通過 JNI 調用 OpenSSL 實現加密解密

y37f 9年前發布 | 62K 次閱讀 OpenSSL 安全相關

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這個博客概括了通過OpenSSL庫整合Intel的AES-NI指令到Android應用的步驟，通過下面的過程，你可以構建一個被AES-NI加速的JNI程序。

Intel 高級加密標準新操作指南（Intel AES-NI)

Intel AES-NI 在 2008 年 3 月提出，是 Inter 微處理器 x86 指令集架構的一個擴展，這個指令集的目的是提高應用程序使用高級加密標準（AES）進行加密和解密時的性能、安全性、以及執行效率。

在 Android 上使用 Intel AES-NI

OpenSSL 庫的 AES 算法比 Java 原生提供的有顯著的性能提升，這是因為 OpenSSL 庫是為 Inter 處理器優化的并且使用了AES-NI指令。下面是一個一步一步的如何使用OpenSSL來加密一個文件的描述。

Android 4.3 開始，安卓開源工程（AOSP）中的 OpenSSL 支持 Inter AES-NI，所以你僅需使用正確的配置來編譯它。另外，你可以從官方網站下載并自己編譯，然后在你的工程中直接使用 *.a/*.so，有兩種方式獲得加密庫。

如果你沒有AOSP源代碼，你可以從http://www.openssl.org/source/下載OpenSSL源代碼。使用最新的OpenSSL版本可以避免任何已知的舊版本缺陷。AOSP集成了OpenSSL庫，可以直接將它放到應用程序的jni目錄來訪問已包含的目錄。

如果你正在下載OpenSSL源代碼，并打算通過交叉編譯來創建庫，請按照下面的步驟進行：

  1. 下載源代碼：
    wget https://www.openssl.org/source/openssl-1.0.1j.tar.gz

    </li>

  2. 編譯 ? 在控制臺運行下面的命令(注意，你需要設置NDK變量到系統的完整路徑):

    </li> </ol>

    export NDK=~/android-ndk-r9d
    

            export TOOL=arm-linux-androideabi
    

            export NDK_TOOLCHAIN_BASENAME=${TOOLCHAIN_PATH}/${TOOL}
    

            export CC=$NDK_TOOLCHAIN_BASE-gcc
    

            export CXX=$NDK_TOOLCHAIN_BASENAME-g++
    

            export LINK=${CXX}
    

            export LD=$NDK_TOOLCHAIN_BASENAME-ld
    

            export AR=$NDK_TOOLCHAIN_BASENAME-ar
    

            export STRIP=$NDK_TOOLCHAIN_BASENAME-strip
    

            export ARCH_FLAGS="-march=armv7-a &ndash;mfloat-abi=softfp &ndash;mfpu=vfpv3-d16"
    

            export ARCH_LINK="-march=armv7-a &ndash;Wl, --flx-cortex-a"
    

            export CPPFLAGS="${ARCH_FLAGS} &ndash;fpic &ndash;ffunction-sections &ndash;funwind-tables &ndash;fstack-protector &ndash;fno-strict-aliasing &ndash;finline-limited=64"
    

            export LDFLAGS="${ARCH_LINK"}
    

            export CXXFLAGS="${ ARCH_FLAGS} &ndash;fpic &ndash;ffunction-sections &ndash;funwind-tables &ndash;fstack-protector &ndash;fno-strict-aliasing &ndash;finline-limited=64 &ndash;frtti &ndash;fexceptions"
    

            cd $OPENSSL_SRC_PATH
    

            export CC="$STANDALONE_TOOCHAIN_PATH/bin/i686-linux-android-gcc &ndash;mtune=atome &ndash;march=atom &ndash;sysroot=$STANDALONE_TOOCHAIN_PATH/sysroot"
    

          export AR=$STANDALONE_TOOCHAIN_PATH/bin/i686-linux-android-ar
    

          export RANLIB=$STANDALONE_TOOCHAIN_PATH/bin/i686-linux-android-ranlib
    

          ./Configure android-x86 &ndash;DOPENSSL_IA32_SSE2 &ndash;DAES_ASM &ndash;DVPAES_ASM
    

          make</pre> 

    

    

    接下來你可以在最上層的目錄得到 libcrypto.a 。如果你想要使用 *.so 文件，輸入 “Configure shared android-x86 ***”。 
    

    如果你有AOSP源代碼，你無需ndk工具鏈， 
    

    source build/envsetiup.sh
    

          lunch <options>
    

          make &ndash;j8
    

          cd external/openssl
    

          mm</pre> 
    這創建了 libcrypto.a，并放到目錄 out/host/linux_x86/bin 
    

    通過NDK在Android項目中使用OpenSSL 
    

      

    1. 

      創建一個 android項目，在你最喜歡的IDE中加密文件 -- 這個例子基于 Eclipse。 
      
</li>
      

    2. 

      通過Android.mk將OpenSSL相關的函數聲明為 native 函數 。 
      
</li>
      

    3. 

