全磁碟加密

全磁碟加密程序是指使用加密金鑰，將 Android 裝置上的所有使用者資料編碼。裝置加密後，所有使用者建立的資料都會在寫入磁碟前自動加密，所有讀取作業也會在將資料傳回呼叫程序前自動解密。

Android 4.4 導入了全磁碟加密功能，而 Android 5.0 則導入了下列新功能：

• 建立快速加密功能，只加密資料分割區中使用的區塊，避免首次啟動耗費大量時間。目前只有 ext4 和 f2fs 檔案系統支援快速加密。
• 新增 forceencrypt fstab 旗標，以便在首次啟動時加密。
• 新增支援模式和加密，無須密碼。
• 使用受信任的執行環境 (TEE) 簽署功能 (例如 TrustZone)，新增加密金鑰的硬體支援儲存空間。詳情請參閱「儲存加密金鑰」。

注意：如果裝置升級至 Android 5.0 後加密，恢復原廠設定即可還原為未加密狀態。如果新 Android 5.0 裝置在首次啟動時加密，就無法還原為未加密狀態。

Android 全磁碟加密的運作方式

Android 全磁碟加密功能是以 dm-crypt 為基礎，這項核心功能會在區塊裝置層運作。因此，加密功能適用於嵌入式多媒體卡 (eMMC)，以及向核心顯示為區塊裝置的類似快閃裝置。YAFFS 會直接與原始 NAND 快閃晶片通訊，因此無法加密。

加密演算法為 128 位元進階加密標準 (AES)，搭配密文區塊鏈結 (CBC) 和 ESSIV:SHA256。主金鑰會透過對 OpenSSL 程式庫的呼叫，以 128 位元 AES 加密。金鑰必須使用 128 位元以上 (256 位元則為選用)。

注意：原始設備製造商可以使用 128 位元以上的金鑰加密主金鑰。

Android 5.0 版本有四種加密狀態：

• 預設
• PIN 碼
• 密碼
• 圖案

首次啟動時，裝置會建立隨機產生的 128 位元主金鑰，然後使用預設密碼和儲存的鹽值雜湊處理該金鑰。預設密碼為「default_password」。不過，產生的雜湊也會透過 TEE (例如 TrustZone) 簽署，這會使用簽章的雜湊來加密主金鑰。

您可以在 Android 開放原始碼專案的 cryptfs.cpp 檔案中找到預設密碼。

使用者在裝置上設定 PIN 碼/密碼或密碼時，系統只會重新加密並儲存 128 位元金鑰。(也就是說，使用者 PIN 碼/密碼/解鎖圖案變更「不會」導致使用者資料重新加密)。請注意，受管理裝置可能會有 PIN 碼、解鎖圖案或密碼限制。

加密作業由「init」和「vold」管理。 init 會呼叫 vold，而 vold 會設定屬性，在 init 中觸發事件。系統的其他部分也會查看這些屬性，以執行工作，例如回報狀態、要求密碼，或在發生重大錯誤時提示恢復原廠設定。如要在 vold 中叫用加密功能，系統會使用指令列工具 vdc 的 cryptfs 指令：checkpw、restart、enablecrypto、changepw、cryptocomplete、verifypw、setfield、getfield、mountdefaultencrypted、getpwtype、getpw 和 clearpw。

如要加密、解密或清除 /data，/data 不得掛接。不過，如要顯示任何使用者介面 (UI)，架構必須啟動，而架構需要 /data 才能執行。為解決這個難題，系統會在 /data 上掛接暫時性檔案系統。這樣一來，Android 就能視需要提示輸入密碼、顯示進度或建議清除資料。但這項做法會帶來限制，也就是說，如要從暫時性檔案系統切換至真正的 /data 檔案系統，系統必須停止所有在暫時性檔案系統中開啟檔案的程序，並在真正的 /data 檔案系統中重新啟動這些程序。如要這麼做，所有服務都必須屬於下列其中一個群組：core、main 和 late_start。

• core：啟動後絕不會關機。
• main：輸入磁碟密碼後，請關機並重新啟動。
• late_start：必須等到 /data 解密並掛接後才會啟動。

如要觸發這些動作，請將 vold.decrypt 屬性設為各種字串。如要終止並重新啟動服務，請使用下列 init 指令：

• class_reset：停止服務，但允許使用 class_start 重新啟動。
• class_start：重新啟動服務。
• class_stop：停止服務並新增 SVC_DISABLED 標記。 停止的服務不會回應 class_start。

