تشفير البيانات الوصفية

يتوافق الإصدار 7.0 من نظام التشغيل Android والإصدارات الأحدث مع التشفير المستند إلى الملفات (FBE). ويسمح FBE بتشفير الملفات المختلفة باستخدام مفاتيح مختلفة يمكن فتح قفلها بشكل مستقل. تُستخدم هذه المفاتيح لتشفير محتوى الملفات وأسماءها. عند استخدام FBE، لا يتم تشفير المعلومات الأخرى، مثل تنسيقات الأدلة وأحجام الملفات والأذونات وأوقات الإنشاء/التعديل. مجتمعة، تُعرف هذه المعلومات الأخرى باسم بيانات التعريف لنظام الملفات.

وفّر نظام Android 9 إمكانية تشفير البيانات الوصفية. من خلال ميزة "تشفير البيانات الوصفية"، يتم استخدام مفتاح تشفير واحد في وقت التشغيل لتشفير أي محتوى لم يتم تشفيره من خلال ميزة "التشفير من جهة العميل". تتم حماية هذا المفتاح من خلال Keymaster، والذي بدوره محمي من خلال ميزة "التمهيد التحقق منه".

يكون تشفير البيانات الوصفية مفعَّلاً دائمًا على مساحة التخزين القابلة للاستخدام عند تفعيل FBE. يمكن أيضًا تفعيل تشفير البيانات الوصفية في مساحة التخزين الداخلية. إنّ الأجهزة التي تعمل بنظام التشغيل Android 11 أو الإصدارات الأحدث يجب أن يتم تفعيل ميزة تشفير البيانات الوصفية على وحدة التخزين الداخلية فيها.

التنفيذ على وحدة التخزين الداخلية

يمكنك إعداد تشفير البيانات الوصفية على وحدة التخزين الداخلية للأجهزة الجديدة من خلال إعداد نظام ملفات metadata وتغيير التسلسل init وتفعيل تشفير البيانات الوصفية في ملف fstab للجهاز.

المتطلّبات الأساسية

لا يمكن إعداد تشفير بيانات التعريف إلا عند تنسيق قسم البيانات لأول مرة. ونتيجةً لذلك، فإنّ هذه الميزة مخصّصة للأجهزة الجديدة فقط، وبالتالي ليس من الضروري إجراء أي تغييرات عليها.

يتطلّب تشفير البيانات الوصفية تفعيل dm-default-key في النواة. في الإصدار 11 من نظام التشغيل Android والإصدارات الأحدث، يتوافق dm-default-key مع نواة Android الشائعة، الإصدار 4.14 والإصدارات الأحدث. يستخدم هذا الإصدار من dm-default-key إطار عمل تشفير مستقل عن الأجهزة والمورّد يُسمى blk-crypto.

لتفعيل dm-default-key، استخدِم: 

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION=y
CONFIG_FS_ENCRYPTION_INLINE_CRYPT=y
CONFIG_DM_DEFAULT_KEY=y

يستخدم dm-default-key أجهزة التشفير المضمّنة (الأجهزة التي تتشفّر/تفكّ التشفير للبيانات أثناء نقلها إلى جهاز التخزين أو العكس) عند توفّرها. إذا لم تكن تستخدم أجهزة التشفير المضمّن، من الضروري أيضًا تفعيل إجراء احتياطي لواجهة برمجة تطبيقات التشفير في kernel: 

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y

عند عدم استخدام أجهزة التشفير المضمّن، عليك أيضًا تفعيل أي تسريع متاح عبر وحدة المعالجة المركزية (CPU) على النحو الموصى به في مستندات FBE.

في الإصدار 10 من Android والإصدارات الأقدم، لم يكن dm-default-key متوافقًا مع نواة Android الشائعة. وبالتالي، كان الأمر متروكًا للموردين لتنفيذ dm-default-key.

