计算机应用与软件
Computer Applications and Software
VoL34 No. 2Feb. 2017
基于
Android平台的文档保护方案设计与实现
邓莅川u’周健
1 (中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室北京100093)
2(中国科学院大学北京100049)
3(中国科学院数据与通信保护研究教育中心北京100093)
31’3
雷灵光>
13
向继
1’3
摘要 近年来，随着Android平台在移动设备上的普及以及企业移动办公快速发展的趋势,Android平台上隐
私文档的保护显得越发重要。基于已有文档保护方案的研究，提出一套可供普通应用程序使用的轻量级的移动 终端文档保护方案。该方案使用多重密钥技术并结合密钥拆分算法，在保证文档安全性的同时，实现了对用户透 明的文档加解密。该方案还可对受保护文档进行实时监控，以保证其在整个生命周期内的安全性。基于该方案 在
Android平台上实现了 一个原型系统，并在多个Android手机平台上进行了测试，实验结果验证了该方案的可
行性和兼容性。关键词
文档保护Android密钥拆分文档监控移动办公
文献标识码 A
DOI ：10. 3969/j. issn. 1000-386x. 2017. 02. 057
中图分类号 TP3
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF DOCUMENT PROTECTION SCHEME
BASED ON ANDROID PLATFORM
Deng Lichuan1’2’3
Zhou Jian1’3
Lei Lingguang1’3
Xiang Ji1’3
1 {State Key Laboratory of Information Security ^Institute of Information Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093,China)2 ( University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China )
2 {Data Assurance and Communication Security Research Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China)
Abstract
As mobile devices of Android are becoming more and more prevalent among enterprises as well as the
individuals, the protection of private documents on Android platform is getting more and more important. On the basis of existing researches, a lightweight mobile document protection scheme for general applications is proposed, which used the technology of key splitting and multiple-key system. The process of encryption and decryption is transparent to the user without any perceptible delay. The scheme provided real-time monitoring to protect the confidentiality of documents during the whole lifecycle. Moreover, a prototype system on Android platform has been implemented based on the scheme, and it had been tested on several Android platforms. Experiment results show that the scheme is practical and compatible with the mainstream Android platforms.
Keywords
〇引言
Document protection Android Key split Document monitor Mobile office
机病毒、木马等使得手机环境不安全，文献[1 ]表明中
国企业普遍缺乏对电子文档的保护措施;而SearchSe-
curity网站调查显7K
,30% ~40%企业机密泄露事件是
安装缺乏有
PP
随着移动通信技术的发展,移动办公已成为大势 所趋。对于企业移动管控而言,移动办公在提供便捷 服务的同时，也带来了一些安全隐患。层出不穷的手
