  Brainpool曲线：由Brainpool工作组定义，设计时考虑了更广泛的安全需求，包括抵抗量子计算机的攻击， 包括BrainpoolP160r1、BrainpoolP256r1等。

  SECG曲线：由Standards for Efficient Cryptography Group(SECG)发布，包括secp256k1等，是比特币等加密货币的默认曲线。

  ANSI曲线：由美国国家标准学会(ANSI)定义，包括prime192v1等，也是一些早期应用中的曲线选择。

  国密SM2曲线：由中国国家密码管理局发布，是一种国产的椭圆曲线密码标准，包括SM2P256等曲线，用于中国的加密和数字签名标准。

DH（Diffie-Hellman）、ECDH（Elliptic Curve Diffie-Hellman）、DHE（Diffie-Hellman Ephemeral）、ECDHE（Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephemeral）、ECDSA（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）和ECSSA（Elliptic Curve Schnorr Signature Algorithm）都是密码学中用于密钥交换和数字签名的算法。下面是它们之间的详细介绍：

DH 和 ECDH

DH：Diffie-Hellman算法是一种基于离散对数问题的密钥交换协议。它允许双方在公开通道上协商出一个共享密钥，而无需泄露任何关于密钥的信息。

ECDH：Elliptic Curve Diffie-Hellman算法是DH的一个变种，它使用椭圆曲线代替了原始DH算法中的素数域。由于椭圆曲线具有更高的安全性，因此ECDH通常比DH更安全，同时密钥长度也更短。

DHE 和 ECDHE

DHE：Diffie-Hellman Ephemeral（短暂Diffie-Hellman）是一种使用临时私钥进行密钥交换的协议。每次会话都会生成新的私钥和公钥对，从而提高了安全性。

ECDHE：Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephemeral（椭圆曲线短暂Diffie-Hellman）是ECDH的一个变种，它同样使用临时私钥进行密钥交换。由于使用了椭圆曲线，ECDHE比DHE更安全且效率更高。

ECDSA 和 ECSSA

ECDSA：Elliptic Curve Digital Signature Algorithm（椭圆曲线数字签名算法）是一种基于椭圆曲线的数字签名算法。它使用椭圆曲线上的点来表示数字签名，从而实现了与RSA等传统数字签名算法相当的安全性，但密钥长度更短。

ECSSA：Elliptic Curve Schnorr Signature Algorithm（椭圆曲线Schnorr签名算法）是一种基于椭圆曲线的数字签名算法，它是Schnorr签名算法的椭圆曲线版本。与ECDSA相比，ECSSA在某些方面具有更好的性能和安全性特性，但目前尚未得到广泛采用。

6. 其他算法

• E0/E21/E22/SAFER+
  （E0, E1, E21, E22, SAFER+）通常与无线通信标准中的加密和认证相关，特别是在GSM（全球移动通信系统）和UMTS（通用移动通信系统）等蜂窝网络中。
  E0 是 GSM 系统中使用的加密算法。它是一种流密码，用于保护空中接口（Air Interface）上传输的语音和数据。E0 算法基于 A5/1 密码算法，该算法在 GSM 标准中定义，并且已知存在一些安全漏洞。
  E21 和 E22 同样不是广泛认可的加密算法名称。在 GSM 和 UMTS 标准中，存在一种称为 A5/2 的加密算法，它是 A5/1 的一个简化版本，主要用于出口市场，因为它被认为比 A5/1 更容易破解。
  SAFER+（Secure And Fast Encryption Routine Plus）是一种块密码，由 James Massey 和 Xuejia Lai 开发。它是对原始 SAFER 算法的改进，旨在提供更高的安全性和效率。SAFER+ 算法在多种应用中使用，包括 GSM 系统中的加密。
• PBKDF
  PBKDF（Password-Based Key Derivation Function，基于密码的密钥派生函数）是一种用于从用户密码派生出加密密钥的算法。它通常用于存储密码的哈希值，以及在需要时从密码重新生成密钥。
  PBKDF 算法的一个典型实现是 PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function 2），它是 PKCS #5 标准的一部分。PBKDF2 使用 HMAC（Hash-based Message Authentication Code）作为伪随机函数，并支持多种哈希算法，如 SHA-1、SHA-256 和 SHA-512。
  PBKDF2 的工作原理如下：
  输入用户密码、盐值、迭代次数和所需密钥长度。
  使用 HMAC 和选定的哈希算法对密码和盐值进行迭代哈希运算。
  将迭代结果截取为所需长度，作为派生的密钥。