Android KeyStore密钥存储

KeyStore简介

利用 Android KeyStore System，您可以在容器中存储加密密钥，从而提高从设备中提取密钥的难度。在密钥进入密钥库后，可以将它们用于加密操作，而密钥材料仍不可导出。此外，它提供了密钥使用的时间和方式限制措施，例如要求进行用户身份验证才能使用密钥，或者限制为只能在某些加密模式中使用。

密钥库系统由 KeyChain API 以及在 Android 4.3（API 级别 18）中引入的 Android 密钥库提供程序功能使用。本文说明了何时以及如何使用 Android 密钥库提供程序。

应用场景

1、存储密匙：Android提供的这个KeyStore最大的作用就是不需要开发者去维护这个密匙的存储问题，相比起存储在用户的数据空间或者是外部存储器都更加安全。注意的是这个密匙随着用户清除数据或者卸载应用都会被清除掉。
2、得益于Android独立的一套密匙库系统，可以提高安全性

安全功能

Android 密钥库系统可以保护密钥材料免遭未经授权的使用。首先，Android 密钥库可以防止从应用进程和 Android 设备中整体提取密钥材料，从而避免了在 Android 设备之外以未经授权的方式使用密钥材料。其次，Android 密钥库可以让应用指定密钥的授权使用方式，并在应用进程之外强制实施这些限制，从而避免了在 Android 设备上以未经授权的方式使用密钥材料。

提取防范

Android 密钥库密钥使用两项安全措施来避免密钥材料被提取：

密钥材料永不进入应用进程。通过 Android 密钥库密钥执行加密操作时，应用会将待签署或验证的明文、密文和消息馈送到执行加密操作的系统进程。如果应用进程受攻击，攻击者也许能使用应用密钥，但无法提取密钥材料（例如，在 Android 设备以外使用）。
您可以将密钥材料绑定至 Android 设备的安全硬件，例如可信执行环境 (TEE) 和安全元素 (SE)。为密钥启用此功能时，其密钥材料永远不会暴露于安全硬件之外。如果 Android 操作系统受到攻击或者攻击者可以读取设备内部存储空间，攻击者也许能在 Android 设备上使用应用的 Android 密钥库，但无法从设备上提取这些数据。只有设备的安全硬件支持密钥算法、区块模式、填充方案和密钥有权使用的摘要的特定组合时，才可启用此功能。要检查是否为密钥启用了此功能，请获取密钥的 KeyInfo 并检查 KeyInfo.isInsideSecurityHardware() 的返回值。

密钥使用授权

为了避免在 Android 设备上以未经授权的方式使用密钥材料，在生成或导入密钥时 Android 密钥库会让应用指定密钥的授权使用方式。一旦生成或导入密钥，其授权将无法更改。然后，每次使用密钥时，都会由 Android 密钥库强制执行授权。这是一项高级安全功能，通常仅用于有以下要求的情形：在生成/导入密钥后（而不是之前或当中），应用进程受到攻击不会导致密钥以未经授权的方式使用。

支持的密钥使用授权可归为以下几个类别：

加密：授权密钥算法、运算或目的（加密、解密、签署、验证）、填充方案、区块模式以及可与密钥搭配使用的摘要；
时间有效性间隔：密钥获得使用授权的时间间隔；
用户身份验证：密钥只能在用户最近进行身份验证时使用。请参阅要求进行用户身份验证才能使用密钥。

作为一项额外的安全措施，对于密钥材料位于安全硬件内部的密钥（请参阅 KeyInfo.isInsideSecurityHardware()），某些密钥使用授权可能由安全硬件实施，具体取决于 Android 设备。加密和用户身份验证授权可能由安全硬件实施。由于安全硬件一般不具备独立的安全实时时钟，时间有效性间隔授权不可能由其实施。

您可以使用 KeyInfo.isUserAuthenticationRequirementEnforcedBySecureHardware() 查询密钥的用户身份验证授权是否由安全硬件实施。

选择密钥链或 Android 密钥库提供程序

在需要系统级凭据时请使用 KeyChain API。在应用通过 KeyChain API 请求使用任何凭据时，用户需要通过系统提供的 UI 选择应用可以访问已安装的哪些凭据。因此，在用户同意的情况下多个应用可以使用同一套凭据。

使用 Android 密钥库提供程序让各个应用存储自己的凭据，并且只允许应用自身访问。这样，应用可以管理仅能由自己使用的凭据，同时又可以提供等同于 KeyChain API 为系统级凭据提供的安全优势。这一方法不需要用户选择凭据。

使用 Android 密钥库提供程序

要使用此功能，请使用标准的 KeyStore 和 KeyPairGenerator 或 KeyGenerator 类，以及在 Android 4.3（API 级别 18）中引入的 AndroidKeyStore 提供程序。

