Módulo criptográfico de GKI certificado de FIPS 140-3

El kernel de GKI incluye un módulo de kernel de Linux llamado fips140.ko que cumple con los requisitos de FIPS 140-3 para módulos de software criptográficos. Este módulo se puede enviar para la certificación FIPS si el producto que ejecuta el kernel de GKI lo requiere.

En particular, se deben cumplir los siguientes requisitos de FIPS 140-3 antes de que se puedan usar las rutinas criptográficas:

• El módulo debe verificar su propia integridad antes de poner a disposición los algoritmos criptográficos.
• El módulo debe ejercitar y verificar sus algoritmos criptográficos aprobados con autoevaluaciones de respuesta conocida antes de ponerlos a disposición.

Por qué un módulo de kernel independiente

La validación de FIPS 140-3 se basa en la idea de que, una vez que se certifica un módulo basado en software o hardware, nunca se cambia. Si se cambia, se debe volver a certificar. Esto no coincide fácilmente con los procesos de desarrollo de software que se usan en la actualidad y, como resultado de este requisito, los módulos de software FIPS suelen diseñarse para enfocarse lo más posible en los componentes criptográficos, de modo que los cambios que no estén relacionados con la criptografía no requieran una reevaluación de la criptografía.

El kernel de GKI está diseñado para actualizarse con regularidad durante toda su vida útil admitida. Esto hace que sea imposible que todo el kernel esté dentro del límite del módulo FIPS, ya que ese módulo debería volver a certificarse con cada actualización del kernel. Definir el "módulo FIPS" como un subconjunto de la imagen del kernel mitigaría este problema, pero no lo resolvería, ya que el contenido binario del "módulo FIPS" seguiría cambiando con mucha más frecuencia de la necesaria.

Antes de la versión de kernel 6.1, otra consideración era que GKI se compilaba con LTO (optimización de tiempo de vinculación) habilitado, ya que LTO era un requisito previo para la integridad del flujo de control, que es una función de seguridad importante.

Por lo tanto, todo el código que está cubierto por los requisitos de FIPS 140-3 se empaqueta en un módulo de kernel independiente fips140.ko que solo depende de las interfaces estables expuestas por la fuente del kernel de GKI desde la que se compiló. Esto significa que el módulo se puede usar con diferentes versiones de GKI de la misma generación y que se debe actualizar y volver a enviar para la certificación solo si se corrigieron problemas en el código que contiene el módulo.

Cuándo usar el módulo

El kernel de GKI contiene código que depende de las rutinas criptográficas que también se empaquetan en el módulo de kernel de FIPS 140-3. Por lo tanto, las rutinas criptográficas integradas no se quitan del kernel de GKI, sino que se copian en el módulo. Cuando se carga el módulo, las rutinas criptográficas integradas se anulan en el registro de la CryptoAPI de Linux y se reemplazan por las que contiene el módulo.

Esto significa que el módulo fips140.ko es completamente opcional y solo tiene sentido implementarlo si la certificación FIPS 140-3 es un requisito. Más allá de eso, el módulo no proporciona capacidades adicionales, y cargarlo de forma innecesaria solo afectará el tiempo de arranque, sin proporcionar ningún beneficio.

Cómo implementar el módulo

El módulo se puede incorporar a la compilación de Android con los siguientes pasos:

• Agrega el nombre del módulo a BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES. Esto hace que el módulo se copie en el disco RAM del proveedor.
• Agrega el nombre del módulo a BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES_LOAD. Esto hace que el nombre del módulo se agregue a modules.load en el destino. modules.load contiene la lista de módulos que carga init cuando se inicia el dispositivo.

La autoevaluación de integridad

El módulo de kernel de FIPS 140-3 toma el resumen HMAC-SHA256 de sus propias secciones .code y .rodata en el momento de la carga del módulo y lo compara con el resumen registrado en el módulo. Esto ocurre después de que el cargador de módulos de Linux ya haya realizado las modificaciones habituales, como el procesamiento de la reubicación de ELF y la aplicación de alternativas para las erratas de la CPU a esas secciones. Se realizan los siguientes pasos adicionales para garantizar que el resumen se pueda reproducir correctamente:

• Las reubicaciones de ELF se conservan dentro del módulo para que se puedan aplicar en sentido inverso a la entrada del HMAC.
• El módulo revierte cualquier parche de código que haya realizado el kernel para la pila de llamadas de sombra dinámica. En particular, el módulo reemplaza cualquier instrucción que inserte o quite de la pila de llamadas de sombra con las instrucciones del código de autenticación de puntero (PAC) que estaban presentes originalmente.
• Se inhabilitan todos los demás parches de código para el módulo, incluidas las claves estáticas y, por lo tanto, los puntos de seguimiento, así como los hooks del proveedor.

