[移动开发]【数据安全】3. Android 文件级加密（File-based Encryption）技术介绍

1. 概览?

1.1 设计概览

采用文件级加密时：

• 可以使用不同的密钥对不同的文件进行加密，也可以对加密文件单独解密
• 可以有的放矢，没有安全要求的文件可以不加密
• 支持多用户，不同用户使用不同的密钥

基于这些特性，Google 对 Android 用户数据分区的目录做了安全等级划分，一些非用户隐私数据可以在设备启动后直接可以访问，解决了 FDE（Full Disk Encryption）的弊端，在 【数据安全】1. Android 保护用户隐私数据的技术介绍_zs.w的博客-CSDN博客?或者 direct-boot 已经做了介绍。

在 FBE 的设计中，根据文件内容的私密性，Google 把用户数据分区的存储位置划分安全等级，包括下几类：

①. 不加密的存储位置

• ?Unencrypted

②.?加密的存储位置?

• 与用户无关的系统设备存储位置
  • ?System Device Encrypted (DE) Storage
• 与用户相关的存储位置?：
  • Device Encrypted (DE) Storage ：与用户相关的设备数据，在设备直接启动后以及用户解锁设备后都可以直接访问。
  • Credential Encrypted (CE) Storage ：这是默认存储位置，仅在用户解锁设备后可用。

需要注意的点：

①. 从?User.x?DE/CE 以及对应文件夹的命名可知，FBE 天然支持多用户 ：

• ?每个用户都拥有2个单独的加密密钥：?DE Master Key 和 CE Master Key。

②.?当用户未设置锁屏密码时：

• DE 密钥和 CE 密钥安全等级一致，即开机过程中，APP 就可以直接访问?Device Encrypted (DE) Storage 和?Credential Encrypted (CE) Storage。

③. 当用户设置锁屏密码时：

• 只有校验用户密码成功后，用户的 CE 密钥才可用。即用户输入锁屏密码解锁设备后，APP 才可访问?Credential Encrypted (CE) Storage，同时访问到文件的明文数据。
• 用户 0 由于是特殊用户，必须先登录设备（设备启动后会自动登录用户0）；

• 不同存储位置的加解密顺序存在依赖关系：
  • 解密?System DE?Storage 所需的密钥信息被存储在未加密目录 /data/unencrypted；
  • 解密 User Device Encrypted (DE) Storage 和 User?Credential Encrypted (CE) Storage?所需的密钥信息被存储在?System DE?Storage 路径 /data/misc/vold/user_keys；

这里再次重复磁盘数据加密解决的问题，对于后面理解 FBE 的设计很重要。

解决设备被盗，丢失或者送修等机器不在用户手中的情况下，依然保护用户的隐私数据不被窃取。但是对于用户正常使用过程中，黑客通过提权等手段窃取数据的行为，这些技术基本无能为力，目前主要还是靠传统的 DAC（user、group、others） 和 MAC（selinux）。

FBE 至少要解决以下特殊场景数据的安全性，做到无法解密数据：

1. 直接把存储器从主板拆下后，换到另一台设备或者使用专业的工具直接读存储器；
2. 设备主板的 CPU 或者存储器被更换；
3. 防止软件回滚，设备的软件或固件回滚到有 bug 的版本；

按照上述的要求，FBE 必须要解决的核心技术问题至少包括：安全的密钥管理和高效的 I/O。

1.2 密钥管理

①.对于不同的加密存储位置，至少涉及 3 个密钥，包括：

• System DE key
• User DE key for user 0
• User CE key for user 0

②. 密钥的安全管理，包括：

• 在安全的内核密钥环（kernel keyring）和 ARM TZ 环境中管理密钥
• 密钥不允许出现在 HLOS
• 每个文件及其名称都应使用不同且唯一的密钥进行加密
• 根据 HLOS 请求，创建，更新和失效密钥等（支持远程擦除密钥）
• ......

1.3 高效 I/O

在文件读写时，文件数据加解密对 APP 应该时透明的，高效的，那么需要需要回答这些问题：

①. 在 I/O statck 中，怎么根据文件的存储位置以使用不同的密钥加解密数据？

②. 根据 FDE 设计的经验，FBE 必须借助 ICE 才可能有效的减少对 I/O 性能的影响，这里衍生出一些子问题：

• 在 I/O 过程中，对于不同的文件，怎么使用唯一的密钥加密文件名和内容？这些密钥存储在哪里？
• 在 HLOS 端的 ICE 驱动怎么为不同的文件对应的I/O请求设置不同的密钥？
• ......

密钥管理和高效的 I/O 是 FBE 核心，后面会专门详细介绍。

2. FBE 架构

截止 Android 11，FBE 已经经历了两代的发展，下文介绍?V1 和 V2 架构。升级 V2 的目的主要包括：

• 上游不支持硬件加密 ：
  • 在启动期间，存在繁琐工作；
  • 每个新内核的移植工作可以减少 3-4 周；
• 更合理的 Linux 分层，包括：文件系统、通用块层以及设备驱动；
• Fscrypt v1 → Fscrypt v2
• 支持 wrapped keys
• 适配 GKI

2.1 FBE V1 Architecture

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2.2 FBE V2 Architecture

??