إعداد نظام الملفات للبيانات الوصفية

بما أنّه لا يمكن قراءة أي محتوى في قسم "بيانات المستخدم" إلى أن يتوفّر مفتاح تشفير البيانات الوصفية، يجب أن يخصّص جدول الأقسام قسمًا منفصلاً يُعرف باسم "قسم البيانات الوصفية" لتخزين مجموعات البيانات المتعدّدة لمفتاح التحكم في المفاتيح التي تحمي هذا المفتاح. يجب أن يكون حجم قسم البيانات الوصفية 16 ميغابايت.

ويجب أن يشتمل fstab.hardware على إدخال لنظام ملفات البيانات الوصفية المتوفّر على هذا القسم لتثبيته على /metadata، بما في ذلك علامة formattable لضمان تنسيقه في وقت التشغيل. لا يعمل نظام الملفات f2fs على الأقسام الأصغر حجمًا، لذا ننصحك باستخدام ext4 بدلاً منه. مثلاً: 

/dev/block/bootdevice/by-name/metadata              /metadata          ext4        noatime,nosuid,nodev,discard                          wait,check,formattable

للتأكّد من توفُّر نقطة التثبيت /metadata، أضِف السطر التالي إلى BoardConfig-common.mk: 

BOARD_USES_METADATA_PARTITION := true

التغييرات في تسلسل الإعداد

عند استخدام تشفير البيانات الوصفية، يجب تشغيل vold قبل تثبيت /data. لضمان بدء العملية في وقت مبكر بما يكفي، أضِف الفقرة التالية إلى init.hardware.rc: 

# We need vold early for metadata encryption
on early-fs
    start vold

يجب أن يكون مفتاح التشفير قيد التشغيل وجاهزًا قبل محاولة تثبيت /data.

يجب أن يتضمّن init.hardware.rc تعليمات mount_all التي تعمل على تثبيت /data نفسها في ورقة البيانات on late-fs. قبل هذا السطر، أضِف التوجيه لتنفيذ خدمة wait_for_keymaster: 

on late-fs
   … 
    # Wait for keymaster
    exec_start wait_for_keymaster

    # Mount RW partitions which need run fsck
    mount_all /vendor/etc/fstab.${ro.boot.hardware.platform} --late

تفعيل تشفير البيانات الوصفية

أخيرًا، أضِف keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption إلى عمود fs_mgr_flags في إدخال fstab لملف userdata. على سبيل المثال، قد يبدو سطر fstab الكامل كما يلي: 

/dev/block/bootdevice/by-name/userdata              /data              f2fs        noatime,nosuid,nodev,discard,inlinecrypt latemount,wait,check,fileencryption=aes-256-xts:aes-256-cts:inlinecrypt_optimized,keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption,quota,formattable

تكون خوارزمية تشفير البيانات الوصفية على وحدة التخزين الداخلية هي AES-256-XTS تلقائيًا. ويمكن إلغاء ذلك من خلال ضبط الخيار metadata_encryption، أيضًا في العمود fs_mgr_flags:

  • على الأجهزة التي لا تتضمّن تسريعًا لتشفير AES، يمكن تفعيل تشفير Adiantum من خلال ضبط القيمة metadata_encryption=adiantum.
  • على الأجهزة التي تتيح استخدام مفاتيح ملفوفة بالأجهزة، يمكن جعل مفتاح تشفير البيانات الوصفية مغلفًا بالأجهزة من خلال ضبط metadata_encryption=aes-256-xts:wrappedkey_v0 (أو metadata_encryption=:wrappedkey_v0 مكافئ، لأنّ aes-256-xts هي الخوارزمية التلقائية).

بسبب تغيير واجهة kernel إلى dm-default-key في Android 11، يجب أيضًا التأكد من ضبط القيمة الصحيحة لـ PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL في device.mk. على سبيل المثال، إذا تم تشغيل الجهاز يعمل بالإصدار Android 11 (المستوى 30 لواجهة برمجة التطبيقات)، يجب أن يحتوي device.mk على ما يلي: 

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

يمكنك أيضًا ضبط خاصية النظام التالية لإجبار استخدام واجهة برمجة التطبيقات الجديدة dm-default-key بغض النظر عن مستوى واجهة برمجة التطبيقات للشحن: 

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.crypto.dm_default_key.options_format.version=2

التحقُّق

للتأكّد من تفعيل تشفير البيانات الوصفية وعمل هذا التشفير بشكلٍ صحيح، يمكنك إجراء اختبارات описанَين أدناه. يُرجى أيضًا الانتباه إلى المشاكل الشائعة الموضّحة أدناه.

