加密ArcGIS离线地图及其在Android上的实现
加密ArcGIS离线地图的思路
目前，使用Compact格式的切片文件是离线地图的一个很好的方案，但是，如果我们可能会希望限制离线地图不被第三方程序使用；或者，希望限制离线地图只被经过授权的设备使用。在这样的需求下，我们必须保护好部署在智能设备上的离线地图数据，因此，需要对离线地图数据进行加密。
在这里，我使用了这样的一个思路，其中包含以下主要环节：
1. 经授权的设备序号+保密的标识符再经过MD5生成校验值。
2. MD5校验值与加密的离线数据一起分发，由于第三方程序无法得知保密的标识符，因此无法生成正确的校验值。
3. 离线数据的加密通过加密索引文件实现，加密通过字节交换实现，这样可以基本不影响性能。
4. 读取加密文件的算法封装在动态连接库中，确保第三方无法通过反编译手段获得算法。
下面详细叙述各个环节的实现。
设备唯一身份的确认
设备的唯一序号可能在不同种类的系统上都有不同获取的方法，通过CPU序号、IMEI编号、MAC地址等多种途径的组合可以生成每个设备都不同的标识符，比如在Android中，可以以IMEI和IMSI的组合生成一个序号：
TelephonyManager tm = (TelephonyManager) this
.getSystemService(Context.TELEPHONY_SERVICE);
String imei = tm.getDeviceId();
String imsi = tm.getSubscriberId();
deviceId = String.format("%s-%s", imei, imsi);
比如我这里得到一个设备标识“000000000000000-310260000000000”，下面根据不同情况，对上述的设备标识附加一个保密的标识符，再计算其MD5校验值：
String id = String.format("%s-%s", deviceId, "wuyf_qwert");
MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
byte[] bytes = md.digest(id.getBytes());
result = StringUtil.bytesToHexString(bytes);
这里的“wuyf_qwert”就是自己定义的保密标识符，这个保密标识符只有数据的发布者才知道，因此第三方无法通过设备标识符自行生成校验值。最后，可以将校验值保存在一个以设备序号命名的文件中，和数据一起发布（多个设备使用多个校验文件，增加删除都很方便）。
图 1 与数据一同部署的校验文件
离线地图的加密
考虑性能的影响，对离线地图的加密需要使用尽可能简单的加密方法，因此，这里使用对离线地图的索引文件进行加密的方法。对于原始的索引数据文件，我们只需要对若干字节进行交换即可，用户可以根据需要改变自己的加密方法，同样，这个加密方法只有数据的发布者才知道：
static public void encrypt(String inPath, String outPath) {
FileInputStream in = null;
FileOutputStream out = null;
try {
File inFile = new File(inPath);
File outFile = new File(outPath);
in = new FileInputStream(inFile);
out = new FileOutputStream(outFile, false);
int read;
read = in.read();
int count = 0;
while (read != -1) {
byte b = (byte) read;
// 此处可以增加置换对数以增加文件的复杂度
if(read==3){
b = (byte)37;
count++;
}else if(read==37){
b = (byte)3;
count++;
}
out.write(b);
read = in.read();
}
out.flush();
System.out.println(count);
} catch (Exception ex) {
ex.printStackTrace();
} finally {
try {
in.close();
out.close();
} catch (Exception ex) {}
}
}
在设备上读取加密的离线地图
设备上读取加密的离线地图分为2步：校验设备的身份和获取加密的数据，这两步都必须封装在动态连接库中确保算法的保密。在Android上，需要通过JNI实现，我们可以把这两步都封装在一个C函数中：
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL Java_com_esri_wuyf_JNI_getEncryptTile(JNIEnv* env,
jobject obj, jstring strDeviceId, jstring strLocation,
jstring strBundleBase, jint level, jint row, jint col) {
jbyteArray result = 0;
const char* deviceId = (*env)->GetStringUTFChars(env, strDeviceId, 0);
const char* location = (*env)->GetStringUTFChars(env, strLocation, 0);
const char* bundleBase = (*env)->GetStringUTFChars(env, strBundleBase, 0);
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI 设备编号", deviceId);
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI 数据位置", location);
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI 数据位于", bundleBase);
// 生成一些路径
const char* sValid = my_strcat(location, deviceId);