      在Android項目源代碼下創建一個jni目錄。 
      
</li>
      

    4. 

      將之前編譯的文件，include目錄放置到jni目錄下。 
      
</li>
      

    5. 

      包含在jni目錄下創建的OpenSSL庫目錄<OpenSSL source/include/>。 
      
</li>
      

    6. 

      接下來在 jni/*.c 中編寫C函數來實現加密。完成之后，你需要拷貝 *.a/*.so 以及頭文件到項目之中。 
      
</li>
      

    7. 

      在步驟1中創建的作為系統庫的Android類函數中加載jni目錄下的庫和C實現。 
      
</li>
</ol>
      

      下面的部分，描述了如何在應用程序中引用OpenSSL庫，以及如何在Java類中調用它。 
      

      在Eclipse中新建一個工程，例如 EncryptFileOpenSSL 。使用Eclipse (在Project Explorer上右擊工程名，或者使用終端創建 jni目錄，以及兩個子目錄--pre-compiled 以及 include。 
      

      使用終端： 
      

      cd <workspace/of/Project>
      

            mkdir jni/pre-compiled/
      

            mkdir jni/include
      

            cp $OPENSSL_PATH/libcrypto.a jni/pre-compiled
      

            cp &ndash;L -rf $OPENSSL_PATH/include/openssl jni/include
      

            gedit jni/Android.mk</pre> 
      然后將下面的內容加入到 jni/Android.mk 文件： 
      

      … 
      

      LOCAL_MODULE := static 
      

      LOCAL_SRC_FILES := pre-compiled/libcrypto.a 
      

      … 
      

      LOCAL_C_INCLUDES := include 
      

      LOCAL_STATIC_LIBRARIES := static –lcrypto 
      

      … 
      

      然后，你可以使用OpenSSL提供的函數來實現 加密/解密/SSL 函數。 為了使用Intel AES-NI， 只需要使用下面的EVP_* 系列函數， 如果CPU支持，這些函數會自動使用Intel AES-NI來加速AES加密/解密過程。例如，如果你要編寫一個加密文件的類，使用OpenSSL，那么在.java類中的加密函數可能看起來像這樣 (這里的源代碼來自 Christopher Bird 名為 “示例代碼: 數據加密應用程序”的博客) 
      

      public long encryptFile(String encFilepath, String origFilepath) {
           
  File fileIn = new File(origFilepath);
        if (fileIn.isFile()) {           
                 
              ret = encodeFileFromJNI(encFilepath, origFilepath);
                 
        } else {
            Log.d(TAG, "ERROR*** File does not exist:" + origFilepath);
            seconds = -1;
        }
       
        if (ret == -1) {
            throw new IllegalArgumentException("encrypt file execution did not succeed.");
        }
                 
      }
      

            / native function available from encodeFile library /
    public native int encodeFileFromJNI(String fileOut, String fileIn);
    public native void setBlocksizeFromJNI(int blocksize);
    public native byte[] generateKeyFromJNI(int keysize);
   
  
     / To load the library that encrypts (encodeFile) on application startup.
      The Package manager would have alredy unpacked the library has into /data/data/com.example.openssldataencryption/lib/libencodeFile.so
      at installation time.
     /
    static {
      System.loadLibrary("crypto");
      System.loadLibrary("encodeFile");
    }</pre> 
      現在，我們使用 System.loadLibrary 加載的 encodeFile.cpp 中的加密函數將會是- 
      

      int encodeFile(const char filenameOut, const char filenameIn) {
      

            int ret = 0;
      int filenameInSize = strlen(filenameIn)sizeof(char)+1;
      int filenameOutSize = strlen(filenameOut)sizeof(char)+1;
      

            char filename[filenameInSize];
      char encFilename[filenameOutSize];
      

            // create key, if it&apos;s uninitialized
      int seedbytes = 1024;
      

                  memset(cKeyBuffer, 0, KEYSIZE );
      

                  if (!opensslIsSeeded) {
                  if (!RAND_load_file("/dev/urandom", seedbytes)) {
                        //__android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, TAG, "Failed to seed OpenSSL RNG");
                        return -1;
                  }
                  opensslIsSeeded = 1;
            }
      

                  if (!RAND_bytes((unsigned char *)cKeyBuffer, KEYSIZE )) {
                  //__android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, TAG, "Faled to create OpenSSSL random integers: %ul", ERR_get_error);
            }
      

            strncpy(encFilename, filenameOut, filenameOutSize);
      encFilename[filenameOutSize-1]=0;
      strncpy(filename, filenameIn, filenameInSize);
      filename[filenameInSize-1]=0;
      

            EVP_CIPHER_CTX *e_ctx = EVP_CIPHER_CTX_new();
      

           FILE orig_file, enc_file;
      

            printf ("filename: %s\n" ,filename );
      printf ("enc filename: %s\n" ,encFilename );
      orig_file = fopen( filename, "rb" );
      enc_file = fopen ( encFilename, "wb" );
      

            unsigned char encData, origData;
      int encData_len = 0;
      int len = 0;
      int bytesread = 0;
      

