时间:2021-05-20
前言
Android 的安全性问题一直备受关注,Google 在 Android 系统的安全方面也是一直没有停止过更新,努力做到更加安全的手机移动操作系统。
在 Android 的安全性方面,有很多模块:
1 内核安全性
2 应用安全性
3 应用签名
4 身份验证
5 Trusty TEE
6 SELinux
7 加密
等等
其中,加密又分全盘加密(Android 4.4 引入)和文件级加密(Android 7.0 引入),本文将论述加密中的全盘加密的基本知识。全盘加密在 Android 4.4 中引入,在 Android 5.0 中做了比较大的更新。
本文部分片段摘自 Android 官网,融合笔者的个人理解和知识。
什么是全盘加密
全盘加密是使用已加密的密钥对 Android 设备上的所有用户数据进行编码的过程。设备经过加密后,所有由用户创建的数据在写入磁盘之前都会自动加密,并且所有读取操作都会在将数据返回给调用进程之前自动解密数据。
Android 5.0 中又引入了以下新功能:
创建了快速加密方式,这种加密方式只会对数据分区中已使用的分块进行加密,以免首次启动用时过长。目前只有 EXT4 和 F2FS 文件系统支持快速加密。
添加了 forceencrypt fstab 标记,以便在首次启动时进行加密。
添加了对解锁图案和无密码加密的支持。
添加了由硬件支持的加密密钥存储空间,该空间使用可信执行环境(TEE,例如 TrustZone)的签名功能。
全盘加密运作方式
Android 全盘加密基于在块设备层运行的内核功能 dm-crypt。因此,这种加密方式适用于以块设备的形式呈现给内核的嵌入式多媒体卡 (eMMC) 和类似闪存设备。YAFFS 会直接与原始 NAND 闪存芯片交互,无法进行全盘加密。
全盘加密采用的是 128 位高级加密标准 (AES) 算法(搭配密码块链接 (CBC) 和 ESSIV:SHA256)。对主密钥进行加密时使用的是 128 位 AES 算法,并会调用 OpenSSL 库。对于该密钥,您必须使用 128 位或更多位(可以选择 256 位)。
Android 5.0 版中有以下 4 种加密状态:
默认
PIN 码
密码
解锁图案
首次启动时,设备会创建一个随机生成的 128 位主密钥,然后会使用默认密码和存储的盐对其进行哈希处理。默认密码是“default_password”。不过,设备还会通过 TEE(例如 TrustZone)为生成的哈希签名。TEE 会使用相应签名的哈希来加密主密钥。
您可以在 Android 开放源代码项目 cryptfs.c 文件中找到定义的默认密码。
当用户在设备上设置 PIN 码/通行码或密码时,只有 128 位的密钥会被重新加密并存储起来(也就是说,更改用户 PIN 码/通行码/解锁图案不会导致重新加密用户数据)。请注意,受管理的设备可能受 PIN 码、解锁图案或密码限制。
加密操作由 init 和 vold 管理。 init 负责调用 vold,然后 vold 会设置相关属性以触发 init 中的事件。系统的其他部分也会查看这些属性以执行各项任务,例如报告状态、提示输入密码,或有严重错误发生时提示恢复出厂设置。为了调用 vold 中的加密功能,系统会使用命令行工具 vdc 的 cryptfs 命令:checkpw、restart、enablecrypto、changepw、cryptocomplete、verifypw、setfield、getfield、mountdefaultencrypted、getpwtype、getpw 以及 clearpw。
要加密、解密或清空 /data,/data 不得处于装载状态。但要显示任何界面,框架都必须启动,而框架需要 /data 才能运行。为了解决这一冲突,/data 上会装载一个临时文件系统。通过该文件系统,Android 可以提示输入密码、显示进度或根据需要建议清除数据。不过,该文件系统会带来以下限制:要从临时文件系统切换到实际的 /data 文件系统,系统必须停止临时文件系统中打开了文件的所有进程,并在实际的 /data 文件系统中重启这些进程。为此,所有服务都必须位于以下其中一个组内:core、main 和 late_start。
core:启动后一直不会关闭。
main:关闭,然后在用户输入磁盘密码后会重启。
late_start:在 /data 未解密并装载之前,一直不会启动。
为了触发这些操作,vold.decrypt 属性会被设为多种字符串。要结束和重启服务,请使用以下 init 命令:
class_reset:停止相应服务,但允许通过 class_start 重启该服务。
class_start:重启相应服务。
class_stop:停止相应服务并添加 SVC_DISABLED 标记。被停止的服务不会对。
class_start 做出响应。
加密流程和启动流程
使用 forceencrypt 加密新设备
这是 Android 5.0 设备首次启动时的常规流程。
检测带有 forceencrypt 标记的未加密文件系统
/data 未加密,但需要加密,因为 forceencrypt 强制要求进行此项加密。卸载 /data。
开始加密 /data
vold.decrypt = “trigger_encryption” 会触发 init.rc,从而使 vold 对 /data 进行无密码加密。(因为这应该是新设备,还没有设置密码。)
装载 tmpfs
vold 会装载一个 tmpfs /data(使用 ro.crypto.tmpfs_options 中的 tmpfs 选项),并会将 vold.encrypt_progress 属性设为 0。 vold 会准备 tmpfs /data 以便启动已加密的系统,并会将 vold.decrypt 属性设为 trigger_restart_min_framework
启动框架以显示进度
由于设备上几乎没有要加密的数据,加密过程很快就会完成,因此实际上通常并不会显示进度条。如需关于进度界面的更多详细信息,请参阅加密现有设备。
/data 加密后,关闭框架
vold 会将 vold.decrypt 设为 trigger_default_encryption,这会启动 defaultcrypto 服务。(这会启动以下流程来装载默认的已加密用户数据。)trigger_default_encryption 会检查加密类型,以了解 /data 加密是否使用了密码。由于 Android 5.0 设备是在首次启动时加密,应该没有设置任何密码,因此我们要解密并装载 /data。