const char* sIndex = my_strcat(my_strcat(location, "_alllayers/"),
my_strcat(bundleBase, ".bundly"));
const char* sTile = my_strcat(my_strcat(location, "_alllayers/"),
my_strcat(bundleBase, ".bundle"));
// 设备标识需要连接一个秘密的字符串
const char* security = "-wuyf_qwert";
const char* s = my_strcat(deviceId, security);
// 生成MD5校验值，MD5结果全部使用小写
struct MD5Context md5c;
MD5Init(&md5c);
MD5Update(&md5c, s, strlen(s));
unsigned char ss[16];
MD5Final(ss, &md5c);
// 检查MD5校验是不是满足，如果不满足则立即返回，不进行后续处理
int valid = 0;
FILE* fValid;
if ((fValid = fopen(sValid, "rb")) != NULL) {
char str[32];
fread(str, 32, 1, fValid);
int i;
int hasError = 0;
for (i = 0; i < 16; i++) {
unsigned int s1 = ss[i];
int s2 = str[2 * i];
if (s2 >= 48 && s2 <= 57)
s2 -= 48;
else if (s2 >= 97 && s2 <= 102)
s2 -= 87;
int s3 = str[2 * i + 1];
if (s3 >= 48 && s3 <= 57)
s3 -= 48;
else if (s3 >= 97 && s3 <= 102)
s3 -= 87;
if (s1 != 16 * s2 + s3) {
hasError = 1;
break;
}
}
if (hasError == 0) {
valid = 1;
}
}
fclose(fValid);
if (valid == 1) {
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI", "设备身份校验通过");
// 校验无误，开始获取切片
int rGroup = 128 * (row / 128);
int cGroup = 128 * (col / 128);
int index = 128 * (col - cGroup) + (row - rGroup);
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI 开始读取加密索引", sIndex);
FILE* fIndex;
long offset = -1;
if ((fIndex = fopen(sIndex, "rb")) != NULL) {
fseek(fIndex, 16 + 5 * index, SEEK_SET);
char buffer[5];
fread(buffer, 5, 1, fIndex);
int i;
for (i = 0; i < 5; i++) {
if (buffer[i] == 3) {
buffer[i] = 37;
} else if (buffer[i] == 37) {
buffer[i] = 3;
}
}
offset = (long) (buffer[0] & 0xff) + (long) (buffer[1] & 0xff)
* 256 + (long) (buffer[2] & 0xff) * 65536
+ (long) (buffer[3] & 0xff) * 16777216 + (long) (buffer[4]
& 0xff) * 4294967296;
}
fclose(fIndex);
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI 开始读取数据", sTile);
FILE* fTile;
if ((fTile = fopen(sTile, "rb")) != NULL) {
fseek(fTile, offset, SEEK_SET);
char lengthBytes[4];
fread(lengthBytes, 4, 1, fTile);
int length = (int) (lengthBytes[0] & 0xff) + (int) (lengthBytes[1]
& 0xff) * 256 + (int) (lengthBytes[2] & 0xff) * 65536
+ (int) (lengthBytes[3] & 0xff) * 16777216;
char* tile = malloc(sizeof(char) * length);
fread(tile, length, 1, fTile);
__android_log_write(ANDROID_LOG_INFO, "JNI", "获取数据成功");
result = (*env)->NewByteArray(env, length);
(*env)->SetByteArrayRegion(env, result, 0, length, tile);
free(tile);
}
fclose(fTile);
}
free((void*) s);
free((void*) sValid);
free((void*) sIndex);
free((void*) sTile);
return result;
}
上述代码中高亮的2段分别对应了校验设备和解密数据的关键，可以看到这和前面的算法是可以对应起来的，当然，这个算法只有数据的发布者掌握。
在Android程序中，获取地图数据只需要调用一个Java方法就可以：
result = jni.getEncryptTile(deviceId, location, bundleBase, level, row, col);
现在，即使反编译了Android程序中的dex文件，你也无法知道这句代码背后调用的动态链接库中实际的算法。
下面是加密ArcGIS离线地图在Android上的效果：
图 2 Android上显示加密离线地图的效果
