李春杰　孫玉強(qiáng)　徐　楷　顏智潤(rùn)

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院　江蘇 蘇州 215000)

0　引　言

近年來(lái)，移動(dòng)終端設(shè)備領(lǐng)域的發(fā)展十分迅猛，智能手機(jī)成了新時(shí)代生活的必需品，短短幾年間，Android已經(jīng)成為了最熱門(mén)的智能終端開(kāi)發(fā)平臺(tái)之一[1]。如今普通用戶習(xí)慣使用智能移動(dòng)設(shè)備拍攝照片，對(duì)照片進(jìn)行傳播和分享。但智能移動(dòng)設(shè)備上保存的大量照片卻產(chǎn)生了隱私泄露的隱患[2]。在Android移動(dòng)手機(jī)平臺(tái)上，安全防護(hù)是一個(gè)重要的研究方向，以圖片加密為主要功能的隱私保護(hù)是其中很重要的一個(gè)功能需求[3]。

以往在Android移動(dòng)手機(jī)上實(shí)現(xiàn)圖片加密，用戶通常會(huì)通過(guò)安裝加密軟件來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。不過(guò)現(xiàn)有多數(shù)Android圖片加密軟件的加密過(guò)程十分繁瑣，每拍攝一張新的照片都需要用戶手動(dòng)進(jìn)行加密，使得加密的實(shí)時(shí)性很差，用戶體驗(yàn)非常糟糕。于是我們?cè)O(shè)計(jì)了一款名為“透明加密助手”的軟件，能夠以對(duì)用戶完全透明的方式將拍攝的照片進(jìn)行自動(dòng)加密，在提升用戶體驗(yàn)的同時(shí)還能保障安全性能。

當(dāng)用戶需要對(duì)拍攝的照片進(jìn)行自動(dòng)加密時(shí)，首先打開(kāi)本軟件并保持其在后臺(tái)運(yùn)行，之后用戶在Android手機(jī)自帶的相機(jī)軟件上進(jìn)行拍照操作，生成的照片都會(huì)自動(dòng)被本軟件捕獲到并進(jìn)行加密存儲(chǔ)。從捕獲照片到加密存儲(chǔ)，這一過(guò)程完全不需要用戶參與，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是不可見(jiàn)的，因此用戶在每次拍照后無(wú)需對(duì)生成的照片進(jìn)行單獨(dú)的加密操作，只需保證本軟件在后臺(tái)運(yùn)行即可。此外本軟件還集成了解密功能，當(dāng)用戶需要還原被加密的照片時(shí)，進(jìn)入本軟件，可以瀏覽到所有被加密的照片，點(diǎn)擊照片對(duì)應(yīng)的“解密”按鈕，就可以將照片還原。解密過(guò)程由用戶參與，用戶可以自由選擇需要解密的照片。透明加密助手軟件的功能示意圖如圖1所示。

圖1　透明加密助手功能示意圖

根據(jù)軟件的功能實(shí)現(xiàn)，本軟件的結(jié)構(gòu)應(yīng)分為三個(gè)層次。第一層為視圖層，本軟件的加密過(guò)程對(duì)用戶完全透明，解密過(guò)程則需要用戶的參與，因此圖形用戶界面是必不可少的。第二層為業(yè)務(wù)層，這是結(jié)構(gòu)中最重要的一層，軟件主要的功能實(shí)現(xiàn)都由業(yè)務(wù)層來(lái)承擔(dān)，其核心的部分為監(jiān)聽(tīng)模塊[4]、加密模塊、存儲(chǔ)模塊，以及解密模塊。第三層為數(shù)據(jù)庫(kù)層，本軟件的操作對(duì)象是圖片文件，對(duì)文件的操作必然要涉及文件的路徑，而加密與解密的過(guò)程則離不開(kāi)密鑰，因此這些重要數(shù)據(jù)都需要存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。軟件的架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　透明加密助手軟件架構(gòu)圖

1　軟件功能實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)

透明加密助手的工作原理為：在軟件登錄成功且處于運(yùn)行期間，當(dāng)用戶進(jìn)行拍照操作時(shí)，監(jiān)聽(tīng)模塊會(huì)捕獲到拍照動(dòng)作并啟動(dòng)加密模塊對(duì)剛生成的照片進(jìn)行加密處理，加密成功后存儲(chǔ)模塊會(huì)對(duì)密文進(jìn)行存儲(chǔ)；當(dāng)用戶需要解密照片時(shí)，點(diǎn)擊照片對(duì)應(yīng)的“解密”按鈕會(huì)啟動(dòng)解密模塊完成解密操作，之后密文會(huì)被刪除，原始照片將被還原至系統(tǒng)圖庫(kù)中。透明加密助手的工作流程如圖3所示，從圖中可以看出，除了基本的加密與解密功能外，本軟件的功能實(shí)現(xiàn)還必須解決如下四個(gè)方面的技術(shù)重點(diǎn)：