装载 /data
接下来,init 会使用从 ro.crypto.tmpfs_options(在 init.rc 中设置)中选取的参数在 tmpfs RAMDisk 中装载 /data。
启动框架
将 vold 设为 trigger_restart_framework,这会继续常规启动过程。
启动未进行默认加密的已加密设备
当您启动设有密码的已加密设备时,则会发生该流程。设备的密码可以是 PIN 码、解锁图案或密码。
检测设有密码的已加密设备
会发现 Android 设备已加密,因为设置了 ro.crypto.state = “encrypted” 标记
由于 /data 是使用密码加密的,因此 vold 会将 vold.decrypt 设为 trigger_restart_min_framework。
装载 tmpfs
init 会设置 5 个属性,以保存为 /data(包含从 init.rc 传入的参数)提供的初始装载选项。 vold 会使用这些属性来设置加密映射:
ro.crypto.fs_type
ro.crypto.fs_real_blkdev
ro.crypto.fs_mnt_point
ro.crypto.fs_options
ro.crypto.fs_flags (ASCII 码 8 位十六进制数字,以 0x 开头)
启动框架以提示输入密码
框架会启动并看到 vold.decrypt 已设为 trigger_restart_min_framework。这让框架知道自己是在 tmpfs /data 磁盘中启动的,并且需要获取用户密码。
不过,它首先需要确认磁盘是否已经过适当加密。它会向 vold 发送 cryptfs cryptocomplete 命令。 如果加密已成功完成,vold 会返回 0;如果发生内部错误,则会返回 -1;如果加密未成功完成,则会返回 -2。vold 通过查看 CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS 标记的加密元数据来确定应返回的值。如果设置了此标记,则表示加密过程中断了,并且设备上没有可用的数据。如果 vold 返回错误,界面中应显示一条消息,提示用户重新启动设备并将其恢复出厂设置,并且界面中应为用户提供一个用于执行该操作的按钮。
通过密码解密数据
cryptfs cryptocomplete 成功后,框架会显示一个界面,提示用户输入磁盘密码。界面会向 vold 发送 cryptfs checkpw 命令来检查用户输入的密码。如果密码正确(通过以下方式判定:在临时位置成功装载已解密的 /data,然后将其卸载),vold 会将已解密块设备的名称保存在 ro.crypto.fs_crypto_blkdev 属性中,并向界面返回状态 0。如果密码不正确,则向界面返回 -1。
停止框架
界面会显示加密启动图形,然后使用 cryptfs restart 命令调用 vold。vold 会将 vold.decrypt 属性设为 trigger_reset_main,这会使 init.rc 执行 class_reset main 命令。此命令会停止 main 类中的所有服务,以便卸载 tmpfs /data。
装载 /data
然后,vold 会装载已解密的实际 /data 分区,并准备新的分区(如果加密时采用了首次发布不支持的数据清除选项,则可能永远无法准备就绪)。它会将 vold.post_fs_data_done 属性设为 0,接着将 vold.decrypt 设为 trigger_post_fs_data。这会使 init.rc 运行其 post-fs-data 命令。这些命令会创建所有必要的目录或链接,然后将 vold.post_fs_data_done 设为 1。当 vold 看到该属性中的 1 时,会将 vold.decrypt 属性设为 trigger_restart_framework。这会使 init.rc 再次启动 main 类中的服务,并启动 late_start 类中的服务(这是设备启动后首次启动这些服务)。
启动整个框架
现在,框架会使用已解密的 /data 文件系统启动其所有服务,接下来系统就可以使用了。
代码解读
结合上章节的流程,下面用代码来解析启动未进行默认加密的已加密设备这个流程。
# Android fstab file.#<src> <mnt_point> <type> ...... /dev/block/platform/soc.0/f9824900.sdhci/by-name/userdata /data ext4 noatime,nosuid,nodev,barrier=1,data=ordered,nomblk_io_submit,noauto_da_alloc,errors=panic wait,check,fileencryption ......defaults这个配置定义在 device/lge/bullhead/fstab_fbe.bullhead 文件中。
如上面的代码,在 /data 的末尾加上 fileencryption,便会进行全盘加密。
步骤1:检测设有密码的已加密设备
//设置ro.crypto.state标记,手机已被用户加密static int do_mount_all(const std::vector<std::string>& args) { ...... if (ret == FS_MGR_MNTALL_DEV_NEEDS_ENCRYPTION) { ActionManager::GetInstance().QueueEventTrigger("encrypt"); } else if (ret == FS_MGR_MNTALL_DEV_MIGHT_BE_ENCRYPTED) { // 全盘加密,ro.crypto.state = encrypted, ro.crypto.type = block property_set("ro.crypto.state", "encrypted"); property_set("ro.crypto.type", "block"); //发送vdc 命令 defaultcrypto ActionManager::GetInstance().QueueEventTrigger("defaultcrypto"); ...... } else if (ret == FS_MGR_MNTALL_DEV_FILE_ENCRYPTED) { if (e4crypt_install_keyring()) { return -1; } property_set("ro.crypto.state", "encrypted"); property_set("ro.crypto.type", "file"); ...... return ret;}这个方法定义在文件 system/core/init/builtins.cpp 中。
