Módulo de criptografia GKI certificável FIPS 140-3

O kernel do GKI inclui um módulo do kernel do Linux chamado fips140.ko, que está em conformidade com os requisitos do FIPS 140-3 para módulos de software criptográfico. Esse módulo pode ser enviado para certificação FIPS se o produto que executa o kernel de GKI precisar dele.

Os seguintes requisitos do FIPS 140-3 precisam ser atendidos antes que as rotinas de criptografia possam ser usadas:

• O módulo precisa verificar a própria integridade antes de disponibilizar algoritmos criptográficos.
• O módulo precisa testar e verificar os algoritmos criptográficos aprovados usando autotestes de resposta conhecida antes de disponibilizá-los.

Por que um módulo de kernel separado

A validação do FIPS 140-3 é baseada na ideia de que, depois que um módulo baseado em software ou hardware é certificado, ele nunca é alterado. Se for alterado, ele precisará ser recertificado. Isso não corresponde prontamente aos processos de desenvolvimento de software em uso atualmente e, como resultado desse requisito, os módulos de software FIPS geralmente são projetados para ter o máximo de foco possível nos componentes criptográficos, para garantir que as alterações não relacionadas à criptografia não exijam uma reavaliação da criptografia.

O kernel de GKI precisa ser atualizado regularmente durante toda a vida útil com suporte. Isso torna inviável que todo o kernel esteja dentro do limite do módulo FIPS, já que esse módulo precisaria ser recertificado em cada atualização do kernel. Definir o "módulo FIPS" como um subconjunto da imagem do kernel atenuaria esse problema, mas não o resolveria, já que o conteúdo binário do "módulo FIPS" ainda mudaria com muito mais frequência que o necessário.

Antes da versão 6.1 do kernel, outra consideração era que o GKI era compilado com LTO (Link Time Optimization) ativado, já que o LTO era um pré-requisito para a integridade de fluxo de controle, que é um recurso de segurança importante.

Portanto, todo o código coberto pelos requisitos do FIPS 140-3 é empacotado em um módulo de kernel separado fips140.ko, que depende apenas de interfaces estáveis expostas pela origem do kernel de GKI de que foi criado. Isso significa que o módulo pode ser usado com diferentes versões do GKI da mesma geração e que ele precisa ser atualizado e reenviado para certificação somente se algum problema foi corrigido no código que é transmitido pelo próprio módulo.

Quando usar o módulo

O próprio kernel de GKI carrega um código que depende das rotinas de criptografia que também estão empacotadas no módulo do kernel do FIPS 140-3. Portanto, as rotinas criptográficas integradas não são movidas para fora do kernel do GKI, mas são copiadas para o módulo. Quando o módulo é carregado, as rotinas criptográficas integradas são desregistradas da Linux CryptoAPI e substituídas pelas que são transmitidas pelo módulo.

Isso significa que o módulo fips140.ko é totalmente opcional e só faz sentido implantá-lo se a certificação FIPS 140-3 for um requisito. Além disso, o módulo não oferece recursos adicionais, e carregá-lo desnecessariamente pode afetar o tempo de inicialização, sem nenhum benefício.

Como implantar o módulo

O módulo pode ser incorporado ao build do Android seguindo estas etapas:

• Adicione o nome do módulo a BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES. Isso faz com que o módulo seja copiado para o ramdisk do fornecedor.
• Adicione o nome do módulo a BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES_LOAD. Isso faz com que o nome do módulo seja adicionado a modules.load no destino. modules.load contém a lista de módulos que são carregados por init quando o dispositivo é inicializado.

A autoverificação de integridade

O módulo do kernel FIPS 140-3 usa o resumo HMAC-SHA256 das próprias seções .code e .rodata no momento do carregamento do módulo e o compara com o resumo registrado no módulo. Isso ocorre depois que o carregador de módulo do Linux já fez as modificações usuais, como o processamento de realocação ELF e correções alternativas para erratas de CPU para essas seções. As etapas a seguir são tomadas para garantir que o resumo possa ser reproduzido corretamente:

• As relocalizações ELF são preservadas dentro do módulo para que possam ser aplicadas de forma inversa à entrada do HMAC.
• O módulo reverte todos os patches de código feitos pelo kernel para a pilha de chamadas de sombra dinâmica. Especificamente, o módulo substitui todas as instruções enviadas ou destacadas da pilha de chamadas paralelas pelas instruções do código de autenticação do ponteiro (PAC, na sigla em inglês) que estavam presentes originalmente.
• Todos os outros ajustes de código são desativados para o módulo, incluindo chaves estáticas e tracepoints, além de hooks de fornecedores.

Os autotestes com respostas conhecidas

Todos os algoritmos implementados que estiverem cobertos pelos requisitos do FIPS 140-3 precisam executar um autoteste de resposta conhecida antes de serem usados. De acordo com a orientação de implementação 10.3.A do FIPS 140-3, um único vetor de teste por algoritmo usando qualquer uma das chaves de tamanhos compatíveis é suficiente para cifras, desde que a criptografia e a descriptografia sejam testadas.