圖3　透明加密助手工作流程圖

1.1　捕獲系統(tǒng)級(jí)拍照軟件的拍攝動(dòng)作

我們不希望在本軟件中集成拍照功能，這樣做一是浪費(fèi)資源，二是會(huì)強(qiáng)行改變用戶的使用習(xí)慣，因?yàn)橛脩艨赡芨?xí)慣使用系統(tǒng)自帶的相機(jī)軟件。而這便會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是我們不知道拍照軟件的底層代碼，因此如何捕獲其拍照動(dòng)作便是一個(gè)重點(diǎn)。

1.2　獲取系統(tǒng)相機(jī)軟件拍攝后生成的照片

本軟件的加密對(duì)象是照片，而要對(duì)照片文件進(jìn)行加密操作，必須獲得其絕對(duì)路徑，即存儲(chǔ)路徑加文件名。由于本軟件不集成拍照功能，因此照片的存儲(chǔ)路徑及照片的命名規(guī)則均是由系統(tǒng)相機(jī)的代碼實(shí)現(xiàn)的，這樣一來(lái)我們便不能通過(guò)文件名獲取到剛拍攝的照片了。

1.3　加密文件的存儲(chǔ)

在對(duì)目標(biāo)照片進(jìn)行加密后，雖然無(wú)法查看照片內(nèi)容了，但是仍然存在加密后的文件被惡意刪除或誤刪除的可能，因此加密后的文件仍然要對(duì)用戶保持不可見(jiàn)狀態(tài)。這一功能的實(shí)現(xiàn)有兩種解決思路：一是加密后的文件仍存儲(chǔ)在相機(jī)軟件的默認(rèn)路徑下，然后將其設(shè)為不可見(jiàn)；二是將加密后的文件移至本軟件創(chuàng)建的文件夾下，并設(shè)該文件夾為不可見(jiàn)。我們需從這兩個(gè)方法中選出最優(yōu)的一個(gè)。

1.4　在軟件中查看已被加密的照片

在解密的過(guò)程中，由于加密后的文件路徑以及加密算法對(duì)應(yīng)的密鑰都是已知的，因此將密文還原為照片并不困難。但是當(dāng)軟件加密了多張照片后，用戶需要解密哪一張照片是不確定的，即用戶在進(jìn)入本軟件后，需要看到已被加密的照片才能決定解密哪一張。因此如何在照片已被加密的情況下查看原始照片便是解密功能實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)。

2　核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)軟件功能實(shí)現(xiàn)的四項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，我們?cè)谡{(diào)研相關(guān)資料之后，給出如下解決方案。

2.1　通過(guò)廣播監(jiān)聽(tīng)相機(jī)拍攝動(dòng)作

在查閱Android Developer(安卓開(kāi)發(fā)者)文獻(xiàn)后，我們發(fā)現(xiàn)在Android API14即Android 4.0之后，Google在Camera中添加了一個(gè)action，在拍攝照片后系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一條值為：“android.hardware.action.NEW_PICTURE”的無(wú)序廣播[5]，并且這條廣播是在照片文件生成后發(fā)出的，即在照片存儲(chǔ)到默認(rèn)路徑下后可以監(jiān)聽(tīng)到這條廣播。進(jìn)一步調(diào)研相關(guān)內(nèi)容后，我們發(fā)現(xiàn)除了官方給出的這個(gè)action之外，其實(shí)在照片拍攝完成后，系統(tǒng)相機(jī)軟件會(huì)自動(dòng)發(fā)出另一條值為：“com.android.camera.NEW_PICTURE”的無(wú)序廣播，這條廣播并未寫(xiě)進(jìn)官方的文檔，但是在實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用中，這條廣播也經(jīng)常會(huì)用到。