# One shot invocation to deal with encrypted volume.# do_mount_all 中写入命令 defaultcrypto,执行 vdc 发送命令 mountdefaultencryptedon defaultcrypto exec - root -- /system/bin/vdc --wait cryptfs mountdefaultencrypted # vold will set vold.decrypt to trigger_restart_framework (default # encryption) or trigger_restart_min_framework (other encryption)# One shot invocation to encrypt unencrypted volumeson encrypt start surfaceflinger exec - root -- /system/bin/vdc --wait cryptfs enablecrypto inplace default noui # vold will set vold.decrypt to trigger_restart_framework (default # encryption)这个服务定义在文件 system/vold/vdc.rc 中。
int CryptCommandListener::CryptfsCmd::runCommand(SocketClient *cli, int argc, char **argv) { ...... } else if (subcommand == "mountdefaultencrypted") { ...... //执行cryptfs_mount_default_encrypted std::thread(&cryptfs_mount_default_encrypted).detach(); } ......}这个方法定义在文件 vold/CryptCommandListener.cpp 中。
int cryptfs_mount_default_encrypted(void){ int crypt_type = cryptfs_get_password_type(); ...... } else if (crypt_type != CRYPT_TYPE_DEFAULT) { SLOGD("Password is not default - " "starting min framework to prompt"); //不是默认加密, 设置 vold.decrypt = trigger_restart_min_framework property_set("vold.decrypt", "trigger_restart_min_framework"); return 0; } else if (cryptfs_check_passwd(DEFAULT_PASSWORD) == 0) { ......这个方法定义在文件 system/vold/cryptfs.c 中。
#属性vold.decrypt==trigger_restart_min_framework 时执行on property:vold.decrypt=trigger_restart_min_framework # A/B update verifier that marks a successful boot. exec - root -- /system/bin/update_verifier trigger_restart_min_framework class_start main这个服务定义在服务 system/core/rootdir/init.rc 中。
class_start main 可知重启 main 类别的服务。main 类别的服务包括:
会重启 zygote。
步骤2:装载 tmpfs
Zygote 启动后,会 fork() system_process 进程,就是运行 SystemServer 代码了。但是 system_process 的运行需要正常的用户空间(/data),所以,需要临时挂载 tmpfs 分区,这个分区是在内存里分配的临时空间。
int CommandListener::StorageCmd::runCommand(SocketClient *cli, int argc, char **argv) { ...... if (!strcmp(argv[1], "mountall")) { if (argc != 2) { cli->sendMsg(ResponseCode::CommandSyntaxError, "Usage: mountall", false); return 0; } // 挂载所有设备 fs_mgr_mount_all(fstab); cli->sendMsg(ResponseCode::CommandOkay, "Mountall ran successfully", false); return 0; }这个方法定义在文件 system/vold/CommandListener.cpp 中。
int fs_mgr_mount_all(struct fstab *fstab){ ...... bool wiped = partition_wiped(fstab->recs[top_idx].blk_device); //挂载 tmpfs 临时分区 if (fs_mgr_do_tmpfs_mount(fstab->recs[attempted_idx].mount_point) < 0) { ++error_count; continue; } //全盘加密 encryptable = FS_MGR_MNTALL_DEV_MIGHT_BE_ENCRYPTED; ......}这个方法定义在文件 system/core/fs_mgr/fs_mgr.c 中。