AndroidKeyStore 注册为 KeyStore 类型以用于 KeyStore.getInstance(type) 方法，而在用于 KeyPairGenerator.getInstance(algorithm, provider) 和 KeyGenerator.getInstance(algorithm, provider) 方法时则注册为提供程序。

生成新私钥

生成新的 PrivateKey 要求您同时指定自签署证书具备的初始 X.509 属性。之后，您可以使用 KeyStore.setKeyEntry 将证书替换为由证书颁发机构 (CA) 签署的证书。

要生成密钥，请使用 KeyPairGenerator 和 KeyPairGeneratorSpec：

/*
 * Generate a new EC key pair entry in the Android Keystore by
 * using the KeyPairGenerator API. The private key can only be
 * used for signing or verification and only with SHA-256 or
 * SHA-512 as the message digest.
 */
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(
        KeyProperties.KEY_ALGORITHM_EC, "AndroidKeyStore");
kpg.initialize(new KeyGenParameterSpec.Builder(
        alias,
        KeyProperties.PURPOSE_SIGN | KeyProperties.PURPOSE_VERIFY)
        .setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256,
            KeyProperties.DIGEST_SHA512)
        .build());

KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();

生成新密钥

要生成密钥，请使用 KeyGenerator 和 KeyGenParameterSpec。

使用密钥库条目

AndroidKeyStore 提供程序的使用通过所有的标准 KeyStore API 加以实现。

列出条目

通过调用 aliases() 方法列出密钥库中的条目：

/*
 * Load the Android KeyStore instance using the the
 * "AndroidKeyStore" provider to list out what entries are
 * currently stored.
 */
KeyStore ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
ks.load(null);
Enumeration aliases = ks.aliases();

签署和验证数据

通过从密钥库提取 KeyStore.Entry 并使用 Signature API（例如 sign()）签署数据：

/*
 * Use a PrivateKey in the KeyStore to create a signature over
 * some data.
 */
KeyStore ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
ks.load(null);
KeyStore.Entry entry = ks.getEntry(alias, null);
if (!(entry instanceof PrivateKeyEntry)) {
    Log.w(TAG, "Not an instance of a PrivateKeyEntry");
    return null;
}
Signature s = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
s.initSign(((PrivateKeyEntry) entry).getPrivateKey());
s.update(data);
byte[] signature = s.sign();

类似地，请使用 verify(byte[]) 方法验证数据：

/*
 * Verify a signature previously made by a PrivateKey in our
 * KeyStore. This uses the X.509 certificate attached to our
 * private key in the KeyStore to validate a previously
 * generated signature.
 */
KeyStore ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
ks.load(null);
KeyStore.Entry entry = ks.getEntry(alias, null);
if (!(entry instanceof PrivateKeyEntry)) {
    Log.w(TAG, "Not an instance of a PrivateKeyEntry");
    return false;
}
Signature s = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
s.initVerify(((PrivateKeyEntry) entry).getCertificate());
s.update(data);
boolean valid = s.verify(signature);

要求进行用户身份验证才能使用密钥

生成密钥或将密钥导入到 AndroidKeyStore 时，您可以指定密钥仅授权给经过身份验证的用户使用。用户使用安全锁定屏幕凭据（模式/PIN/密码、指纹）的子集进行身份验证。

这是一项高级安全功能，通常仅用于有以下要求的情形：在生成/导入密钥后（而不是之前或当中），应用进程受到攻击不会导致密钥被未经身份验证的用户使用。

如果密钥仅授权给经过身份验证的用户使用，可以将其配置为以下列两种模式之一运行：

经过身份验证的用户可以在一段时间内使用密钥。在用户解锁安全锁定屏幕或使用 KeyguardManager.createConfirmDeviceCredentialIntent 流程确认其安全锁定屏幕凭据后，即可使用此模式中的所有密钥。每个密钥的授权持续时间各不相同，并由 setUserAuthenticationValidityDurationSeconds 在密钥生成或导入时指定。此类密钥只能在启用安全锁定屏幕时生成或导入（请参阅 KeyguardManager.isDeviceSecure()）。在安全锁定屏幕停用（重新配置为“无”、“滑动”或不验证用户身份的其他模式）或被强制重置（例如由设备管理员执行）时，这些密钥将永久失效。
用户身份验证会授权与某一密钥关联的特定加密操作。在此模式中，涉及此类密钥的每个操作都需要用户单独授权。目前，此类授权的唯一方式是指纹身份验证：FingerprintManager.authenticate。此类密钥只能在至少注册一个指纹时生成或导入（请参阅 FingerprintManager.hasEnrolledFingerprints）。一旦注册新指纹或取消注册所有指纹，这些密钥将永久失效。