附录：Android上进行JNI开发的步骤
准备开发环境
1. 下载安装Cygwin：http://cygwin.com/setup.exe，注意安装时需要选择Devel工具包以及vim（用以编辑环境变量）。
2. 下载Android NDK，我使用的是r5版本：http://dl.google.com/android/ndk/android-ndk-r5-windows.zip，解压到本地磁盘。
新建一个Java类
在Android工程中新建一个Java类，注意”native”标记：
package com.esri.wuyf;
public class JNI {
public native byte[] getEncryptTile(String deviceId, String location, String bundleBase, int level, int row, int col);
}
使用Java工具生成JNI头文件
在Android工程的bin目录下运行命令行：
Microsoft Windows [版本 6.1.7600]
版权所有 (c) 2009 Microsoft Corporation。保留所有权利。
D:/wuyf/Workspace/Android/AgsEncryptTiles/bin>javah -jni com.esri.wuyf.JNI
执行成功后生成一个com_esri_wuyf_JNI.h文件，现在在Android工程的根目录下新建一个“jni”文件夹，并将生成的这个C头文件拷贝到该目录中：
/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include
/* Header for class com_esri_wuyf_JNI */
#ifndef _Included_com_esri_wuyf_JNI
#define _Included_com_esri_wuyf_JNI
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Class: com_esri_wuyf_JNI
* Method: getEncryptTile
* Signature: (Ljava/lang/String;III)[B
*/
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL Java_com_esri_wuyf_JNI_getEncryptTile
(JNIEnv *, jobject, jstring, jstring, jstring, jint, jint, jint);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif
实现JNI的具体方法
在Android工程的“jni”目录下新建一个com_esri_wuyf_JNI.c文件，并实现头文件中的函数：
#include "com_esri_wuyf_JNI.h"
#include "md5.h"
JNIEXPORT jbyteArray JNICALL Java_com_esri_wuyf_JNI_getEncryptTile(JNIEnv* env,
jobject obj, jstring strDeviceId, jstring strLocation,
jstring strBundleBase, jint level, jint row, jint col) {
……
return result;
}
新建Android的makefile文件
在“jni”目录下新建一个文件Android.mk文件，它是Android的makefile：
LOCAL_PATH:= $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_SRC_FILES:= com_esri_wuyf_JNI.c md5.c
LOCAL_C_INCLUDES := $(JNI_H_INCLUDE)
LOCAL_LDLIBS := -llog
LOCAL_PRELINK_MODULE := false
LOCAL_MODULE := JNI
include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)
编译JNI链接库
从开始菜单进入Cygwin Bash Shell，首先在当前用户的.bash_profile中添加一个$NDK环境变量（指向Android NDK的解压目录），让我们可以更加方便地编译Android JNI代码：
$ vi ~/.bash_profile
export NDK=/cygdrive/d/Software/Develop/Android/android-ndk-windows
下面，在Cygwin Bash Shell中进入Android工程目录（/cygdrive/d表示Windows中的D盘），并执行NDK的编译命令：
这个libJNI.so会生成在Android工程的libs/armeabi目录下，注意，调试时这个链接库不会自动更新到Android设备上，因此一旦重新编译这个链接库，需要手动push到设备的相应目录（这里是/data/data/com.esri.wuyf/lib）下：
在Java代码中调用JNI函数
在使用JNI函数的Java类中静态加载JNI库，然后新建JNI对象并调用其相应的方法：
static {
System.loadLibrary("JNI");
}
JNI jni = new JNI();
result = jni.getEncryptTile(deviceId, location, bundleBase, level, row, col);
将离线数据push到设备中
开发中还需要将离线数据批量push到设备中，这需要用Android的adb工具：
D:/Software/Develop/Android/android-sdk-windows/platform-tools>adb push D:/Temp /sdcard
这表示要将D:/Temp下所有内容push到设备的SD卡中。注意，这个Temp目录并不会出现在SD卡中。
另外，如果需要从SD卡批量删除文件必须进入shell执行Linux的rm命令：
>adb remount
>adb shell
# rm -R /sdcard/xxx