A Linux CryptoAPI tem uma noção de prioridades de algoritmo, em que várias implementações (como uma que usa instruções criptográficas especiais e uma alternativa para CPUs que não implementam essas instruções) do mesmo algoritmo podem coexistir. Portanto, é necessário testar todas as implementações do mesmo algoritmo. Isso é necessário porque a Linux CryptoAPI permite que a seleção com base na prioridade seja ignorada e que um algoritmo de prioridade mais baixa seja selecionado.

Algoritmos incluídos no módulo

Todos os algoritmos incluídos no módulo FIPS 140-3 estão listados abaixo. Isso se aplica aos ramos do kernel android12-5.10, android13-5.10, android13-5.15, android14-5.15, android14-6.1 e android15-6.6, embora as diferenças entre as versões do kernel sejam observadas quando apropriado.

Algoritmo	Implementações	Aprovável	Definição
aes	aes-generic, aes-arm64, aes-ce, biblioteca do AES	Sim	Cifrografia de bloco AES simples, sem modo de operação: todos os tamanhos de chave (128, 192 e 256 bits) são aceitos. Todas as implementações, exceto a da biblioteca, podem ser compostas com um modo de operação usando um modelo.
cmac(aes)	cmac (modelo), cmac-aes-neon, cmac-aes-ce	Sim	AES-CMAC: todos os tamanhos de chave AES são compatíveis. O modelo cmac pode ser composto com qualquer implementação de aes usando cmac(<aes-impl>). As outras implementações são independentes.
ecb(aes)	ecb (modelo), ecb-aes-neon, ecb-aes-neonbs, ecb-aes-ce	Sim	AES-ECB: todos os tamanhos de chave AES são aceitos. O modelo ecb pode ser composto com qualquer implementação de aes usando ecb(<aes-impl>). As outras implementações são independentes.
cbc(aes)	cbc (modelo), cbc-aes-neon, cbc-aes-neonbs, cbc-aes-ce	Sim	AES-CBC: todos os tamanhos de chave AES são aceitos. O modelo cbc pode ser composto com qualquer implementação de aes usando ctr(<aes-impl>). As outras implementações são independentes.
cts(cbc(aes))	cts (modelo), cts-cbc-aes-neon, cts-cbc-aes-ce	Sim	AES-CBC-CTS ou AES-CBC com roubo de texto criptografado: a convenção usada é CS3. Os dois blocos finais de texto criptografado são trocados incondicionalmente. Todos os tamanhos de chave AES são aceitos. O modelo cts pode ser composto com qualquer implementação de cbc usando cts(<cbc(aes)-impl>). As outras implementações são independentes.
ctr(aes)	ctr (modelo), ctr-aes-neon, ctr-aes-neonbs, ctr-aes-ce	Sim	AES-CTR: todos os tamanhos de chave AES são suportados. O modelo ctr pode ser composto com qualquer implementação de aes usando ctr(<aes-impl>). As outras implementações são independentes.
xts(aes)	xts (modelo), xts-aes-neon, xts-aes-neonbs, xts-aes-ce	Sim	AES-XTS: no kernel versão 6.1 e anteriores, todos os tamanhos de chave AES são compatíveis; no kernel versão 6.6 e mais recentes, apenas AES-128 e AES-256 são compatíveis. O modelo xts pode ser composto com qualquer implementação de ecb(aes) usando xts(<ecb(aes)-impl>). As outras implementações são independentes. Todas as implementações implementam a verificação de chave fraca exigida pelo FIPS. Ou seja, as chaves XTS com a primeira e a segunda metade iguais são rejeitadas.
gcm(aes)	gcm (modelo), gcm-aes-ce	Não1	AES-GCM: todos os tamanhos de chave AES são aceitos. Somente IVs de 96 bits são compatíveis. Como em todos os outros modos AES neste módulo, o autor da chamada é responsável por fornecer os IVs. O modelo gcm pode ser composto com qualquer implementação de ctr(aes) e ghash usando gcm_base(<ctr(aes)-impl>,<ghash-impl>). As outras implementações são independentes.
sha1	sha1-generic, sha1-ce	Sim	Função hash criptográfica SHA-1
sha224	sha224-generic, sha224-arm64, sha224-ce	Sim	Função hash criptográfica SHA-224: o código é compartilhado com SHA-256.
sha256	sha256-generic, sha256-arm64, sha256-ce, biblioteca SHA-256	Sim	Função hash criptográfica SHA-256: uma interface de biblioteca é fornecida para SHA-256, além da interface padrão da CryptoAPI. Essa interface de biblioteca usa uma implementação diferente.
sha384	sha384-generic, sha384-arm64, sha384-ce	Sim	Função hash criptográfica SHA-384: o código é compartilhado com o SHA-512.
sha512	sha512-generic, sha512-arm64, sha512-ce	Sim	Função hash criptográfica SHA-512
sha3-224	sha3-224-generic	Sim	Função hash criptográfica SHA3-224. Presente apenas no kernel versão 6.6 e superior.
sha3-256	sha3-256-generic	Sim	Igual ao anterior, mas com comprimento de resumo de 256 bits (SHA3-256). Todos os comprimentos de resumo usam a mesma implementação do Keccak.
sha3-384	sha3-384-generic	Sim	Mesma que a anterior, mas com comprimento de resumo de 384 bits (SHA3-384). Todos os comprimentos de resumo usam a mesma implementação do Keccak.
sha3-512	sha3-512-generic	Sim	Igual ao anterior, mas com comprimento de resumo de 512 bits (SHA3-512). Todos os comprimentos de resumo usam a mesma implementação do Keccak.
hmac	hmac (modelo)	Sim	HMAC (código de autenticação de mensagem de hash com chave): o modelo hmac pode ser composto com qualquer implementação ou algoritmo SHA usando hmac(<sha-alg>) ou hmac(<sha-impl>).
stdrng	drbg_pr_hmac_sha1, drbg_pr_hmac_sha256, drbg_pr_hmac_sha384, drbg_pr_hmac_sha512	Sim	HMAC_DRBG instanciado com a função de hash nomeada e com a resistência à previsão ativada: as verificações de integridade estão incluídas. Os usuários dessa interface recebem as próprias instâncias do DRBG.
stdrng	drbg_nopr_hmac_sha1, drbg_nopr_hmac_sha256, drbg_nopr_hmac_sha384, drbg_nopr_hmac_sha512	Sim	O mesmo que os algoritmos drbg_pr_*, mas com a resistência à previsão desativada. O código é compartilhado com a variante resistente à previsão. Na versão 5.10 do kernel, o DRBG de maior prioridade é drbg_nopr_hmac_sha256. No kernel versão 5.15 e mais recentes, ele é drbg_pr_hmac_sha512.
jitterentropy_rng	jitterentropy_rng	Não	O Jitter RNG, versão 2.2.0 (kernel versão 6.1 e anteriores) ou 3.4.0 (kernel versão 6.6 e mais recentes). Os usuários dessa interface recebem as próprias instâncias de RNG de instabilidade. Elas não reutilizam as instâncias usadas pelos DRBGs.
xcbc(aes)	xcbc-aes-neon, xcbc-aes-ce	Não
xctr(aes)	xctr-aes-neon, xctr-aes-ce	Não	Presente apenas na versão 5.15 e mais recentes do kernel.
cbcmac(aes)	cbcmac-aes-neon, cbcmac-aes-ce	Não
essiv(cbc(aes),sha256)	essiv-cbc-aes-sha256-neon, essiv-cbc-aes-sha256-ce	Não

