Android如何安全地生成并存储AES-128固定密钥？

Question

在Android开发中，如何安全地生成并存储AES-128固定密钥是一个重要课题。常见的技术问题为：使用SharedPreferences或文件存储AES密钥是否安全？答案是否定的，因为这些方式容易被反编译或文件访问漏洞攻击。正确的做法是借助Android Keystore系统生成和存储密钥。Keystore会在设备的安全硬件中创建和保护密钥，防止导出或被恶意应用访问。通过KeyGenerator与KeyStore类结合，可以生成AES-128密钥并对称加密数据。同时，建议设置密钥用途限制（如加密/解密）和用户身份绑定（如屏幕解锁），以增强安全性。这种方式能有效避免密钥硬编码或明文存储带来的风险。

Answer 1

1. 问题背景与常见误区

在Android开发中，数据加密是保护用户隐私的重要手段。AES-128作为一种对称加密算法，因其高效性和安全性被广泛使用。然而，如何安全地生成并存储AES密钥却是一个关键问题。

许多开发者会尝试将密钥存储在SharedPreferences或文件中，但这种方式存在明显的安全隐患：

• 反编译风险： APK可以被轻易反编译，暴露硬编码的密钥。
• 文件访问漏洞： 存储在文件中的密钥可能被其他应用通过权限提升攻击获取。

因此，我们需要寻找更安全的解决方案。

2. Android Keystore 系统简介

Android Keystore 是一个专门用于安全存储密钥的系统，它利用设备的安全硬件（如TrustZone或SE）来保护密钥不被导出或恶意访问。

以下是Keystore的主要特性：

特性	描述
密钥隔离	密钥只能由生成它的应用访问。
防导出	密钥无法以明文形式导出到应用之外。
硬件支持	密钥操作在安全硬件中完成，避免泄露。

通过结合KeyGenerator和KeyStore类，我们可以安全地生成和管理AES-128密钥。

3. 实现步骤详解

以下是基于Android Keystore生成和存储AES-128密钥的具体实现步骤：

1. 初始化KeyStore： 使用Java Security API加载Keystore实例。
2. 创建密钥生成器： 配置KeyGenerator以生成AES-128密钥。
3. 设置密钥参数： 指定密钥用途（如ENCRYPT/DECRYPT）和绑定用户身份验证（如屏幕解锁）。
4. 执行加密/解密： 利用生成的密钥进行对称加密操作。

// 初始化Keystore
KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
keyStore.load(null);

// 创建AES密钥
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_AES, "AndroidKeyStore");
keyGenerator.init(new KeyGenParameterSpec.Builder(
        "my_key", 
        KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT | KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT)
    .setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
    .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
    .setUserAuthenticationRequired(true) // 绑定用户身份验证
    .build());
keyGenerator.generateKey();
    

4. 安全增强建议

为了进一步提高密钥的安全性，我们还可以采取以下措施：

• 限制密钥用途： 明确指定密钥仅用于加密或解密操作。
• 绑定用户身份： 要求用户通过指纹、PIN码或屏幕解锁来访问密钥。
• 定期更新密钥： 避免长期使用同一密钥带来的潜在风险。

以下是用户身份绑定的流程图：

sequenceDiagram
        participant User
        participant App
        participant Keystore
        User->>App: 输入屏幕解锁密码
        App->>Keystore: 请求访问密钥
        Keystore-->>App: 返回密钥或拒绝访问