الاختبارات

ابدأ بتشغيل الأمر التالي للتحقق من تفعيل تشفير البيانات الوصفية على وحدة التخزين الداخلية: 

adb root
adb shell dmctl table userdata

يجب أن تكون النتيجة مشابهة لما يلي:

Targets in the device-mapper table for userdata:
0-4194304: default-key, aes-xts-plain64 - 0 252:2 0 3 allow_discards sector_size:4096 iv_large_sectors

إذا ألغيت إعدادات التشفير التلقائية من خلال ضبط الخيار metadata_encryption في fstab الجهاز، عندئذٍ يختلف الإخراج قليلاً عن الإخراج أعلاه. مثلاً، في حال تفعيل تشفير Adiantum، سيكون الحقل الثالث هو xchacha12,aes-adiantum-plain64 بدلاً من aes-xts-plain64.

بعد ذلك، شغِّل vts_kernel_encryption_test للتحقّق من صحة تشفير البيانات الوصفية وميزة FBE: 

atest vts_kernel_encryption_test

أو:

vts-tradefed run vts -m vts_kernel_encryption_test

المشاكل الشائعة

أثناء الاتصال بـ mount_all الذي يُثبِّت القسم /data المشفَّر بالبيانات الوصفية، ينفِّذ init أداة vdc. تتصل أداة vdc بـ vold عبر binder لإعداد الجهاز المشفَّر بالبيانات الوصفية وتثبيت القسم. خلال مدّة هذا الطلب، يتم حظر init، وسيتم حظر محاولات قراءة أو ضبط سمات init إلى أن تنتهي mount_all. في هذه المرحلة، إذا تم حظر أي جزء من عمل "vold" بشكل مباشر أو غير مباشر عند قراءة نتائج خاصية أو ضبطها، يؤدي ذلك إلى حدوث توقف. من المهم التأكّد من أنّه يمكن لـ vold إكمال عملية قراءة المفاتيح والتفاعل مع Keymaster وتحميل دليل البيانات بدون التفاعل أكثر مع init.

إذا لم يتم تشغيل Keymaster بالكامل عند تشغيل mount_all، لن يردّ علىvold إلى أن يقرأ سمات معيّنة منinit، ما يؤدي إلى حدوث التوقف المفاجئ الموضّح بالضبط. يضمن وضع exec_start wait_for_keymaster فوق دعوة mount_all ذات الصلة كما هو موضّح أنّه يتم تشغيل Keymaster بالكامل مسبقًا، وبالتالي تجنُّب حدوث هذا التوقف المفاجئ.

الإعداد على مساحة التخزين القابلة للاستخدام

بدءًا من نظام التشغيل Android 9، يتم دائمًا تفعيل شكل من أشكال تشفير البيانات الوصفية على مساحة التخزين القابلة للاستخدام عند تفعيل FBE، حتى في حال عدم تفعيل تشفير البيانات الوصفية على وحدة التخزين الداخلية.

في AOSP، هناك طريقتان لتنفيذ تشفير البيانات الوصفية في ميزة "مساحة التخزين القابلة للتخصيص": طريقة متوقّفة نهائيًا تستند إلى dm-crypt وطريقة أحدث تستند إلى dm-default-key. لضمان اختيار التنفيذ الصحيح لجهازك، تأكَّد من ضبط القيمة الصحيحة لملف PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL في device.mk. على سبيل المثال، عند تشغيل الجهاز يعمل بالإصدار Android 11 (المستوى 30 لواجهة برمجة التطبيقات)، يجب أن يحتوي device.mk على: 