步骤3:启动框架以提示输入密码
这个方法定义在文件frameworks/base/services/java/com/android/server/SystemServer.java 中。
private PackageParser.Package scanPackageLI(File scanFile, int parseFlags, int scanFlags, long currentTime, UserHandle user) throws PackageManagerException { if (DEBUG_INSTALL) Slog.d(TAG, "Parsing: " + scanFile); PackageParser pp = new PackageParser(); pp.setSeparateProcesses(mSeparateProcesses); // 设置仅解析 core app only, pp.setOnlyCoreApps(mOnlyCore); .....}这个方法定义在文件 frameworks/base/services/core/java/com/android/server/pm/PackageManagerService.java 中
private Package parseClusterPackage(File packageDir, int flags) throws PackageParserException { final PackageLite lite = parseClusterPackageLite(packageDir, 0); // 如果不是 !lite.coreApp, 跳过该 app,即启动时,不会安装该app if (mOnlyCoreApps && !lite.coreApp) { throw new PackageParserException(INSTALL_PARSE_FAILED_MANIFEST_MALFORMED, "Not a coreApp: " + packageDir); }这个方法定义在文件 frameworks/base/core/java/android/content/pm/PackageParser.java 中。
安卓中定义为 coreApp 的应用有:
Framework-res.apk 的 manifest 配置文件如下:
步骤4:通过密码解密数据
这个过程不再阐述。
步骤5:停止框架
#重启 main 类别服务on property:vold.decrypt=trigger_reset_main class_reset main这个 setion 定义在文件 system/core/rootdir/init.rc 中。
步骤6:装载 /data
static int do_mount_all(const std::vector<std::string>& args) { pid_t pid; ..... // if (ret == FS_MGR_MNTALL_DEV_NEEDS_ENCRYPTION) { // 发送 encrypt 事件到 vdc ActionManager::GetInstance().QueueEventTrigger("encrypt"); } else if .....}这个方法定义在文件 system/core/init/builtins.cpp 中。
on encrypt start surfaceflinger exec - root -- /system/bin/vdc --wait cryptfs enablecrypto inplace default noui # vold will set vold.decrypt to trigger_restart_framework (default # encryption)这个 setion 定义在文件 system/vold/vdc.rc 中。
on encrypt start surfaceflinger #发送命令 enablecrypto 到 vold exec - root -- /system/bin/vdc --wait cryptfs enablecrypto inplace default noui # vold will set vold.decrypt to trigger_restart_framework (default # encryption)这个 setion 定义在文件 system/vold/vdc.rc 中。
int CryptCommandListener::CryptfsCmd::runCommand(SocketClient *cli, int argc, char **argv) { } else if (subcommand == "cryptocomplete") { if (!check_argc(cli, subcommand, argc, 2, "")) return 0; dumpArgs(argc, argv, -1); rc = cryptfs_crypto_complete(); // 命令是 enablecrypto } else if (subcommand == "enablecrypto") { ..... // Spawn as thread so init can issue commands back to vold without // causing deadlock, usually as a result of prep_data_fs. char* arg2 = argc > 2 ? strdup(argv[2]) : NULL; char* arg4 = argc > 4 ? strdup(argv[4]) : NULL; // 执行 do_enablecrypto 方法 std::thread(&do_enablecrypto, arg2, arg4, type, no_ui).detach();}这个方法定义在文件 system/vold/CryptCommandListener.cpp 中。