由电子文档泄漏造成[2]。Andrmd系统自身的安全性 同样存在不足，如
Android手机中的APP
效监管，黑客可通过将恶意代码注入正常A中来窃
收稿日期:2015-12-14。国家高技术研究发展计划项目（2013AA01A214)。邓莅川，硕士生，主研领域:移动终端安全。周健， 助理研究员。雷灵光，助理研究员。向继,高级工程师。
314计算机应用与软件2017 年
取用户私密信息。近年来，通过远程控制窃取用户文 档的事件时有发生[6]。
不同于iOS采取整盘加密的机制，Android文件系 统的安全性主要依赖于Linux文件系统基于用户身份 的访问控制保护机制，即不同的用户组对文件有不同 的读写权限。然而，Lmux内核存在一些安全漏洞[13]， 一旦攻击者利用这些漏洞获取了系统的Root权限，则 整个Linux文件系统都会暴露给恶意代码，任何存储 位置都是不安全的。随着普遍增加的企业文档共享需 本地存储密钥，也无需密钥传输操作，因而保证了密钥 的安全性;本方案将对解密后的临时明文文档进行全 生命周期监控及进程间加锁，确保临时明文文档的安 全创建、访问和销毁，且仅能由指定程序访问，还可以 按需设置自定义监控策略;方案以S
DK
形式实现，方
便应用程序使用，且无需对阅读器进行任何修改，满足 了文档共享的需求。实验测试表明，本方案开销较小， 且支持对目前通用文档格式的保护。
求，基于Android平台移动办公的数据共享安全性也 得到越来越多的关注。因此，如何实现Android平台 上隐私文档的保护显得越发重要。
国际上不少大学以及研究机构都在电子文档安全 管理研究方面取得了一些成果，如麻省理工学院 (MIT)、IBM研究院等均各自提出了相应的理论及系 统模型[7]。国内的清华大学、南京大学等高校学者也 在电子文档加密、数据分发、密钥管理及访问控制等方 面做了深入研究[84];北京邮电大学的学者提出将可 信计算引入到移动平台中[14]，实现对文档的透明加解 密，其安全性依赖于一个关键安全函数，但在对关键安 全模块的保护及性能开销问题上还有待进一步研究。
将传统PC文档保护技术应用到移动终端，需考 虑手机有限的计算及存储能力，以及密钥在Android 平台上存储时缺乏信任根等问题。手机文档保护需保 证文档存储、传输和使用三个环节的安全性，其中对文 档数据传输和文档载体进行管控是使用最为广泛的措 施[3]。目前手机文档保护方案主要有以下几种:一是 不在客户端存储文档，此时文档的安全性依赖于客户 端和服务器端的安全传输以及服务器端的安全存 储[1°]，但这种方案并不能有效阻止本地恶意程序的攻 击;二是切断其他数据传输通道，如禁止用户在操作文 档时使用网络服务[3]，该方案同样无法阻止本地恶意 程序攻击;三是改进文档载体，如提供企业专用的文档 阅读器来禁止一些不安全操作[12]，但阅读器的定制开 发量大，且兼容性较差，还会在一定程度上影响用户的 操作习惯；四是对文档进行单纯加解密[11]，在该方案 中解密后的新建文件将被放入SD卡，缺乏有效的保 护控制。因此，寻求一种能有效解决上述问题的手机 文档保护机制十分必要。
综上所述，本文针对SD卡丢失问题及手机后台 恶意程序窃取机密文件的攻击，提出了一套移动终端 文档保护机制;并以SDK的形式进行实现，方便第三 方应用程序调用，具有良好的兼容性。本方案对需要 保护的SD卡文档进行多因素密钥加密保护，且不在
1背景知识
Android平台主要提供以下五种文档存储和共享
的方法：
• SharedPreference
它是Android提供用于存储简单配置信息的机 制，采用Map数据结构来存储数据，以键值的方式存 储。只能在应用程序内部使用。SharedPreferences以
XML
格式将数据存储到设备中，文件系统中的位置
在/data/data/ < package name > /shares_prefs 下 0
• SQLite数据库
需对存储数据进行较复杂操作，或数据量较大时， 需要采用SQLite来更高效管理数据，它是一种独立的 无需服务进程，支持事务处理，可以使用SQL语言的 数据库。
• C ontentProvider
即应用程序间共享数据的统一接口，只有拥有相 应权限才可获得Content providei•，并查询它们包含的 数据。
•文件存储（内部存储）
系统提供 〇penFileInput()和 openFileOutput()方 法来读取设备上的文件，且只能在应用程序内部访问。 文件系统中存储路径一般为:/data/data/Package
Name/files。文件存储有四种操作模式：^100£_?111- VATE, MODE _ APPEND, MODE _ WORLD _ READABLE ,MODE_WORLD_WRITEABLE
• SD
卡文件（外部存储）
Android访问外部存储即SD
卡文件需要“WRITE
_EXTERNAL_STORAGE”权限，并需在使用前检查外
部存储的可用性。
以上五种文档存储和共享方式中，内部存储安全 性较高，但共享性较低;外部存储只需有相应权限即可 访问，相对安全性低，但共享性更高。为兼顾文档安全
