基于Android的互联网加密传输功能设计与实现

吴 一 鸣

(南宁供电局信息中心 广西 南宁 530031)

0 引 言

当前，各大国企均将移动作业平台系统设立为重点发展的信息化方向，从总公司层面规划建设移动作业总体平台，在移动作业总体平台上各专业线业务开发其移动作业app。移动作业app基本都是Android版本，运行于时下应用最广的Android系统移动智能终端上。

移动智能终端使用的是基于Android的操作系统，是终端厂家二次开发的智能操作系统。Android系统因为其开放性、开源性获得了智能系统市场的超过半数的份额，开放性引入不安全因素的同时，开源性提供定制基于Android的移动智能操作系统功能的空间。

本文通过研究Android系统的开源源码，修改内核代码，定制实现互联网加密传输的系统功能，达到安全通信、限制非工作应用、节省通信流量等目的。研究成果充分满足移动作业系统作业终端的信息安全要求，可作为高度定制版本的企业版专用移动作业智能操作系统。

1 需求分析

各大国企移动作业平台的移动智能终端，多为直接应用终端厂家的硬件及操作系统，因此实际使用中存在的问题有：

(1) 不符合信息安全要求。移动作业传输的数据属于企业涉密内容，是企业的数据资产，在运营商公用网络中明文传输情况下，存在被截获、非法收集的隐患。

(2) 违规安装非工作app。因移动智能终端权限未受限制，终端上常会有安装游戏、视频、娱乐等非工作app的情况，使用者可以随意安装各种应用。除了移动作业外，终端会被另作他用。

(3) 非工作流量占比高。移动作业app对流量需求不高，主要传输格式化数据以及静态图片。但在实际工作中，因为非工作app的流量损耗，企业需要为终端订购大流量的通信套餐，增加了不必要的移动作业平台的运营成本。

针对上述问题，本文提出了一个技术方案，对移动智能终端的互联网传输进行加密，传输加密的流程图如图1所示。

图1 移动智能终端的互联网加密传输数据流

移动作业app向移动作业平台发送加密了互联网网络数据包，移动作业平台收到并对数据包解密，得到正确的请求数据包，完成响应，移动作业终端与平台交互正常。移动作业app数据在运营商公用网络中，传输的是加密后的数据包，大大降低了非法监听、收集破解的隐患，解决了第一个问题。

非工作app的互联网网络数据包加密后发送到非工作应用的服务器端，非工作应用的服务器端无法解密，无法响应非工作app的互联网请求。在此情况下，非工作app无法使用，安装再多的非工作app都形同虚设，更无法消耗通信流量。解决了第二个和第三个问题。

通过上述需求分析，对移动智能终端Android系统的互联网传输加密可以解决移动平台终端的实际使用问题，实现基于Android的互联网加密传输功能便是开发目标。

2 技术原理

2.1 TCP协议

移动智能终端接入的移动互联网是基于移动通信技术的互联网络，移动互联网数据传输流程图如图2所示：app生成互联网数据，该互联网数据经过移动终端转换，以通信网络数据形式发出，进入通信网络。在通信网络中传输到通信网关设备，通信网关设备将通信网络数据转换为互联网数据，进入互联网。通信网络数据在移动终端与通信网关设备之间传输过程，即为移动通信技术。

图2 移动互联网数据传输过程

移动互联网的协议体系是基于TCP/IP协议栈，移动互联网的应用层数据经过传输层、网络层及网络接口层协议封装后，进入物理层，由通信网络相应协议完成移动通信传输，传输流程图如图3所示。对于每台移动智能终端，移动互联网数据的收发均需要使用TCP协议。对移动智能终端操作系统的TCP协议修改，等同于互联网传输的加密。

图3 移动通信协议栈中的TCP/IP协议

2.2 Android系统体系结构

Android的系统架构和其操作系统一样，采用了分层的架构。从架构图看，Android分为四个层，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux核心层。Android的核心系统服务依赖于Linux Kernel(内核)，如安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型，Android系统体系结构图如图4所示。对Android系统的TCP协议修改，是在Linux Kernel(内核)实现的。