Criar o módulo da origem

Para o Android 14 e versões mais recentes (incluindo android-mainline), crie o módulo fips140.ko da origem usando os seguintes comandos.

• Crie com o Bazel:

  tools/bazel run //common:fips140_dist

• Criar com build.sh (legado):

  BUILD_CONFIG=common/build.config.gki.aarch64.fips140 build/build.sh

Esses comandos executam um build completo, incluindo o kernel e o módulo fips140.ko com o conteúdo do resumo HMAC-SHA256 incorporado.

Orientações para o usuário final

Orientações do oficial de criptografia

Para operar o módulo do kernel, o sistema operacional precisa ser restrito a um modo de operação de operador único. Isso é processado automaticamente pelo Android usando hardware de gerenciamento de memória no processador.

O módulo do kernel não pode ser instalado separadamente. Ele é incluído como parte do firmware do dispositivo e carregado automaticamente na inicialização. Ele só opera em um modo de operação aprovado.

O oficial de criptografia pode reiniciar o dispositivo a qualquer momento para que os autotestes sejam executados.

Orientação ao usuário

O usuário do módulo do kernel são outros componentes do kernel que precisam usar algoritmos criptográficos. O módulo do kernel não fornece lógica adicional no uso dos algoritmos e não armazena nenhum parâmetro além do tempo necessário para executar uma operação criptográfica.

O uso dos algoritmos para fins de conformidade com o FIPS é limitado a algoritmos aprovados. Para atender ao requisito de "indicador de serviço" do FIPS 140-3, o módulo fornece uma função fips140_is_approved_service que indica se um algoritmo foi aprovado.

Erros de autoteste

Em caso de falha no autoteste, o módulo do kernel causa pânico no kernel e o dispositivo não continua a inicialização. Se uma reinicialização do dispositivo não resolver o problema, ele precisará ser inicializado no modo de recuperação para corrigir o problema com uma nova atualização.