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

يمكنك أيضًا ضبط سمات النظام التالية لإجبار استخدام أسلوب التشفير الجديد للبيانات الوصفية المجمّعة (وإصدار سياسة FBE التلقائية الجديد) بغض النظر عن مستوى واجهة برمجة التطبيقات للشحن: 

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.crypto.volume.metadata.method=dm-default-key \
    ro.crypto.dm_default_key.options_format.version=2 \
    ro.crypto.volume.options=::v2

الطريقة الحالية

على الأجهزة التي تعمل بالإصدار 11 من نظام التشغيل Android أو إصدار أحدث، يستخدم التشفير في البيانات الوصفية على مساحة التخزين القابلة للتخصيص وحدة dm-default-key النواة، تمامًا كما هو الحال في مساحة التخزين الداخلية. راجِع المتطلبات الأساسية أعلاه لمعرفة خيارات إعدادات kernel التي يجب تفعيلها. يُرجى العِلم أنّ أجهزة التشفير المضمّنة التي تعمل على وحدة التخزين الداخلية للجهاز قد لا تكون متاحة على وحدة التخزين القابلة للتخصيص، وبالتالي قد يكون مطلوبًا استخدامCONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y.

تلقائيًا، تستخدم طريقة تشفير البيانات الوصفية للوحدة dm-default-key خوارزمية التشفير AES-256-XTS مع قطاعات تشفير بحجم 4096 بايت. يمكن إلغاء الخوارزمية من خلال ضبط قيمة ro.crypto.volume.metadata.encryption لسمة النظام. تحتوي قيمة هذه السمة على بنية الجملة نفسها التي يتضمّنها خيار metadata_encryption fstab الموضّح أعلاه. على سبيل المثال، على الأجهزة التي لا تتضمّن ميزة تسريع التشفير باستخدام مفتاح AES، يمكن تفعيل التشفير باستخدام Adiantum من خلال ضبط القيمة ro.crypto.volume.metadata.encryption=adiantum.

الطريقة القديمة

على الأجهزة التي تعمل بنظام التشغيل Android 10 أو الإصدارات الأقدم، يستخدم تشفير metadata في مساحة التخزين القابلة للتخصيص وحدة kernel dm-crypt بدلاً من dm-default-key: 

CONFIG_DM_CRYPT=y

على عكس طريقة dm-default-key، تؤدي طريقة dm-crypt إلى تشفير محتوى الملف مرتين: مرة باستخدام مفتاح تشفير الملفات المشفَّرة بالكامل ومرة باستخدام مفتاح تشفير البيانات الوصفية. يؤدّي هذا التشفير المزدوج إلى خفض الأداء وهو غير مطلوب لتحقيق أهداف الأمان لتشفير البيانات الوصفية، لأنّ نظام Android يضمن أنّه من الصعب اختراق مفاتيح FBE على الأقل بقدر صعوبة اختراق مفتاح تشفير البيانات الوصفية. يمكن للمورّدين إجراء عمليات تخصيص على النواة لتجنُّب التشفير المزدوج، لا سيما من خلال تطبيق خيار allow_encrypt_override الذي ينقله نظام Android إلى dm-crypt عند ضبط سمة النظام ro.crypto.allow_encrypt_override على true. لا تتوافق هذه التخصيصات مع نواة Android الشائعة.

تستخدِم طريقة تشفير البيانات الوصفية للوحدة dm-crypt تلقائيًا خوارزمية التشفير AES-128-CBC مع تنسيق ESSIV وقطاعات التشفير التي تبلغ 512 بايت. يمكن تجاوز هذه الإعدادات من خلال ضبط خصائص النظام التالية (التي يتم استخدامها أيضًا لميزة "التشفير من جهة العميل"):

  • تختار ro.crypto.fde_algorithm خوارزمية تشفير البيانات الوصفية. الخياران هما aes-128-cbc وadiantum. لا يمكن استخدام Adiantum إلا في حال عدم توفُّر تسريع AES في الجهاز.
  • ro.crypto.fde_sector_size لاختيار حجم قطاع العملات المشفّرة الخيارات هي 512 و1024 و2048 و4096. لتشفير Adiantum، استخدِم 4096.