图4 Android系统体系结构

3 功能实现

Android系统的互联网加密传输功能开发软硬件环境表如表1所示。

表1 开发软硬件环境表

Kernel源代码中，net模块的ipv4 cp.c文件对应tcp协议，其中函数tcp_sendmsg实现tcp消息传输，传输内容关键在msghdr和iovec两个结构体里，如图5所示。

图5 ipv4_tcp.c文件中的tcp_sendmsg函数

msghdr结构体的解析：

struct msghdr {

void *msg_name;

//网络包指向

//sockaddr_in，存数据包的目的地址

//指向sockaddr_nl，向内核发数据

Int msg_namelen;

//消息地址长度

struct iovec *msg_iov;

//结构体iovec指针

__kernel_size_t msg_iovlen;

//结构体iovec长度标志

void *msg_control;

//空指针

__kernel_size_t msg_controllen;

unsigned msg_flags;

//消息标志

};

iovec结构体的解析：

/* Structure for scatter/gather I/O. *//结构体定义

struct iovec

{

void *iov_base; /* Pointer to data. *//数据指针

size_t iov_len; /* Length of data. *//数据长度

};

针对这两个结构体，写了2个函数：

ipv4_iov_base_invert(char str1[])和ipv4_iovec_invert(struct msghdr *msg)，用来倒置tcp的传输内容，例如，tcp传输内容为abcdefg，倒置后为gfedcba，代码如图6所示。

图6 2个函数用来修改tcp的传输内容

在tcp.c的tcp_sendmsg函数中调用自定义的TCP传输内容倒置函数，如图7所示。

图7 tcp_sendmsg函数中调用ipv4_iovec_invert函数

编译Kernel，加载Kernel。

然后测试修改。

Ubuntu 14.04_2 64bit的LTS的初始Kernel是3.16.0版本的。

Kernel测试结果如图8所示。

图8 Kernel测试结果

(1) HTTP失效，对地址www.bing.com的访问，浏览器回应“Bad Request—Invalid URL”，地址无法识别，说明TCP传输内容倒置函数生效；

(2) Kernel版本已更新，输入Linux 命令“cat/proc/version”，显示“Linux version 3.13.11”，Kernel版本已经从3.16.0变成3.13.11；

(3) ping 8.8.8.8正常，ICMP协议正常，说明IP协议正常。

4 验 证

将更新了Kernel的Android系统刷入移动智能终端，可以看到下图中终端系统的“内核版本”有笔者的姓名拼音“wuyiming”，说明该系统是笔者定制Kernel后编译的，如图9所示。

图9 开发系统刷入智能终端

在终端上运行QQ应用app和微信应用app，均显示“连接”问题，说明无法在此终端上运行第三方应用app，如图10所示。

图10 第三方应用移动网络连接异常

在终端上某企业的移动应用app“eSpace”，运行正常，各功能模块均可使用，如图11所示。

图11 企业定制应用运行正常

通过对Android系统Kernel的TCP协议修改，解决了前文提到的移动作业平台三个问题。

(1) 违规安装非法app：第三方非工作app无法使用，安装无意义。

(2) 非工作流量占比高：第三方非工作app无法使用。

(3) 不符合信息安全要求：传输加密，保障信息安全。

基于Android的互联网加密传输功能的实现，达到预期需求。

5 结 语

本次针对移动智能终端，基于Android的互联网加密传输功能设计与实现，达到安全通信的目的，实现了限制非工作应用、节省通信流量的效果，解决了企事业单位移动平台终端的实际使用问题。

本次功能设计与实现是移动操作系统定制开发的实践，定制的移动智能操作系统功能，例如信息安全、权限管控、统一UI、续航能力等，更符合业务实际使用需求，有广泛需求前景。同时，在系统体系中，平台“基础”决定上层应用“建筑”。对移动操作系统的深度优化，可以作为移动应用生态环境基础，例如规范应用app开发、移动安全通信协议等，形成企事业移动应用体系的基础规范，占得行业先机。