于是我們可以創(chuàng)建一個(gè)名為“CameraAction_Rece-iver”的類，讓它繼承BroadcastReceiver作為廣播接收器，并重寫(xiě)其onReceive()方法，創(chuàng)建Intent的實(shí)例，在接收到系統(tǒng)相機(jī)軟件發(fā)出的廣播后用Intent啟動(dòng)一個(gè)Service，由這個(gè)Service完成后續(xù)操作。我們使用靜態(tài)注冊(cè)的方式在AndroidManifest.xml文件中對(duì)該廣播接收器進(jìn)行注冊(cè)，在標(biāo)簽內(nèi)添加兩條過(guò)濾信息，一個(gè)是標(biāo)簽，一個(gè)是標(biāo)簽。標(biāo)簽的內(nèi)容即為要接收的廣播的值，標(biāo)簽的內(nèi)容為需要響應(yīng)的數(shù)據(jù)類型，因?yàn)槲覀兊牟僮鲗?duì)象為照片，所以標(biāo)簽的內(nèi)容應(yīng)為“”，它指明要響應(yīng)的對(duì)象為圖像文件。

2.2　通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)找出相機(jī)軟件拍攝的照片

在CameraAction_Receiver接收到廣播后，通過(guò)Intent啟動(dòng)一個(gè)Service，在該Service中可以進(jìn)行查找照片、移動(dòng)照片及加密照片等操作。我們創(chuàng)建一個(gè)名為“Bitmap_Service”的類，讓它繼承IntentService，繼承IntentService的好處是在代碼執(zhí)行完畢后服務(wù)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，且只需重寫(xiě)一個(gè)onHandleIntent()方法。由于我們不知道相機(jī)軟件的底層代碼，所以無(wú)法通過(guò)文件名來(lái)查找目標(biāo)照片。但是Android本身提供了一個(gè)多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)MediaStore，它包含了Android手機(jī)上的所有多媒體信息可供外界查看調(diào)用。查找數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容需要使用接口ContentResolver[6],而ContentResolver對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)則是通過(guò)URI，每一個(gè)URI地址值都唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)資源文件。因?yàn)槲覀儾檎业哪繕?biāo)只是圖片文件，且文件是處于外部存儲(chǔ)空間中的，所以查找的范圍應(yīng)為“MediaStore.Images.Media.EXTERNAL_CONTENT_U-RI”，它是ContentProvider的URI地址值，指向所有圖片文件。在確定了查找的范圍后，調(diào)用ContentResolver的query()方法在MediaStore.Images.Media.EXTERNA-L_CONTENT_URI中進(jìn)行查找。query()方法有5個(gè)入口參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)為指定的內(nèi)容提供者的URI地址值，即查找范圍；第二個(gè)參數(shù)為查找返回的結(jié)果，這里我們需要獲取到MediaStore中所有圖片的絕對(duì)路徑，即new String[]{MediaStore.Images.Media.DATA}，結(jié)果會(huì)以數(shù)組的形式返回；第三個(gè)參數(shù)為查詢條件，即對(duì)返回的結(jié)果進(jìn)行篩選，這里我們沒(méi)有特殊的需求，所以可設(shè)為null；第四個(gè)參數(shù)需配合第三個(gè)參數(shù)使用，可對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，當(dāng)然在這里也設(shè)為null；第五個(gè)參數(shù)為排序條件，即對(duì)返回結(jié)果按條件進(jìn)行排序，我們需要對(duì)MediaStore中的所有圖片按ID進(jìn)行排列，所以參數(shù)可設(shè)為MediaStore.Images.Media._ID +“DESC”，其中“DESC”表示降序排列。通過(guò)query()方法進(jìn)行查找，我們便能夠得到一個(gè)按ID降序排列的所有圖片的絕對(duì)路徑集合，顯然，剛拍攝生成的照片的絕對(duì)路徑一定處于這個(gè)集合的頂部。使用Cursor類對(duì)該集合進(jìn)行逐條遍歷，當(dāng)Cursor指向第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)我們便得到目標(biāo)照片的絕對(duì)路徑了。

2.3　照片的加密與存儲(chǔ)

通過(guò)對(duì)市面上多數(shù)主流隱私保護(hù)軟件的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)這些軟件都是采用將加密后的文件保存在自己生成的不可見(jiàn)目錄中的方法，以達(dá)到隔離加密文件的效果。這樣做符合隱私保護(hù)的邏輯：

