常见加解密算法的介绍

前言

在 Android 逆向分析中，加解密算法无处不在。无论是 APP 的签名校验、协议加密、还是用户密码的存储，都离不开各类密码学算法。掌握常见加解密算法的原理和特征，是进行算法还原和协议分析的基础功。本文将从对称加密、非对称加密、哈希算法、编码算法以及消息认证码五个维度，系统性地介绍常见加解密算法的原理，并重点讲解如何在逆向分析中快速识别这些算法。

对称加密算法

AES（Advanced Encryption Standard）

AES 是目前应用最广泛的对称加密算法，也是 NIST（美国国家标准与技术研究院）于 2001 年正式发布的加密标准。AES 支持 128/192/256 三种密钥长度，分别对应 10/12/14 轮迭代加密。

AES 的核心结构是 SPN 网络（Substitution-Permutation Network），每一轮包含四个操作：

SubBytes（字节替换）：通过 S-box 进行非线性替换。AES 的 S-box 是一个固定的 256 字节查找表，其构造基于 GF(2^8) 上的乘法逆元和仿射变换。
ShiftRows（行移位）：对状态矩阵的每一行进行循环左移，不同行移位量不同（0/1/2/3）。
MixColumns（列混合）：对状态矩阵的每一列进行 GF(2^8) 上的矩阵乘法运算。
AddRoundKey（轮密钥加）：将当前状态与轮密钥进行异或操作。

AES 加密还需要 密钥扩展（Key Expansion）算法，从原始密钥扩展出所有轮所需的轮密钥。

DES 和 3DES

DES（Data Encryption Standard）采用 Feistel 网络结构，密钥长度 56 位（实际 64 位，其中 8 位为奇偶校验位），共 16 轮迭代。每一轮将数据分成左右两半，右半部分经过轮函数 F 处理后与左半部分异或，然后左右交换。

DES 的轮函数 F 包含：

扩展置换（E）：将 32 位扩展为 48 位
S-box 替换：8 个 S-box 将 48 位压缩为 32 位
P 置换：32 位置换

3DES（Triple DES）是 DES 的增强版本，使用三个密钥进行三次 DES 运算，有效密钥长度提升到 112/168 位，分为 EDE（加密-解密-加密）和 EEE（三次加密）两种模式。

RC4

RC4 是一种 流密码（Stream Cipher），结构极其简洁。它包含两个核心部分：

KSA（Key Scheduling Algorithm）：使用密钥初始化一个 256 字节的 S 数组（S-box），通过一系列交换操作将密钥的随机性注入 S 数组。
PRGA（Pseudo-Random Generation Algorithm）：使用初始化好的 S 数组生成伪随机密钥流，与明文进行异或得到密文。

RC4 的特征非常明显：一个 256 字节的 S-box 数组和两个索引指针 i、j，以及循环中的交换操作。

非对称加密算法

RSA

RSA 基于大整数分解难题，是应用最广泛的非对称加密算法。其密钥生成过程如下：

选择两个大素数 p 和 q
计算 n = p × q（模数）
计算欧拉函数 φ(n) = (p-1)(q-1)
选择公钥指数 e（通常为 65537，即 0x10001）
计算私钥指数 d，使得 e × d ≡ 1 (mod φ(n))

RSA 的加密和解密都是模幂运算：c = m^e mod n，m = c^d mod n。在 RSA 实现中，模幂运算通常使用 平方-乘算法（Square-and-Multiply）来实现快速计算。

ECC（椭圆曲线加密）

ECC 基于椭圆曲线离散对数问题（ECDLP），在相同安全级别下，ECC 的密钥长度远小于 RSA。例如，256 位的 ECC 密钥安全性相当于 3072 位的 RSA 密钥。

椭圆曲线的一般方程为 y² = x³ + ax + b。ECC 的核心运算包括：

点加法：曲线上两点的加法
点倍乘：曲线上一点的自加
标量乘法：k × P（对点 P 进行 k 次加法）

在 Android 中，ECC 常见于 TLS/SSL 证书、ECDH 密钥交换、ECDSA 数字签名等场景。

哈希算法

MD5

MD5 产生 128 位（16 字节）的哈希值，处理流程如下：

消息填充：在消息末尾填充位，使其长度 ≡ 448 (mod 512)，然后追加原始消息长度（64 位小端序）
初始化链接变量：A=0x67452301, B=0xefcdab89, C=0x98badcfe, D=0x10325476
以 512 位（64 字节）为分组处理，每组经过 4 轮、每轮 16 步、共 64 步操作
每步操作使用不同的位移量和常量表 T[i]，通过循环左移、加法、异或、与、或、非等运算混合数据

MD5 虽然已被证明存在碰撞漏洞，但在很多 APP 中仍然用于完整性校验（而非安全场景）。

SHA1 和 SHA256

SHA1 产生 160 位（20 字节）哈希值，结构类似于 MD5，但有以下区别：

初始化常量不同：H0-H4 分别为 0x67452301, 0xEFCDAB89, 0x98BADCFE, 0x10325476, 0xC3D2E1F0
处理 80 步而非 64 步，分为 4 轮各 20 步
每步使用的逻辑函数不同