性和共享性需求，本文将重点关注如何提高SD卡文
第2期邓莅川等：基于
Android平台的文档保护方案设计与实现
315
件存储的安全性。
户选择阅读器，进而申请阅读文档，文档将在第三方
APP的虚拟空间内被解密放到临时空间中，由文档监 控模块监控保护；阅读器操作完成后即刻销毁明文并 回收临时空间，该过程中恶意程序无法获取文档明文。
该保护方案相当于为APP提供了一块私密且安 全的“保险箱”，对文档的加解密以及对明文空间的监 控都与APP在同一个dalvik虚拟机[4]里。
(1)
密钥机制
2方案设计
由于智能移动终端有文档保护和文档共享的双重
需求，而现有的移动终端文档保护方案很少能同时兼 顾这两点需求。因此，本文提出一套文档保护方案，以 期实现安全的文档共享。本设计方案架构基于An
droid 平台 ，并以 SDK 形式实现， 方便集成到第三方应
文档安全性很大程度依赖于密钥保护，因此，需设 用程序中，仅需用户在程序初始化时提供用于身份认
证和透明加解密的PIN码，具有很好的普适性。本方 案可以提供集中管理文档的功能，适用于企业移动 办公0
2.1攻击模型
对于存储在SD卡上的文档，本文考虑以下几种 攻击：
•攻击者通过窃取SD卡来获取SD卡上文件；
•恶意程序后台访问SD卡文件；
•在手机root的情况下，恶意程序后台访问应用 本地存储。
本方案针对上述攻击提出相应的防护策略，来自 内部的信息泄露不在本文讨论范围。
2.2保护模型
针对2.1节所述攻击模型，本文提出保护模型如 图1所示。
Android 手机
图
1
保护模型图
受保护文档在SD卡上加密存储，恶意程序后台 访问SD卡文件时，由于没有密钥信息故无法破解密 文。密文文档当且仅当用户通过APP进行显式请求 时，才会被解密，且密钥只部分存储在本地受保护区
域，故敌手即使通过root拿到部分密钥，也无法完成解 密工作$
恶意程序在自己的dalvik虚拟空间内，无法访问 第三方APP的虚拟空间，故也只可获取SD卡上的加 密文档。第三方APP接收到打开文档的请求时，由用
计一套完整、安全的密钥生成、存储、使用和管理机制。本方案采用密钥拆分和多重密钥思想，主要涉及
三种密钥:用于加密文档的密钥SessionKey、用于加密
SessionKey 的主密钥 MasterKey、用于加密 MasterKey 的
根密钥KeyKey(只在程序启动时动态获取）；以及用于 身份认证的PIN码。上述这些敏感数据都不在本地存 储，也无需传输，故安全性得到了保证。
由于本方案的实现均在客户端进行，故采用对称 加密算法。
为了提高移动办公的效率，本方案考虑把用于加
解密文档的密钥暂存于手机客户端，并引入MasterKey 来保护文档密钥SessionKey，以杜绝密钥泄露的风险; 本方案中客户端仅维护一个映射表:文档唯一识别号 和MasterKey [SessionKey]加密后字符串一一X才应Q
符号表示如下：PIN为用于用户验证的字符串；
RNG
为根随机数，用于生成保护主密钥的密钥，由固
定密钥加密存储于设备;INFO为设备硬件信息，将密 钥与设备绑定，确保更换设备时当前密钥失效，设备信 息不存储，直接从系统中提取;random为每个文档对 应的随机数，不存储，只用于第一次加密时生成Ses-
Si〇nKey;SK
表示加密文档的密钥SesSi〇nKey(SK’表示
加密后）；M
K
表系加密SessionKey的密钥MasterKey
(MK’表示加密后）；KK表示加密MasterKey的根密钥
KeyKey;m
表示文档明文，s表示文档密文;E( * )表示
对称加密过程，D( * )表示对称解密过程;P( * )为既
定密钥生成算法。贝丨J KK 生成:KK = P( PIN + RNG + INFO)
主密钥 MK 力口密:MK’ = E(KK
，MK)
主密钥M
K
解密:MK = D(MK’，KK)
SK 生成:SK = P( PIN + random + INFO)
文档密钥SK加密:SK’ = E(SK
，MK)
文档密钥SK解密:SK = D(SK’，MK)
文档加密巧=
E(m
，SK)文档解密:m = D
(s
，
SK)
(2) 文档监控
文档保护方案一般涉及以下两种情况:一种是文
316
计算机应用与软件
2017 年
档解密后使用指定阅读器打开，从而保证其安全性，但 这种方法兼容性和扩展性较差;另一种是将明文缓存， 而缓存的明文易受攻击，安全性较低。
本文方案由监控模块监控针对文档的各项操作。 方案中在操作文档的请求通过验证并由用户手动选择 第三方阅读器后，才执行解密操作;文档明文被放在监 控模块新建的临时空间中，并通过设置该阅读器打开 文档时的参数，以确保其他阅读器对其无法访问；阅读 器打开文档耗时很短，临时明文只存在很短的时间，故 3.1实现流程
(1)初始化
初始化流程如图3所示。
降低了本方案被攻击的可能性;在阅读器退出操作后， 临时文件空间被程序自动回收且文档明文被即刻 销毁。
2.3模块设计
本方案以SDK形式实现，第三方APP可自行调用 接口函数。SDK主要由以下几个模块组成：
•密钥管理模块:主要负责生成密钥，验证用户 PIN 码；