(1) 加密后的文件不再屬于公共類文件，不應(yīng)該與無(wú)訪問(wèn)權(quán)限的普通文件存儲(chǔ)在一個(gè)目錄中。

(2) 將本軟件加密生成的文件保存在軟件自身生成的目錄下便于管理。

(3) 將存儲(chǔ)加密文件的目錄設(shè)為不可見(jiàn)可以防止用戶將目錄誤刪除而造成文件丟失。

有了這個(gè)思路之后，我們可以采用將目標(biāo)照片文件從源存儲(chǔ)路徑移動(dòng)到目的路徑同時(shí)進(jìn)行加密的方法使照片與用戶隔離起來(lái)，代碼仍在Bitmap_Service類中實(shí)現(xiàn)。上述獲取到的目標(biāo)照片的源存儲(chǔ)路徑可以通過(guò)cursor.getColumnIndex()獲得；目的路徑由三部分組成：手機(jī)外部存儲(chǔ)空間的根目錄，不可見(jiàn)文件夾名，加密文件的文件名。外部存儲(chǔ)空間的根目錄可由Environment.getExternalStorageDirectory()獲得，不可見(jiàn)文件夾名以“.”開(kāi)頭，命名為“.TransEncryptHelper”,加密文件的文件名由UUID生成的32位唯一識(shí)別碼命名。得到了原路徑和目的路徑后，使用Java的I/O流來(lái)轉(zhuǎn)移照片。首先創(chuàng)建FileInputStream的實(shí)例從源路徑讀取字節(jié)數(shù)據(jù)，然后創(chuàng)建OutputStream的實(shí)例將字節(jié)數(shù)據(jù)寫(xiě)入目的路徑，寫(xiě)入的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

加密的方法是創(chuàng)建加密算法的Util類，并生成算法的密鑰，之后調(diào)用Util類的encrypt()方法將數(shù)據(jù)流與密鑰一同加密，當(dāng)數(shù)據(jù)流全部寫(xiě)入目的路徑后，得到的就是加密后的文件了。

2.4　照片的解密與查看

與加密過(guò)程相比，本軟件解密功能的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，解密的過(guò)程需要用戶的參與，即由用戶來(lái)選擇需要解密的照片，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的“解密”按鈕，通過(guò)加密算法的逆算法對(duì)加密文件進(jìn)行解密。解密功能實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是在照片被加密的情況下，在軟件內(nèi)部看到原始圖片。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要在捕獲到目標(biāo)照片后先生成其縮略圖，再對(duì)目標(biāo)照片進(jìn)行加密操作。

縮略圖由Bitmap類生成，但Bitmap類的構(gòu)造函數(shù)是私有的，需使用接口BitmapFactory對(duì)Bitmap進(jìn)行實(shí)例化，再調(diào)用其decodeFile()方法將Bitmap解析出來(lái)。在解析之前，先使用BitmapFacotry.Options實(shí)例化一個(gè)options對(duì)象，options的多個(gè)屬性可以指定decodeFile()方法的選項(xiàng)，其中inSampleSize屬性可以設(shè)置解析出來(lái)后Bitmap的尺寸。解析出Bitmap后，便可以得到照片的縮略圖，調(diào)用Bitmap的compress()方法可以設(shè)置生成的縮略圖的格式，有JPG與PNG兩種格式可供選擇。最后，將生成的縮略圖保存在本軟件的私有目錄下，其他應(yīng)用便沒(méi)有權(quán)限訪問(wèn)到該縮略圖，當(dāng)打開(kāi)本軟件后，將縮略圖加載到ImageView控件上，用戶就可以看到被加密的照片了。

通過(guò)上述四個(gè)解決方案，我們基本可以實(shí)現(xiàn)透明加密助手的功能需求。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們還希望本軟件能在加密的安全性與時(shí)效性上都有較好的表現(xiàn)，因此，針對(duì)目前常用的幾種加密算法，我們還需分別進(jìn)行測(cè)試，以選出最優(yōu)算法。

3　加密算法的選擇

Android本身帶有Java提供的一些軟件包，如java.security和javax.crypto，為我們提供了多種加密算法的接口。在選擇加密算法之前，我們首先應(yīng)當(dāng)排除MD5算法[7]，因?yàn)镸D5算法的加密過(guò)程是不可逆的，照片被加密后將無(wú)法還原?？紤]到本軟件對(duì)安全性能的要求并不高，常用的加密算法如RSA-1024[8]，DES[9]以及AES-128[10]的安全性都是可以滿足的，因此我們將針對(duì)這三種算法的加、解密效率分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試環(huán)境如表1所示。