SHA256 属于 SHA-2 家族，产生 256 位哈希值，其处理步骤为 64 轮。SHA256 使用了不同的初始哈希值（前 8 个素数的平方根的小数部分前 32 位），以及 64 个轮常量 K[0…63]（前 64 个素数的立方根的小数部分前 32 位）。

SHA256 的轮函数包含：

Ch 函数：(x AND y) XOR (NOT x AND z)
Maj 函数：(x AND y) XOR (x AND z) XOR (y AND z)
Σ0/Σ1：大循环移位运算
σ0/σ1：小循环移位运算

编码算法

编码算法不是加密算法，但它们在逆向分析中同样常见，经常与加密算法组合使用。

Base64

Base64 将 3 字节（24 位）的输入数据映射为 4 字符的输出。编码表为 A-Z a-z 0-9 +/，共 64 个字符，不足的用 = 填充。

Base64 的识别特征：

输出只包含 A-Z、a-z、0-9、+、/、= 这 66 个字符
输出长度是 4 的倍数
通常以 1-2 个 = 结尾

Hex 编码

Hex 编码将每个字节表示为两个十六进制字符（0-9, A-F），是逆向分析中最简单的编码方式。输出长度是输入长度的 2 倍。

URL 编码

URL 编码将特殊字符转换为 %XX 格式（XX 为十六进制 ASCII 值），常见于网络请求参数中。

消息认证码（MAC/HMAC）

MAC（Message Authentication Code）

MAC 用于验证消息的完整性和真实性。常见的 MAC 实现包括基于分组密码的 CMAC 和基于哈希的 HMAC。

HMAC（Hash-based MAC）

HMAC 使用哈希函数（如 SHA1、SHA256）结合密钥来生成消息认证码，其计算公式为：

HMAC(K, m) = H((K' ⊕ opad) || H((K' ⊕ ipad) || m))

其中：

K’ 是密钥（如果密钥长度大于哈希块大小则先哈希）
ipad = 0x36 重复填充到块大小
opad = 0x5C 重复填充到块大小
|| 表示连接
H 表示哈希函数

在 Android 中，HMAC 常见于 API 请求签名、数据完整性验证等场景。

逆向中识别算法的关键特征

通过常量识别

算法常量是识别加密算法的最直接线索：

算法	关键常量
MD5	0x67452301, 0xefcdab89, 0x98badcfe, 0x10325476
SHA1	上述 4 常量 + 0xC3D2E1F0
SHA256	0x6a09e667, 0xbb67ae85, 0x3c6ef372, 0xa54ff53a 等 8 个初始化值
AES S-box	以 0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b 开头的 256 字节表
DES S-box	8 个固定查找表，每个 4×16
RC4	256 字节 S-box 的初始化循环
RSA	常见公钥指数 0x10001 (65537)
HMAC	0x36 (ipad), 0x5C (opad)

通过代码结构识别

查表操作：大量使用查找表的函数很可能涉及加密算法
循环结构：固定轮数的循环（如 10/12/14 轮）暗示 AES，16 轮暗示 DES，64 轮暗示 MD5
位运算：循环移位（ROL/ROR）、异或（XOR）、与/或/非操作的密集使用
模运算：大数取模操作常见于 RSA

通过函数调用识别

在 Android 逆向中，可以搜索以下特征字符串来定位加密操作：

javax.crypto.Cipher
javax.crypto.spec.SecretKeySpec
javax.crypto.spec.IvParameterSpec
javax.crypto.Mac
java.security.MessageDigest
java.security.Signature

算法在 Android 中的实现方式

Java 层 Cipher API

Android 使用 JCE（Java Cryptography Extension）框架提供加密能力：

// AES 加密示例
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");
SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(keyBytes, "AES");
IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(ivBytes);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);
byte[] encrypted = cipher.doFinal(plaintext);

BouncyCastle

BouncyCastle 是 Java 平台上功能最全面的密码学库，支持大量非标准算法。在 Android 逆向中，如果发现 org.bouncycastle 包名，说明使用了 BouncyCastle。

// BouncyCastle 提供了更多算法支持
Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CTR/NoPadding", "BC");

OpenSSL（Native 层）

OpenSSL 是 C/C++ 层最常用的密码学库，在 Android 中通过 SO 文件使用。关键函数名包括：

EVP_EncryptInit_ex / EVP_DecryptInit_ex
EVP_aes_256_cbc / EVP_aes_128_ecb
MD5_Init / MD5_Update / MD5_Final
SHA1_Init / SHA1_Update / SHA1_Final
HMAC_Init_ex / HMAC_Update

总结

实现方式	位置	识别方式
Java Cipher	Java 层	搜索 “Cipher.getInstance” 字符串
BouncyCastle	Java 层	搜索 “BouncyCastle” 字符串
OpenSSL	Native SO	搜索 “EVP_”、“MD5_”、“SHA1_” 函数
自实现算法	Native SO	通过常量和代码结构特征识别