Module de chiffrement GKI certifié FIPS 140-3

Le noyau GKI inclut un module de noyau Linux appelé fips140.ko, conforme à la norme FIPS 140-3 relative aux modules logiciels cryptographiques. Ce module peut être soumis à certification FIPS si le produit exécutant le noyau GKI l'exige.

Les exigences FIPS 140-3 suivantes doivent être remplies en particulier avant que les routines de cryptographie puissent être utilisées:

• Le module doit vérifier sa propre intégrité avant de mettre à disposition des algorithmes cryptographiques.
• Le module doit tester et valider ses algorithmes cryptographiques approuvés à l'aide d'autotests à réponse connue avant de les mettre à disposition.

Pourquoi un module de noyau distinct

La certification FIPS 140-3 repose sur l'idée qu'une fois qu'un module logiciel ou matériel est certifié, il n'est jamais modifié. En cas de modification, il doit être recertifié. Cela ne correspond pas facilement aux processus de développement logiciel utilisés aujourd'hui. En raison de cette exigence, les modules logiciels FIPS sont généralement conçus pour être aussi étroitement axés que possible sur les composants cryptographiques, afin de s'assurer que les modifications qui ne sont pas liées à la cryptographie ne nécessitent pas de réévaluation de la cryptographie.

Le noyau GKI est destiné à être mis à jour régulièrement pendant toute sa durée de vie. Il est donc impossible pour l'ensemble du noyau de se trouver dans la limite du module FIPS, car un tel module devrait être recertifié à chaque mise à jour du noyau. Définir le "module FIPS" comme un sous-ensemble de l'image du noyau atténuerait ce problème, mais ne le résoudrait pas, car le contenu binaire du "module FIPS" changerait toujours beaucoup plus fréquemment que nécessaire.

Avant la version 6.1 du kernel, GKI était compilé avec l'optimisation au moment de l'association (LTO, Link Time Optimization) activée, car elle était une condition préalable à l'intégrité de flux de contrôle, une fonctionnalité de sécurité importante.

Par conséquent, tout code couvert par les exigences FIPS 140-3 est empaqueté dans un module de kernel fips140.ko distinct, qui ne s'appuie que sur des interfaces stables exposées par la source du kernel GKI à partir duquel il a été compilé. Cela signifie que le module peut être utilisé avec différentes versions de GKI de la même génération, et qu'il doit être mis à jour et renvoyé pour certification uniquement si des problèmes ont été résolus dans le code porté par le module lui-même.

Quand utiliser le module ?

Le kernel GKI lui-même contient du code qui dépend des routines de cryptographie qui sont également empaquetées dans le module de kernel FIPS 140-3. Par conséquent, les routines de cryptographie intégrées ne sont pas réellement déplacées du noyau GKI, mais copiées dans le module. Lorsque le module est chargé, les routines de cryptographie intégrées sont désenregistrées de la CryptoAPI Linux et remplacées par celles du module.

Cela signifie que le module fips140.ko est entièrement facultatif et qu'il n'est pertinent de le déployer que si la certification FIPS 140-3 est une exigence. En outre, le module ne fournit aucune fonctionnalité supplémentaire, et le charger inutilement ne risque que d'affecter le temps de démarrage, sans aucun avantage.

Déployer le module

Vous pouvez intégrer le module au build Android en procédant comme suit:

• Ajoutez le nom du module à BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES. Le module est alors copié sur le ramdisk du fournisseur.
• Ajoutez le nom du module à BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES_LOAD. Le nom du module est alors ajouté à modules.load sur la cible. modules.load contient la liste des modules chargés par init au démarrage de l'appareil.

Auto-vérification de l'intégrité

Le module de noyau FIPS 140-3 extrait le condensé HMAC-SHA256 de ses propres sections .code et .rodata au moment du chargement du module, et le compare au condensé enregistré dans le module. Cela se produit une fois que le chargeur de module Linux a déjà effectué les modifications habituelles, telles que le traitement de la relocation ELF et le correctif des alternatives pour les erreurs du processeur dans ces sections. Les étapes supplémentaires suivantes sont effectuées pour s'assurer que le récapitulatif peut être reproduit correctement:

• Les réinstallations ELF sont conservées à l'intérieur du module afin qu'elles puissent être appliquées à l'inverse de l'entrée du HMAC.
• Le module inverse tous les correctifs de code effectués par le noyau pour la pile d'appels d'ombre dynamique. Plus précisément, le module remplace toutes les instructions qui poussent ou extraient de la pile d'appels fantômes par les instructions PAC (Pointer Authentication Code) qui étaient présentes à l'origine.
• Tout autre correctif de code est désactivé pour le module, y compris les clés statiques et donc les points de trace, ainsi que les hooks du fournisseur.

Auto-tests à réponse connue

Tous les algorithmes implémentés couverts par les exigences FIPS 140-3 doivent effectuer un autotest à réponse connue avant d'être utilisés. Selon les conseils d'implémentation de la norme FIPS 140-3 10.3.A, un seul vecteur de test par algorithme utilisant l'une des longueurs de clé compatibles est suffisant pour les algorithmes de chiffrement, à condition que le chiffrement et le déchiffrement soient testés.