•数据加解密模块:主要负责对文档加解密，及 对随机数的加解密；
•文档监控模块:提供对文档整个生命周期的监 控保护，解密后临时明文存于新建临时空间，并对临时 明文的操作进行实时监控，判断阅读器关闭文档后销 毁明文。
模块如图2所示。
监控模请求打开文档
块
图2
文档保护方案模块设计图
3方案实现
由于Android4. 1及之后的4. 2、4. 3统称为An
droid Jelly Bean， 包括后续的 Android4. 4 是目前 An- droid市场份额占有最大的系统版本。本节给出了一
个基于Android平台4. 2及以上版本的手机文档保护 方案实现原型，分为初始化、加密和解密进行流程分 析，最后进行相应的技术和性能分析。
图3
文档保护方案初始化流程图
•生成设备硬件信息INFO;
•对指定信息INFO用指定算法进行一次加密， 用于后续验证PIN码正确性；
•生成一个“根随机数”（RNG)，存于私有空间；• [PIN+ RNG +
INFO]用指定算法生成根密钥
Key Key ；
•生成任意字段，即与保护密钥无关的信息，作 为主密钥MasterKey;
• KeyKey[ MasterKey ]加密后存储于私有空间。 初始化过程仅在程序启动时执行，其余时候可以直接从内存读取MasterKey。
(2)加密
加密流程如图4所示。
图4
文档保护方案加密流程图
用户输入PIN码，解密预存储的PIN [ INFO ]进行 判断，解密成功则通过验证，程序获取MasterKey;身份 认证失败则提示用户重新输入PIN码，连续错误五次 即被锁定，不能选择文档。用户通过验证后，在不退出 程序的前提下可多次选择文档进行加密。
选定文档后，后台生成三个因素的字符串，即设备 硬件信息、文档对应随机数、PIN码，按指定算法生成 密钥 SessionKey，用 SessionKey 加密文档。
加密成功则将MasterKey [ SessionKey ]加密保护 后存储到程序私有空间;加密失败则告知用户，并可重
第2期邓莅川等:基于
Android平台的文档保护方案设计与实现
卡丢失无法获取密钥。
b
317
新选择文档进行加密。
(3)解密
解密流程如图5所示。
) 恶意程序后台访问SD卡文件，没有用户P
码;即使窃取得到用户PIN码，亦无法访问内部存储， 因而无法获取完整密钥。
c)
恶意程序通过root获取内部存储的部分密钥
也无法获取完整密钥。
•可用性
a)
加解密透明，无需改变用户使用习惯。
b) 本方案采用的算法对文档进行分块处理，文图5
文档保护方案解密流程图
用户选择想阅读的文档，程序需用户输入PIN码， 程序按(2)所述方法验证PIN码。
正确则进而判断内存是否有MasterKey，有则用
MasterKey解密得到SessionKey对文档进彳了解密；
内存没有MasterKey，即程序启动初始化，后台获 取三部分拆分信息，动态生成根密钥KeyKey，解密得 到 MasterKey。用 MasterKey 获取文档 SessionKey 进而 对文档解密。
解密失败则告知用户，重新选择文档;解密成功则 进入文档监控周期。文档监控周期处理流程如下：
① 文档创建:监控模块动态创建临时空间，将密
文文档解密后暂时存放；
②
文档打开：通过获取sun. nio. FileChannel对象
实现进程加锁，其他程序进程无法访问临时明文空间， 从而其他的第三方无法获取到明文信息；
③ 文档关闭：阅读器对文档的阅读和操作都是在
自己的dalvik虚拟空间中进行的，其他APP不能访问 该虚拟空间也不能获知其是否操作完成，本方案利用 Android系统提供的对SD卡监听机制，周期性地监听 临时明文空间下对文档的操作，一旦发现临时明文文 件在预置时间长度内处于空闲状态，即刻销毁明文。
考虑到大文档直接进行加解密处理可能效率很 低，甚至可能出现内存溢出错误。本方案的文档加解 密使用分块处理，则对于大小文件的处理在内存消耗 上差异不大，3. 2节的实验分析亦验证了这一点。3.2分析及实验
(1)性能分析•安全性
本方案可以抵抗以下几种安全威胁：
a) SD卡丢失，由于密钥需设备硬件号生成，SD
加解密过程性能开销较小。
c)
无需定制阅读器，对通用阅读器均能支持。
•算法性能分析
本文先用普通对称加密算法(AES)对不同大小的
文件进行加解密，实验结果表明加解密开销与文件大
小呈正相关关系，且大文件（如大于30 MB)的加解密 造成时间开销过大，会对用户操作造成不良影响。假 设文件大小为#，此时加解密算法复杂度为:〇(#)。在对大文件的处理方面，本方案做了如下优化，对 文档进行预处理操作，分为大小为[1024 x 1024 ]位的 块，再调用对称加密算法进行加解密，从而加解密的性 能开销只与分块大小有关。下面将通过实验进行分析 验证。
(2)实验分析
本文针对方案的兼容性和性能开销进行了实验。
兼容性即本方案支持通用的几种Android平台阅读器 可用，支持通用的几种文档格式可加解密;性能开销即 受本方案保护的APP对设备内存开销较小。表1为普通对称加密算法、分块优化后的算法，以 及不同分块大小造成的性能开销。
表1
分块优化文档保护方案性能开销