Flows

加密裝置有四種流程。裝置只會加密一次，之後會遵循正常的開機流程。

• 加密先前未加密的裝置：
  • 使用 forceencrypt 加密新裝置：首次啟動時強制加密 (Android L 以上版本)。
  • 加密現有裝置：使用者啟動的加密程序 (Android K 和更早版本)。
• 啟動已加密的裝置：
  • 啟動未設定密碼的加密裝置：啟動未設定密碼的加密裝置 (適用於搭載 Android 5.0 以上版本的裝置)。
  • 使用密碼啟動加密裝置：啟動已設定密碼的加密裝置。

除了這些流程外，裝置也可能無法加密 /data。 下文將詳細說明各個流程。

使用 forceencrypt 加密新裝置

這是 Android 5.0 裝置的正常首次開機程序。

1. 使用 forceencrypt 標記偵測未加密的檔案系統

   /data 未加密，但 forceencrypt 強制規定必須加密。卸載 /data。

2. 開始加密 /data

   vold.decrypt = "trigger_encryption" 觸發 init.rc， 導致 vold 加密 /data 時不需密碼。 (由於這應該是新裝置，因此未設定任何 PIN 碼)。

3. 掛接 tmpfs

   vold 會掛接 tmpfs /data (使用 ro.crypto.tmpfs_options 中的 tmpfs 選項)，並將 vold.encrypt_progress 屬性設為 0。vold 會準備 tmpfs /data，以便啟動加密系統，並將 vold.decrypt 屬性設為：trigger_restart_min_framework

4. 顯示架構以查看進度

   由於裝置幾乎沒有資料需要加密，因此進度列不會經常顯示，因為加密作業很快就會完成。如要進一步瞭解進度 UI，請參閱「加密現有裝置」。

5. /data加密時，請拆除架構

   vold 會將 vold.decrypt 設為 trigger_default_encryption，藉此啟動 defaultcrypto 服務。(這會啟動下方流程，掛接預設加密的使用者資料。)trigger_default_encryption 會檢查加密類型，判斷 /data 是否已加密，以及是否需要密碼。由於 Android 5.0 裝置會在首次啟動時加密，因此不應設定密碼；我們會解密並掛接 /data。

6. 安裝 /data

   init，然後使用從 ro.crypto.tmpfs_options 擷取的參數，在 tmpfs RAMDisk 上掛接 /data，而 ro.crypto.tmpfs_options 則是在 init.rc 中設定。

7. 開始架構

   vold 會將 vold.decrypt 設為 trigger_restart_framework，繼續執行一般啟動程序。

加密現有裝置

如果未加密的 Android K 或更早版本裝置已遷移至 L，就會發生這種情況。

這項程序是由使用者啟動，在程式碼中稱為「就地加密」。使用者選取要加密的裝置時，使用者介面會確保電池已充飽電，且已插入 AC 變壓器，因此有足夠的電力完成加密程序。

警告：如果裝置在加密完成前沒電並關機，檔案資料會處於部分加密狀態。裝置必須恢復原廠設定，且所有資料都會遺失。

如要啟用就地加密，vold 會啟動迴圈，讀取實際區塊裝置的每個磁區，然後寫入加密區塊裝置。vold 會先檢查磁區是否正在使用，再讀取及寫入磁區，因此如果新裝置幾乎沒有資料，加密速度會快上許多。

裝置狀態：設定 ro.crypto.state = "unencrypted" 並執行 on nonencrypted init 觸發程序，繼續啟動。

1. 檢查密碼

   使用者介面會使用指令 cryptfs enablecrypto inplace 呼叫 vold，其中 passwd 是使用者的螢幕鎖定密碼。

2. 拆除架構

   vold 會檢查錯誤，如果無法加密，則會傳回 -1，並在記錄中列印原因。如果可以加密，則將 vold.decrypt 屬性設為 trigger_shutdown_framework。這會導致 init.rc 停止 late_start 和 main 類別中的服務。