这里简单介绍以下 V2 版本中的几个组件：

①. KeySlot Manager

??VFS 层和存储层之间的密钥槽管理器 KSM 桥的作用如下：

• KSM ops (由 UFS 驱动实现)
  • Keyslot program
  • Keyslot evict
  • Get raw secret
• 向底层暴露?APIs
  • Keyslot manager create
  • Keyslot manager destroy
• 向上层暴露 API APIs
  • Get slot for key
  • Evict key
  • Derive raw secret

keyslot 定义：

https://android.googlesource.com/kernel/common/+/refs/heads/android12-5.10/include/linux/keyslot-manager.hhttps://android.googlesource.com/kernel/common/+/refs/heads/android12-5.10/include/linux/keyslot-manager.hhttps://android.googlesource.com/kernel/common/+/refs/heads/android12-5.10/include/linux/keyslot-manager.h比如高通平台的实现：

// drivers/scsi/ufs/ufshcd-crypto-qti.c
static const struct blk_ksm_ll_ops ufshcd_ksm_ops = {
?? ?.keyslot_program?? ?= ufshcd_crypto_qti_keyslot_program,
?? ?.keyslot_evict?? ???= ufshcd_crypto_qti_keyslot_evict,
?? ?.derive_raw_secret  = ufshcd_crypto_qti_derive_raw_secret,
};

②.?UFS Crypto

供应商可以实现 UFS crypto 特定的 variant?ops，不同的芯片厂商按照硬件的设计可以提供差异化的解决方案。

UFS crypto 支持的 variant?ops 包括：

• Setup keyslot manager
• Destroy keyslot manager
• Init crypto
• Enable crypto
• Disable crypto
• Suspend
• Resume

比如高通平台的实现：

// linux-next/drivers/scsi/ufs/ufshcd-crypto.c 
/*
 * struct ufs_hba_qcom_vops - UFS QCOM specific variant operations
 *
 * The variant operations configure the necessary controller and PHY
 * handshake during initialization.
 */
static const struct ufs_hba_variant_ops ufs_hba_qcom_vops = {
	.name                   = "qcom",
	.init                   = ufs_qcom_init,
	.exit                   = ufs_qcom_exit,
	.get_ufs_hci_version	= ufs_qcom_get_ufs_hci_version,
	.clk_scale_notify	    = ufs_qcom_clk_scale_notify,
	.setup_clocks           = ufs_qcom_setup_clocks,
	.hce_enable_notify      = ufs_qcom_hce_enable_notify,
	.link_startup_notify    = ufs_qcom_link_startup_notify,
	.pwr_change_notify	    = ufs_qcom_pwr_change_notify,
	.apply_dev_quirks	    = ufs_qcom_apply_dev_quirks,
	.suspend		        = ufs_qcom_suspend,
	.resume			        = ufs_qcom_resume,
	.dbg_register_dump	    = ufs_qcom_dump_dbg_regs,
	.device_reset		    = ufs_qcom_device_reset,
	.config_scaling_param   = ufs_qcom_config_scaling_param,
	.program_key		    = ufs_qcom_ice_program_key,
};

3. HLOS 软件流程

3.1 Native?软件流程

Android 在 init rc 中 触发 FBE 软件流程：

• 在启动过程中，准备 FBE Master key，设置和校验各加密存储位置的加密策略（Encryption Policy）。
• 真正数据加密和解密是发生在文件 I/O 时，而加密和解密所需的信息来源于文件的?Encryption Policy。Encryption Policy 包括：
  • 使用哪个 Master Key 加密；
  • 文件数据的加密算法；
  • 文件名的加密算法；

关于?Encryption Policy 后续在密钥管理章节详细介绍。

??

?

?

① installkey /data

软件流程进入 Vold 函数?fscrypt_initialize_systemwide_keys()。

设备第一次启动时：

• 创建 System DE?Master Key 和生成?System DE?Encryption Policy；
• 把?System DE?Encryption Policy 保存到文件??/data/unencrypted/ref；

后续每次启动时：

• 加载 System DE?Master Key；

② mkdir <system de?storage>

• 如果 System DE Storage 不存在，创建并为文件夹设置?System DE Encryption Policy；
• 如果?System DE Storage 已经存在，则校验?System DE??Encryption Policy；
  • 校验失败会强制设备启动到 recovery ，格式化 userdata 分区；

③ init_user0

软件流程进入 Vold 函数?fscrypt_init_user0()。

设备第一次启动时：

• 创建 User 0 DE?Master Key?和生成?User 0 DE?Encryption Policy；
• 创建 User 0 CE? Master Key?和生成?User 0 CE?Encryption Policy；
• 创建?User 0 DE?Storage，并为这些文件夹设置?User 0 DE?Encryption Policy

后续每次启动时：

• 加载 User 0 DE?Master Key；
• 准备 User 0 DE?Storage，并校验文件夹 Encryption Policy；
  • 校验失败，不会强制格式化?userdata ，但是用户数据将无法使用，可能无法开机。

3.2?Framework 软件流程

可以发现在 Native 软件流程中，?init_user0 中关于 User 0 CE 的流程相比 User 0 DE 存在缺失，主要包括：

(1) 第一次启动时， User 0 CE?Storage 是什么时候创建的呢？

设备继续启动，由框架 UserController 通过 binder 触发 Vold 创建?User 0 CE?Storage 和为相关文件夹设置?User 0 CE Encryption Policy

(2) 后续每次启动时，加载 User 0 DE?Master Key、准备 User 0 DE Storage 、校验 User 0 CE Encryption Policy 是什么时候发生？

①?用户未设置锁屏密码时，设备启动 completed 后，ActivityManagerService 层层触发 Vold 完成这些任务；

?②?用户设置锁屏密码时，用户输入密码并校验通过后，LockSettingsService 层层触发 Vold 完成这些任务；

?

从图中可以看到，无论是设置用户密码，软件流程又回到了 Vold：

• fscrypt_unlock_user_key ：?加载 User 0 CE?Master Key
• fscrypt_prepare_user_storage：准备 User 0 CE?Storage，并校验文件夹 Encryption Policy；

软件流程就介绍到这里，在这个流程中实现了 FBE 的密钥管理，在后文详细介绍 FBE 的核心之一密钥管理。

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