L'API Linux CryptoAPI comporte une notion de priorité d'algorithme, où plusieurs implémentations (par exemple, une implémentation utilisant des instructions de chiffrement spéciales et une solution de remplacement pour les processeurs qui n'implémentent pas ces instructions) peuvent coexister. Par conséquent, il est nécessaire de tester toutes les implémentations du même algorithme. Cela est nécessaire, car la CryptoAPI Linux permet de contourner la sélection basée sur la priorité et de sélectionner un algorithme de priorité inférieure.

Algorithmes inclus dans le module

Tous les algorithmes inclus dans le module FIPS 140-3 sont listés ci-dessous. Cela s'applique aux branches de noyau android12-5.10, android13-5.10, android13-5.15, android14-5.15, android14-6.1 et android15-6.6. Toutefois, les différences entre les versions de noyau sont indiquées le cas échéant.

Algorithme	Implémentations	Approvable	Définition
aes	aes-generic, aes-arm64, aes-ce, bibliothèque AES	Oui	Chiffrement par bloc AES standard, sans mode de fonctionnement: toutes les tailles de clé (128 bits, 192 bits et 256 bits) sont acceptées. Toutes les implémentations autres que l'implémentation de la bibliothèque peuvent être composées avec un mode de fonctionnement à l'aide d'un modèle.
cmac(aes)	cmac (modèle), cmac-aes-neon, cmac-aes-ce	Oui	AES-CMAC: toutes les tailles de clé AES sont acceptées. Le modèle cmac peut être composé avec n'importe quelle implémentation de aes à l'aide de cmac(<aes-impl>). Les autres implémentations sont autonomes.
ecb(aes)	ecb (modèle), ecb-aes-neon, ecb-aes-neonbs, ecb-aes-ce	Oui	AES-ECB: toutes les tailles de clé AES sont acceptées. Le modèle ecb peut être composé avec n'importe quelle implémentation de aes à l'aide de ecb(<aes-impl>). Les autres implémentations sont autonomes.
cbc(aes)	cbc (modèle), cbc-aes-neon, cbc-aes-neonbs, cbc-aes-ce	Oui	AES-CBC: toutes les tailles de clé AES sont acceptées. Le modèle cbc peut être composé avec n'importe quelle implémentation de aes à l'aide de ctr(<aes-impl>). Les autres implémentations sont autonomes.
cts(cbc(aes))	cts (modèle), cts-cbc-aes-neon, cts-cbc-aes-ce	Oui	AES-CBC-CTS ou AES-CBC avec vol de texte chiffré: la convention utilisée est CS3 ; les deux derniers blocs de texte chiffré sont échangés sans condition. Toutes les tailles de clé AES sont prises en charge. Le modèle cts peut être composé avec n'importe quelle implémentation de cbc à l'aide de cts(<cbc(aes)-impl>).Les autres implémentations sont autonomes.
ctr(aes)	ctr (modèle), ctr-aes-neon, ctr-aes-neonbs, ctr-aes-ce	Oui	AES-CTR: toutes les tailles de clé AES sont acceptées. Le modèle ctr peut être composé avec n'importe quelle implémentation de aes à l'aide de ctr(<aes-impl>). Les autres implémentations sont autonomes.
xts(aes)	xts (modèle), xts-aes-neon, xts-aes-neonbs, xts-aes-ce	Oui	AES-XTS: à partir de la version 6.1 du noyau, toutes les tailles de clé AES sont acceptées. Dans les versions 6.6 et ultérieures, seuls AES-128 et AES-256 sont acceptés. Le modèle xts peut être composé avec n'importe quelle implémentation de ecb(aes) à l'aide de xts(<ecb(aes)-impl>). Les autres implémentations sont autonomes. Toutes les implémentations implémentent la vérification des clés faibles requise par FIPS. Autrement dit, les clés XTS dont la première et la deuxième moitié sont égales sont rejetées.
gcm(aes)	gcm (modèle), gcm-aes-ce	Non1	AES-GCM: toutes les tailles de clé AES sont acceptées. Seuls les IV de 96 bits sont acceptés. Comme pour tous les autres modes AES de ce module, l'appelant est chargé de fournir les vecteurs d'initialisation. Le modèle gcm peut être composé avec n'importe quelle implémentation de ctr(aes) et ghash à l'aide de gcm_base(<ctr(aes)-impl>,<ghash-impl>). Les autres implémentations sont autonomes.
sha1	sha1-generic, sha1-ce	Oui	Fonction de hachage cryptographique SHA-1
sha224	sha224-generic, sha224-arm64, sha224-ce	Oui	Fonction de hachage cryptographique SHA-224: le code est partagé avec SHA-256.
sha256	sha256-generic, sha256-arm64, sha256-ce, bibliothèque SHA-256	Oui	Fonction de hachage cryptographique SHA-256: une interface de bibliothèque est fournie à SHA-256 en plus de l'interface CryptoAPI standard. Cette interface de bibliothèque utilise une implémentation différente.
sha384	sha384-generic, sha384-arm64, sha384-ce	Oui	Fonction de hachage cryptographique SHA-384: le code est partagé avec SHA-512.
sha512	sha512-generic, sha512-arm64, sha512-ce	Oui	Fonction de hachage cryptographique SHA-512
sha3-224	sha3-224-generic	Oui	Fonction de hachage cryptographique SHA3-224. Présent uniquement dans la version 6.6 du kernel ou ultérieure.
sha3-256	sha3-256-generic	Oui	Même que précédemment, mais avec une longueur de condensé de 256 bits (SHA3-256). Toutes les longueurs de condensé utilisent la même implémentation de Keccak.
sha3-384	sha3-384-generic	Oui	Identique à la méthode précédente, mais avec une longueur de condensé de 384 bits (SHA3-384). Toutes les longueurs de récapitulatif utilisent la même implémentation de Keccak.
sha3-512	sha3-512-generic	Oui	Identique à la méthode précédente, mais avec une longueur de condensé de 512 bits (SHA3-512). Toutes les longueurs de condensé utilisent la même implémentation de Keccak.
hmac	hmac (modèle)	Oui	HMAC (keyed-Hash Message Authentication Code): le modèle hmac peut être composé avec n'importe quel algorithme ou implémentation SHA à l'aide de hmac(<sha-alg>) ou hmac(<sha-impl>).
stdrng	drbg_pr_hmac_sha1, drbg_pr_hmac_sha256, drbg_pr_hmac_sha384, drbg_pr_hmac_sha512	Oui	HMAC_DRBG instancié avec la fonction de hachage nommée et avec la résistance à la prédiction activée: les vérifications d'état sont incluses. Les utilisateurs de cette interface obtiennent leurs propres instances DRBG.
stdrng	drbg_nopr_hmac_sha1, drbg_nopr_hmac_sha256, drbg_nopr_hmac_sha384, drbg_nopr_hmac_sha512	Oui	Identique aux algorithmes drbg_pr_*, mais avec la résistance à la prédiction désactivée. Le code est partagé avec la variante résistante aux prédictions. Dans la version 5.10 du kernel, le DRBG de priorité la plus élevée est drbg_nopr_hmac_sha256. Dans les versions de kernel 5.15 et ultérieures, il s'agit de drbg_pr_hmac_sha512.
jitterentropy_rng	jitterentropy_rng	Non	Le Jitter RNG, version 2.2.0 (version du kernel 6.1 ou antérieure) ou version 3.4.0 (version du kernel 6.6 ou ultérieure). Les utilisateurs de cette interface obtiennent leurs propres instances de générateur de nombres aléatoires Jitter. Ils ne réutilisent pas les instances utilisées par les DRBG.
xcbc(aes)	xcbc-aes-neon, xcbc-aes-ce	Non
xctr(aes)	xctr-aes-neon, xctr-aes-ce	Non	Présent uniquement dans la version 5.15 du kernel ou ultérieure.
cbcmac(aes)	cbcmac-aes-neon, cbcmac-aes-ce	Non
essiv(cbc(aes),sha256)	essiv-cbc-aes-sha256-neon, essiv-cbc-aes-sha256-ce	Non