表1　軟件測(cè)試環(huán)境

我們首先對(duì)128位密鑰的AES加密算法進(jìn)行測(cè)試。為了使測(cè)試結(jié)果更加清晰準(zhǔn)確，我們將加密部分的代碼與解密部分的代碼寫(xiě)在同一個(gè)Service下，在程序執(zhí)行完加密操作后立刻執(zhí)行解密操作。同時(shí)我們?cè)诔绦蛑杏肔og.d()語(yǔ)句在logcat內(nèi)打印三條調(diào)試信息，這三條調(diào)試信息分別插入在捕獲到目標(biāo)照片的路徑、加密完成以及解密完成的代碼之后，打印調(diào)試信息的同時(shí)logcat會(huì)自動(dòng)打印出當(dāng)前的時(shí)間信息，通過(guò)比較三條時(shí)間信息間的時(shí)間差就可以判斷算法的加、解密效率如何。

從圖4可以看出，AES-128算法對(duì)五張照片的加密耗時(shí)均不足1秒；對(duì)密文的解密耗時(shí)較加密耗時(shí)長(zhǎng)，其中對(duì)白色墻壁照片的解密耗時(shí)最短，約為2.7秒，對(duì)電腦屏幕照片的解密耗時(shí)最長(zhǎng)，約為24秒。

我們以同樣的方法對(duì)DES算法和RSA-1024算法分別進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，DES算法較AES-128算法的性能略有下降，隨著照片文件大小的增加，其解密耗時(shí)增長(zhǎng)較快；RSA-1024算法的性能較差，其對(duì)白色墻壁照片的加密耗時(shí)達(dá)到3分31秒，解密耗時(shí)則難以統(tǒng)計(jì)。最后我們從三種算法加密的五張照片中各選取三個(gè)典型的照片大小，將它們與加密后的密文大小進(jìn)行比較，如表2所示?？梢钥闯鯮SA-1024算法對(duì)照片加密后，生成的加密文件大小有所增加，而DES算法和AES-128算法加密前后文件大小不變。

通過(guò)對(duì)安全性能、加密與解密效率以及加密前后文件大小三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比后，128位密鑰的AES算法無(wú)疑是最滿足需求的。

4　軟件實(shí)現(xiàn)效果

最后，我們?cè)谌A為榮耀7上安裝“透明加密助手”軟件測(cè)試實(shí)現(xiàn)效果。首先在未打開(kāi)本軟件的情況下用系統(tǒng)相機(jī)拍攝一張水杯的照片，這張照片會(huì)保存在“Camera”文件夾內(nèi)。接下來(lái)我們打開(kāi)“透明加密助手”軟件，保持其在后臺(tái)運(yùn)行，并再次打開(kāi)系統(tǒng)相機(jī)軟件拍攝一張簽字筆的照片，這時(shí)我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在“Camera”文件夾下并沒(méi)有出現(xiàn)剛才拍攝的簽字筆照片。在Android手機(jī)已獲取root權(quán)限的情況下，打開(kāi)Root Explorer文件管理器，找到“.TransEncryptHelper”文件夾，可以看到一個(gè)加密文件，文件名為UUID生成的32位唯一識(shí)別碼，這就是簽字筆照片被加密后的文件，如圖5所示。最后將加密文件還原，進(jìn)入本軟件，在“已加密圖片”界面可以看到被加密圖片的縮略圖，點(diǎn)擊解密按鈕進(jìn)解密，如圖6所示,解密后的簽字筆照片會(huì)還原到“Camera”文件夾下，如圖7所示。

圖5　加密文件

圖6　解密界面

圖7　簽字筆照片

5　結(jié)　語(yǔ)

Android操作系統(tǒng)是目前用戶數(shù)量最多的手機(jī)操作系統(tǒng)之一，本文針對(duì)Android用戶在日常使用中的痛點(diǎn)，改進(jìn)了對(duì)用戶所拍攝照片的加密方法，在保證安全性的同時(shí)提升了用戶體驗(yàn)。經(jīng)過(guò)在華為榮耀7、紅米4A等多種型號(hào)手機(jī)上的測(cè)試，本軟件均能實(shí)現(xiàn)對(duì)照片的自動(dòng)加密，成功率很高。此外，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)廣播實(shí)現(xiàn)文件自動(dòng)加密的方法還可以推廣至音頻、視頻、文檔、短信等安全領(lǐng)域。隨著Android用戶的不斷增長(zhǎng)，以及人們對(duì)個(gè)人隱私安全關(guān)注度的提升，我們相信透明加密助手軟件在未來(lái)有很高的實(shí)用價(jià)值，本文提出的自動(dòng)加密方法在實(shí)際軟件開(kāi)發(fā)中也有較好的應(yīng)用前景。

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