Las autoevaluaciones de respuesta conocida

Cualquier algoritmo implementado que esté cubierto por los requisitos de FIPS 140-3 debe realizar una autoevaluación de respuesta conocida antes de usarse. Según la guía de implementación de FIPS 140-3 10.3.A, un solo vector de prueba por algoritmo que use cualquiera de las longitudes de clave admitidas es suficiente para los algoritmos de cifrado, siempre que se prueben la encriptación y la desencriptación.

La CryptoAPI de Linux tiene una noción de prioridades de algoritmos, en la que pueden coexistir varias implementaciones (como una que usa instrucciones criptográficas especiales y una alternativa para las CPUs que no implementan esas instrucciones) del mismo algoritmo. Por lo tanto, es necesario probar todas las implementaciones del mismo algoritmo. Esto es necesario porque la CryptoAPI de Linux permite que se omita la selección basada en la prioridad y que se seleccione un algoritmo de menor prioridad.

Algoritmos incluidos en el módulo

Todos los algoritmos que se incluyen en el módulo de FIPS 140-3 se enumeran de la siguiente manera. Esto se aplica a las ramas del kernel android12-5.10, android13-5.10, android13-5.15, android14-5.15, android14-6.1 y android15-6.6, aunque las diferencias entre las versiones del kernel se indican cuando corresponde.

Algoritmo	Implementaciones	Aprobable	Definición
aes	aes-generic, aes-arm64, aes-ce, biblioteca de AES	Sí	Algoritmo de cifrado en bloque AES simple, sin modo de operación: Se admiten todos los tamaños de clave (128 bits, 192 bits y 256 bits). Todas las implementaciones que no sean la implementación de la biblioteca se pueden componer con un modo de operación a través de una plantilla.
cmac(aes)	cmac (plantilla), cmac-aes-neon, cmac-aes-ce	Sí	AES-CMAC: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla cmac se puede componer con cualquier implementación de aes usando cmac(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
ecb(aes)	ecb (plantilla), ecb-aes-neon, ecb-aes-neonbs, ecb-aes-ce	Sí	AES-ECB: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla ecb se puede componer con cualquier implementación de aes usando ecb(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
cbc(aes)	cbc (plantilla), cbc-aes-neon, cbc-aes-neonbs, cbc-aes-ce	Sí	AES-CBC: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla cbc se puede componer con cualquier implementación de aes usando ctr(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
cts(cbc(aes))	cts (plantilla), cts-cbc-aes-neon, cts-cbc-aes-ce	Sí	AES-CBC-CTS o AES-CBC con robo de texto cifrado: La convención que se usa es CS3; los dos últimos bloques de texto cifrado se intercambian de forma incondicional. Se admiten todos los tamaños de clave AES.La plantilla cts se puede componer con cualquier implementación de cbc usando cts(<cbc(aes)-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
ctr(aes)	ctr (plantilla), ctr-aes-neon, ctr-aes-neonbs, ctr-aes-ce	Sí	AES-CTR: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla ctr se puede componer con cualquier implementación de aes usando ctr(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
xts(aes)	xts (plantilla), xts-aes-neon, xts-aes-neonbs, xts-aes-ce	Sí	AES-XTS: En la versión 6.1 del kernel y versiones anteriores, se admiten todos los tamaños de clave AES; en la versión 6.6 del kernel y versiones posteriores, solo se admiten AES-128 y AES-256. La plantilla xts se puede componer con cualquier implementación de ecb(aes) usando xts(<ecb(aes)-impl>). Las otras implementaciones son independientes. Todas las implementaciones implementan la verificación de clave débil que requiere FIPS; es decir, se rechazan las claves XTS cuyas primeras y segundas mitades son iguales.
gcm(aes)	gcm (plantilla), gcm-aes-ce	No1	AES-GCM: Se admiten todos los tamaños de clave AES. Solo se admiten IV de 96 bits. Al igual que con todos los demás modos AES de este módulo, el llamador es responsable de proporcionar los IV. La plantilla gcm se puede componer con cualquier implementación de ctr(aes) y ghash usando gcm_base(<ctr(aes)-impl>,<ghash-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
sha1	sha1-generic, sha1-ce	Sí	Función hash criptográfica SHA-1
sha224	sha224-generic, sha224-arm64, sha224-ce	Sí	Función hash criptográfica SHA-224: El código se comparte con SHA-256.
sha256	sha256-generic, sha256-arm64, sha256-ce, biblioteca de SHA-256	Sí	Función hash criptográfica SHA-256: Se proporciona una interfaz de biblioteca a SHA-256, además de la interfaz estándar de CryptoAPI. Esta interfaz de biblioteca usa una implementación diferente.
sha384	sha384-generic, sha384-arm64, sha384-ce	Sí	Función hash criptográfica SHA-384: El código se comparte con SHA-512.
sha512	sha512-generic, sha512-arm64, sha512-ce	Sí	Función hash criptográfica SHA-512
sha3-224	sha3-224-generic	Sí	Función hash criptográfica SHA3-224. Solo está presente en la versión 6.6 del kernel y versiones posteriores.
sha3-256	sha3-256-generic	Sí	Igual que el anterior, pero con una longitud de resumen de 256 bits (SHA3-256). Todas las longitudes de resumen usan la misma implementación de Keccak.
sha3-384	sha3-384-generic	Sí	Igual que el anterior, pero con una longitud de resumen de 384 bits (SHA3-384). Todas las longitudes de resumen usan la misma implementación de Keccak.
sha3-512	sha3-512-generic	Sí	Igual que el anterior, pero con una longitud de resumen de 512 bits (SHA3-512). Todas las longitudes de resumen usan la misma implementación de Keccak.
hmac	hmac (plantilla)	Sí	HMAC (código de autenticación de mensajes basado en hash): La plantilla hmac se puede componer con cualquier algoritmo o implementación de SHA usando hmac(<sha-alg>) o hmac(<sha-impl>).
stdrng	drbg_pr_hmac_sha1, drbg_pr_hmac_sha256, drbg_pr_hmac_sha384, drbg_pr_hmac_sha512	Sí	HMAC_DRBG se instancia con la función hash con nombre y con la resistencia a la predicción habilitada: Se incluyen verificaciones de estado. Los usuarios de esta interfaz obtienen sus propias instancias de DRBG.
stdrng	drbg_nopr_hmac_sha1, drbg_nopr_hmac_sha256, drbg_nopr_hmac_sha384, drbg_nopr_hmac_sha512	Sí	Igual que los algoritmos drbg_pr_*, pero con la resistencia a la predicción inhabilitada. El código se comparte con la variante resistente a la predicción. En la versión de kernel 5.10, el DRBG de mayor prioridad es drbg_nopr_hmac_sha256. En la versión de kernel 5.15 y versiones posteriores, es drbg_pr_hmac_sha512.
jitterentropy_rng	jitterentropy_rng	No	El Jitter RNG, ya sea la versión 2.2.0 (versión de kernel 6.1 y versiones anteriores) o la versión 3.4.0 (versión de kernel 6.6 y versiones posteriores). Los usuarios de esta interfaz obtienen sus propias instancias de Jitter RNG. No reutilizan las instancias que usan los DRBG.
xcbc(aes)	xcbc-aes-neon, xcbc-aes-ce	No
xctr(aes)	xctr-aes-neon, xctr-aes-ce	No	Solo está presente en la versión de kernel 5.15 y versiones posteriores.
cbcmac(aes)	cbcmac-aes-neon, cbcmac-aes-ce	No
essiv(cbc(aes),sha256)	essiv-cbc-aes-sha256-neon, essiv-cbc-aes-sha256-ce	No