电池功耗格式
文件大小
/mW
01234docx
20 KB217241245186242pdf212 KB240246274225220pdf1.92 MB281253254282292txt4.76 MB307359289306352pptx7.22 MB281422312366269pdf35.8 MB226399354408417pdf
63.6 MB
299352262415
388内存用量格式
文件大小
/MB01234docx20 KB5.976.166.166.115.93pdf212 KB5.775.936.516.445.77pdf1.92 MB6.1213.869.176.956.14txt4.76 MB6.3611.578.876.956.01pptx7.22 MB
6.17
17.8310.126.51
6.32
318计算机应用与软件2017 年
续表1
格式
文件大小
内存用量/MB
表1内存和电池功耗均为本方案原型的开销，时
格式
35.8 MB63.6 MB
文件大小
06.166.1703.755.5014.409.0122.2350.1085.34
docxpdfpdftxtpptxpdfpdf20 KB212 KB1.92 MB4.76 MB7.22 MB35.8 MB63.6 MB
12318.3010.197.2418.079.166.95
•间延迟A0'11234.804.354.525.214.184.4110.519.2610.325.526.854.612.5012.2312.1627.6329.2529.0145.0252.2149.10
46.366.3444.614.0310.565.4612.4328.9449.34
间延迟为加密、存储、解密，及阅读器解析打开文件的 总时间，其中文档中存在阅读器不能识别的内容，或媒 体文件过多，会增加解析时间，引起更多的时间延迟; 从时间延迟看出未分块的加密算法在处理大文件时延 迟严重，而本方案对文档进行分块处理，从实验数据可 以看出能够一定程度上减少时间延迟，且下一步还可 加入多线程并行处理多个分块，将进一步优化算法性 能，将时间复杂度降低至〇u)，《为分块大小;通用文 档格式均能正常加解密，且不同格式文档加解密性能 开销差异不大，打开文档的性能开销与阅读器处理识 别不同格式文档有关。
表2为本方案原型在不同手机上对小文件（小于 1 MB)和大文件（大于30 MB)进行加解密的性能开销。
表1中0、1、2、3、4分别代表:未分块、分块大小为 [2048 x2048],[1024 x 1024],[512 x512],[256 x 256]。
表2
文档保护方案在不同手机平台上性能开销
手机型号
文件大小系统
SDK性能开销
电池功耗/mW
加密
内存用量/MBCPU占用率/%
空
加密
Coolpad7620LHuaweiG750SonyLT29i
/MB<1>30<1>30<1>30
4.34.34.2.24.2.24.1.24.1.2
版本
278251200390892618
解密
30337520057075763611410470100157128
空
14.4515.1212.0910.9515.8920.30
加密
15.0915.4111.7711.5014.9920.91
解密
8.398.935.217.686.617.201.24. 12.47.51.64.2
解密
1.12.82.511.01.73.7
空
1.02.00.91.20.191.2
表2中电池功耗为文档加解密时的手机当前功 耗，可以看出在不同手机平台上加解密功耗均小于 1 W;手机在应用程序运行时的内存用量普遍保持在 20 M
B
三方阅读器方便通用文档的读取。本方案中的文档操 作全程受后台监控，一旦操作完毕临时明文空间即被 收回且文档明文被即刻销毁。经测试，本文实现的原 型系统开销较小，具有较好的可用性和兼容性。在本 方案的具体实现中，分组加密为串行处理，因此大文件 可能带来一定的可感知延迟，实际应用中采用并行处 理，将进一步降低时间复杂度，减少可感知延迟。
以下，且由于分块技术的使用，在对大小文档的
PSOf-
加解密时内存用量差异不大;CPU占用率普遍不超过 5%。以上实验在通用第三方文档阅读器JPW软
fice、Polaris Office、Quick Office、ThinkFree Office 及金 Office上均进行了实验，均能正常使用本原型系统。
实验表明本方案原型系统整体性能开销较小，且对大 文件和小文件的加解密处理开销差异不大，故本方案 可行。
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4结语
手机文档安全对企业移动管理至关重要，仅靠现
有的Android安全机制难以满足企业需求。本文设计 开发了一套基于Android的轻量级手机文档保护方 案，提供一套能满足企业移动办公需求的密钥管理体 系，实现了文档的透明加解密功能，并兼容现有通用第
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