static int do_enablecrypto(char* arg2, char* arg4, int type, bool no_ui) { int rc; int tries; for (tries = 0; tries < 2; ++tries) { // 不是默认加密,运行方法 cryptfs_enable() if (type == CRYPT_TYPE_DEFAULT) { rc = cryptfs_enable_default(arg2, no_ui); } else { rc = cryptfs_enable(arg2, type, arg4, no_ui); } ..... return -1;}这个方法定义在文件 system/vold/CryptCommandListener.cpp 中。
int cryptfs_enable(char *howarg, int type, char *passwd, int no_ui){ return cryptfs_enable_internal(howarg, type, passwd, no_ui);}这个方法定义在文件 system/vold/cryptfs.c 中。
int cryptfs_enable_internal(char *howarg, int crypt_type, char *passwd, int no_ui){ if (prep_data_fs()) { goto error_shutting_down; }}这个方法定义在文件 system/vold/cryptfs.c 中。
static int prep_data_fs(void){ property_set("vold.post_fs_data_done", "0"); // 设置 vold.decrypt = trigger_post_fs_data,触发 init.rc property_set("vold.decrypt", "trigger_post_fs_data"); SLOGD("Just triggered post_fs_data\n"); for (i=0; i<DATA_PREP_TIMEOUT; i++) { char p[PROPERTY_VALUE_MAX]; // 等待 init 设置 vold.post_fs_data_done = 1 property_get("vold.post_fs_data_done", p, "0"); if (*p == '1') { break; } else { usleep(50000); } }}这个方法定义在文件 system/vold/cryptfs.c 中。
on property:vold.decrypt=trigger_post_fs_data
trigger post-fs-data
这个 setion 定义在文件 system/core/rootdir/init.rc 中。
#创建/data 子目录和链接,启动服务on post-fs-data # We chown/chmod /data again so because mount is run as root + defaults chown system system /data chmod 0771 /data # We restorecon /data in case the userdata partition has been reset. restorecon /data # start debuggerd to make debugging early-boot crashes easier. start debuggerd start debuggerd64 #task4597305 added by xiwu.peng to output logcat to uart start logcat2uart # Make sure we have the device encryption key. start vold installkey /data # Start bootcharting as soon as possible after the data partition is # mounted to collect more data. mkdir /data/bootchart 0755 shell shell bootchart_init ..... mkdir /data/system_de 0770 system system mkdir /data/system_ce 0770 system system mkdir /data/misc_de 01771 system misc mkdir /data/misc_ce 01771 system misc mkdir /data/user 0711 system system mkdir /data/user_de 0711 system system symlink /data/data /data/user/0 mkdir /data/media 0770 media_rw media_rw mkdir /data/media/obb 0770 media_rw media_rw init_user0 # If there is no fs-post-data action in the init.<device>.rc file, you # must uncomment this line, otherwise encrypted filesystems # won't work. # Set indication (checked by vold) that we have finished this action #setprop vold.post_fs_data_done 1这个 setion 定义在文件 system/core/rootdir/init.rc 中。