Compila el módulo desde la fuente

Para Android 14 y versiones posteriores (incluido android-mainline), compila el módulo fips140.ko desde la fuente con los siguientes comandos.

• Compila con Bazel:

  tools/bazel run //common:fips140_dist

• Compila con build.sh (heredado):

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

Estos comandos realizan una compilación completa, incluido el kernel y el módulo fips140.ko con el contenido del resumen HMAC-SHA256 incorporado.

Guía para el usuario final

Guía para el oficial criptográfico

Para operar el módulo de kernel, el sistema operativo debe restringirse a un solo modo de operación. Android lo controla automáticamente con el hardware de administración de memoria en el procesador.

El módulo de kernel no se puede instalar por separado; se incluye como parte del firmware del dispositivo y se carga automáticamente durante el arranque. Solo funciona en un modo de operación aprobado.

El oficial criptográfico puede hacer que las autoevaluaciones se ejecuten en cualquier momento reiniciando el dispositivo.

Guía para el usuario

El usuario del módulo de kernel son otros componentes del kernel que necesitan usar algoritmos criptográficos. El módulo de kernel no proporciona lógica adicional en el uso de los algoritmos y no almacena ningún parámetro más allá del tiempo necesario para realizar una operación criptográfica.

El uso de los algoritmos para el cumplimiento de FIPS se limita a los algoritmos aprobados. Para satisfacer el requisito de "indicador de servicio" de FIPS 140-3, el módulo proporciona una función fips140_is_approved_service que indica si un algoritmo está aprobado.

Errores de autoevaluación

En caso de falla en la autoevaluación, el módulo de kernel hace que el kernel entre en pánico y el dispositivo no continúe con el arranque. Si el reinicio del dispositivo no resuelve el problema, el dispositivo debe iniciarse en modo de recuperación para corregir el problema volviendo a flashear el dispositivo.