            /*
      ENCRYPT
     */
      //if (!(EVP_EncryptInit_ex(e_ctx, EVP_aes_256_cbc(), NULL, key, iv ))) {
    if (!(EVP_EncryptInit_ex(e_ctx, EVP_aes_256_cbc(), NULL, cKeyBuffer, iv ))) {
            ret = -1;
            printf( "ERROR: EVP_ENCRYPTINIT_EX\n");
      }
     
      // go through file, and encrypt
      if ( orig_file != NULL ) {
            origData = new unsigned char[aes_blocksize];
            encData = new unsigned char[aes_blocksize+EVP_CIPHER_CTX_block_size(e_ctx)]; // potential for encryption to be 16 bytes longer than original
      

                  printf( "Encoding file: %s\n", filename);
      

                  bytesread = fread(origData, 1, aes_blocksize, orig_file);
            // read bytes from file, then send to cipher
            while ( bytesread ) {
      

                        if (!(EVP_EncryptUpdate(e_ctx, encData, &len, origData, bytesread))) {
                        ret = -1;
                        printf( "ERROR: EVP_ENCRYPTUPDATE\n");
                  }
                  encData_len = len;
      

                        fwrite(encData, 1, encData_len, enc_file );
                  // read more bytes
                  bytesread = fread(origData, 1, aes_blocksize, orig_file);
            }
            // last step encryption
            if (!(EVP_EncryptFinal_ex(e_ctx, encData, &len))) {
                  ret = -1;
                  printf( "ERROR: EVP_ENCRYPTFINAL_EX\n");
            }
            encData_len = len;
      

                  fwrite(encData, 1, encData_len, enc_file );
      

                  // free cipher
            EVP_CIPHER_CTX_free(e_ctx);
      

                  //    close files
            printf( "\t>>\n");
      

                  fclose(orig_file);
            fclose(enc_file);
      } else {
            printf( "Unable to open files for encoding\n");
            ret = -1;
            return ret;
      }
      return ret;
}</pre> 
      然后在應用源碼中使用ndk-build進行編譯。 
      

      /<path to android-ndk>/ndk-build APP_ABI=x86
       
      復制/<PATH\TO\OPENSSL>/include/openssl 目錄到</PATH\to\PROJECT\workspace>/jni/. 
      

      *.so/*.a 應該放在 /</PATH\to\PROJECT\workspace>/libs/x86/. 或者 /</PATH\to\PROJECT\workspace>/libs/armeabi/. 
      

      用來進行加密/解密的encode.cpp 文件應該放在 </PATH\to\PROJECT\workspace>/jni/. 
      

      性能分析 
      

      下面的函數可以用來分析加密一個文件的cpu使用率，內存使用和時間花費。再一次，這些源碼出自Christopher Bird的博客。 
      

      CPU占用率 
      

      下面的代碼可以幫助我們了解cpu平均使用率 （利用存儲在/proc/stat的信息） 
      

      public float readCPUusage() {
            try {
      RandomAccessFile reader = new RandomAccessFile("/proc/stat", "r");
      String load = reader.readLine();
      String[] toks = load.split(" ");
      long idle1 = Long.parseLong(toks[5]);
      long cpu1 = Long.parseLong(toks[2]) + Long.parseLong(toks[3])
                              + Long.parseLong(toks[4]) + Long.parseLong(toks[6])+ Long.parseLong(toks[7]) +Long.parseLong(toks[8]);
                  try {
                        Thread.sleep(360);
                  } catch (Exception e) {
                  }
      

                        reader.seek(0);
                  load = reader.readLine();
                  reader.close();
                  toks = load.split(" ");
                  long idle2 = Long.parseLong(toks[5]);
                  long cpu2 = Long.parseLong(toks[2]) + Long.parseLong(toks[3])+ Long.parseLong(toks[4]) + Long.parseLong(toks[6])
                        + Long.parseLong(toks[7]) + ong.parseLong(toks[8]);
                  return (float) (cpu2 - cpu1) / ((cpu2 + idle2) - (cpu1 + idle1));
            } catch (IOException ex) {
                  ex.printStackTrace();
            }
            return 0;
      }</pre> 
      Memory占用率
      

      

      下面的代碼讀取可用的系統內存. 
      

      Memory Info 是一個Android API，它允許我們查詢可用的內存信息. 
      

      由于, 1024 Bytes = 1 kB & 1024 kB = 1 MB. 因此, 轉換可用內存到 MB - 1024*1024 == 1048576 
      

      public long readMem(ActivityManager am) {
            MemoryInfo mi = new MemoryInfo();
            am.getMemoryInfo(mi);
            long availableMegs = mi.availMem / 1048576L;
            return availableMegs;
      }
       
      定時分析 
      

      start = System.currentTimeMillis();
// Perform Encryption.
stop = System.currentTimeMillis();
seconds = (stop - start);
       
                    
      
                        
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