static int cryptfs_restart_internal(int restart_main){ // init 做完 post-fs-data,继续往下执行代码 if (prep_data_fs()) { return -1; } //init 做完 post-fs-data, vold 将 vold.decrypt 设为 trigger_restart_framework, 触发init property_set("vold.decrypt", "trigger_restart_framework");}这个方法定义在文件 system/vold/cryptfs.c 中。
#重启所有服务on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework # A/B update verifier that marks a successful boot. exec - root -- /system/bin/update_verifier trigger_restart_framework class_start main class_start late_start步骤7:启动整个框架
vold.decrypt = trigger_restart_framework, framework 就可以正常启动了。
加密属性
vold 和 init 之间通过设置属性进行通信。下面列出了可用的加密属性。
vold 属性
属性 说明
vold.decrypt trigger_encryption 以无密码方式加密存储卷。
vold.decrypt trigger_default_encryption 检查存储卷是否采用了无密码加密。如果是,则解密并装载存储卷;如果不是,则将 vold.decrypt 设为 trigger_restart_min_framework。
vold.decrypt trigger_reset_main 由 vold 设置,用于关闭提示输入磁盘密码的界面。
vold.decrypt trigger_post_fs_data 由 vold 设置,用于准备具有必要目录等内容的 /data。
vold.decrypt trigger_restart_framework 由 vold 设置,用于启动实际框架和所有服务。
vold.decrypt trigger_shutdown_framework 由 vold 设置,用于关闭整个框架以开始加密。
vold.decrypt trigger_restart_min_framework 由 vold 设置,用于启动加密进度条界面或提示输入密码,具体取决于 ro.crypto.state 的值。
vold.encrypt_progress 框架启动时,如果设置了此属性,则会进入进度条界面模式。
vold.encrypt_progress 0 to 100 进度条界面中应按照设置显示百分比值。
vold.encrypt_progress error_partially_encrypted 进度条界面中应显示一条消息,告诉用户加密失败,并且界面中应为用户提供一个用于将设备恢复出厂设置的按钮。
vold.encrypt_progress error_reboot_failed 进度条界面中应显示一条消息,告诉用户加密已完成,并且界面中应为用户提供一个用于重新启动设备的按钮。此错误不应发生。
vold.encrypt_progress error_not_encrypted 进度条界面中应显示一条消息,告诉用户发生错误,没有已加密的数据或数据已丢失,并且界面中应为用户提供一个用于重新启动系统的按钮。
vold.encrypt_progress error_shutting_down 进度条界面未运行,因此不清楚谁将响应此错误。在任何情况下,都不应发生此错误。
vold.post_fs_data_done 0 由 vold 在将 vold.decrypt 设为 trigger_post_fs_data 的前一刻设置。
vold.post_fs_data_done 1 由 init.rc 或 init.rc 在完成 post-fs-data 任务之后立即设置。
init 属性
属性 说明
ro.crypto.fs_crypto_blkdev 由 vold 命令 checkpw 设置,供 vold 命令 restart 以后使用。
ro.crypto.state unencrypted 由 init 设置,用于说明相应系统正在未加密的 /data ro.crypto.state encrypted 中运行。由 init 设置,用于说明相应系统正在已加密的 /data 中运行。
ro.crypto.fs_type
ro.crypto.fs_real_blkdev
ro.crypto.fs_mnt_point
ro.crypto.fs_options
ro.crypto.fs_flags
这 5 个属性由 init 在尝试装载 /data(包含从 init.rc 传入的参数)时设置。vold 会使用这些属性来设置加密映射。
ro.crypto.tmpfs_options 由 init.rc 设置,包含 init 在装载 tmpfs /data 文件系统时应使用的选项。
init 操作
on post-fs-data
on nonencrypted
on property:vold.decrypt=trigger_reset_main
on property:vold.decrypt=trigger_post_fs_data
on property:vold.decrypt=trigger_restart_min_framework
on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
on property:vold.decrypt=trigger_shutdown_framework
on property:vold.decrypt=trigger_encryption
on property:vold.decrypt=trigger_default_encryption.
Android 全盘加密分析到此为止。
以上这篇Android加密之全盘加密详解就是小编分享给大家的全部内容了,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持。
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