Compiler le module à partir de la source

Pour Android 14 et versions ultérieures (y compris android-mainline), compilez le module fips140.ko à partir de la source à l'aide des commandes suivantes.

• Compilation avec Bazel:

  tools/bazel run //common:fips140_dist

• Compilation avec build.sh (ancienne):

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

Ces commandes effectuent une compilation complète, y compris le noyau et le module fips140.ko avec le contenu du récapitulatif HMAC-SHA256 intégré.

Conseils pour les utilisateurs finaux

Conseils pour les responsables du chiffrement

Pour utiliser le module de noyau, le système d'exploitation doit être limité à un seul mode de fonctionnement de l'opérateur. Android gère automatiquement cela à l'aide du matériel de gestion de la mémoire du processeur.

Le module du kernel ne peut pas être installé séparément. Il est inclus dans le micrologiciel de l'appareil et chargé automatiquement au démarrage. Elle fonctionne uniquement dans un mode de fonctionnement approuvé.

Le responsable de la cryptographie peut exécuter les autotests à tout moment en redémarrant l'appareil.

Conseils pour les utilisateurs

L'utilisateur du module du noyau est un autre composant du noyau qui doit utiliser des algorithmes de cryptographie. Le module du noyau ne fournit pas de logique supplémentaire dans l'utilisation des algorithmes et ne stocke aucun paramètre au-delà du temps nécessaire pour effectuer une opération cryptographique.

L'utilisation des algorithmes à des fins de conformité FIPS est limitée aux algorithmes approuvés. Pour satisfaire à la norme FIPS 140-3 en termes d'indicateurs de service, le module fournit une fonction fips140_is_approved_service qui indique si un algorithme est approuvé.

Erreurs du test automatique

En cas d'échec de l'autotest, le kernel module provoque une panique du kernel et l'appareil ne continue pas le démarrage. Si un redémarrage de l'appareil ne résout pas le problème, l'appareil doit démarrer en mode récupération pour corriger le problème en flashant de nouveau l'appareil.