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

原创 2022-11-06 20:57:15 1w 阅读 AI写同款

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Android Security

zs.w

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Android安全存储：加密文件与SharedPreferences最佳实践在Android应用中实现安全存储需要综合考虑加密算法选择、密钥管理和数据生命周期。对于简单键值对，EncryptedSharedPreferences是最便捷的选择；对于文件或自定义数据结构，需要实现适当的加密方案。无论哪种方法，都应遵循最小权限原则，只保留必要的数据，并确保及时清除不再需要的敏感信息。通过合理应用这些技术，可以显著提升Android应用的数据安全性，保护用户隐私不受侵犯。阅读详情

AI摘要

本文围绕Android文件级加密（FBE）技术展开，介绍其设计概览，包括对用户数据分区目录的安全等级划分、多用户支持等。阐述了FBE需解决的核心技术问题，如安全的密钥管理和高效的I/O。还介绍了FBE架构的两代发展，以及HLOS软件流程，包括Native和Framework软件流程。

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-优快云博客或者 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 ：一般存储一些设备相关，Framework 相关等用户无关的数据。
与用户相关的存储位置：
- Device Encrypted (DE) Storage ：与用户相关的数据，安全性要求一般，在设备启动后以及用户解锁设备后都可以直接访问。
- Credential Encrypted (CE) Storage ：与用户相关的数据，安全性等级高，如果用户设置了锁屏密码，必须在用户解锁设备后这些存储位置的数据才可用。

Android 不同安全等级的存储位置
Unencrypted Storage	System DE Storage		User.0 DE Storage	User.0 CE Storage
/data/lost+found /data/unencrypted /data/media /data/system_ce /data/system_de /data/misc_ce /data/misc_de /data/user /data/user_de /data/vendor_ce /data/vendor_de	/data/misc /data/local /data/vendor /data/property /data/tombstones /data/dalvik-cache /data/resource-cache /data/backup /data/system /data/cache /data/adb /data/anr /data/app	/data/app-asec /data/app-ephemeral /data/app-lib /data/app-private /data/bootchart /data/dpm /data/drm /data/mediadrm /data/nfc /data/ota /data/ota_package /data/ss	/data/system_de/0 /data/misc_de/0 /data/vendor_de/0 /data/user_de/0	/data/system_ce/0 /data/misc_ce/0 /data/vendor_ce/0 /data/media/0 /data/data

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，用户数据的安全性，做到无法解密：

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；
设备主板的 CPU 或者存储器被更换；
软件回滚，软件或固件回滚到存在 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.对不同安全等级的加密存储位置，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 应该是透明的，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

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：