3. 建立加密頁尾
4. 建立麵包屑檔案
5. 重新啟動
6. 偵測導覽標記檔案
7. 開始加密 /data

   vold 接著會設定加密對應，建立對應至實際區塊裝置的虛擬加密區塊裝置，但會加密寫入的每個磁區，並解密讀取的每個磁區。vold 接著會建立並寫出加密中繼資料。

8. 加密期間，請掛接 tmpfs

   vold 會掛接 tmpfs /data (使用 ro.crypto.tmpfs_options 中的 tmpfs 選項)，並將 vold.encrypt_progress 屬性設為 0。vold 會準備 tmpfs /data，以便啟動加密系統，並將 vold.decrypt 屬性設為：trigger_restart_min_framework

9. 顯示架構以查看進度

   trigger_restart_min_framework 會導致 init.rc 啟動 main 類別的服務。當架構發現 vold.encrypt_progress 設為 0 時，就會顯示進度列 UI，每五秒查詢一次該屬性，並更新進度列。加密迴圈會在每次加密分區的另一個百分比時更新 vold.encrypt_progress。

10. 如果 /data 已加密，請更新加密頁尾

    成功加密 /data 後，vold 會清除中繼資料中的 ENCRYPTION_IN_PROGRESS 旗標。

    成功解鎖裝置後，系統會使用密碼加密主金鑰，並更新加密頁尾。

    如果重新啟動失敗，vold 會將 vold.encrypt_progress 屬性設為 error_reboot_failed，且 UI 應顯示訊息，要求使用者按下按鈕重新啟動。這種情況不應發生。

使用預設加密方式啟動加密裝置

如果啟動加密裝置時未輸入密碼，會發生以下情況：Android 5.0 裝置會在首次啟動時加密，因此不應設定密碼，這就是預設加密狀態。

1. 偵測未加密的 /data (不含密碼)

   偵測到 Android 裝置已加密，因為 /data 無法掛接，且已設定 encryptable 或 forceencrypt 其中一個旗標。

   vold 會將 vold.decrypt 設為 trigger_default_encryption，藉此啟動 defaultcrypto 服務。trigger_default_encryption 檢查加密類型，看看 /data 是否已加密 (有密碼或沒有密碼)。

2. 解密 /data

   在區塊裝置上建立 dm-crypt 裝置，讓裝置可供使用。

3. 掛接 /data

   vold然後掛接解密後的實際 /data 分區，接著準備新分區。這會將 vold.post_fs_data_done 屬性設為 0，然後將 vold.decrypt 設為 trigger_post_fs_data。這會導致 init.rc 執行 post-fs-data 指令。他們會建立所有必要的目錄或連結，然後將 vold.post_fs_data_done 設為 1。

   vold 在該屬性中看到 1 後，會將 vold.decrypt 屬性設為：trigger_restart_framework. 這會導致 init.rc 再次啟動 main 類別中的服務，並在開機後首次啟動 late_start 類別中的服務。

4. 開始架構

   現在架構會使用解密的 /data 啟動所有服務，系統也準備就緒。

啟動未預設加密的加密裝置

如果加密裝置已設定密碼，啟動時會發生以下情況：裝置密碼可以是 PIN 碼、解鎖圖案或密碼。

1. 偵測已加密的裝置 (需輸入密碼)

   偵測到 Android 裝置已加密，因為標記 ro.crypto.state = "encrypted"

   vold 會將 vold.decrypt 設為 trigger_restart_min_framework，因為 /data 已使用密碼加密。

2. 掛接 tmpfs

   init 會設定五個屬性，儲存為 /data 提供的初始掛接選項，並透過 init.rc 傳遞參數。vold 會使用這些屬性設定加密對應：

   1. ro.crypto.fs_type
   2. ro.crypto.fs_real_blkdev
   3. ro.crypto.fs_mnt_point
   4. ro.crypto.fs_options
   5. ro.crypto.fs_flags (ASCII 8 位數十六進位數字，前面加上 0x)
3. 啟動架構，提示輸入密碼

   架構會啟動，並發現 vold.decrypt 已設為 trigger_restart_min_framework。這會告知架構，系統正在 tmpfs /data 磁碟上啟動，且需要取得使用者密碼。

   不過，系統必須先確認磁碟已正確加密。這個指令會將 cryptfs cryptocomplete 指令傳送至 vold。如果加密作業順利完成，vold 會傳回 0；如果發生內部錯誤，則傳回 -1；如果加密作業未順利完成，則傳回 -2。vold 會查看加密中繼資料中的 CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS 標記，判斷是否需要執行這項操作。如果已設定，表示加密程序中斷，裝置上沒有可用資料。如果 vold 傳回錯誤，使用者介面應向使用者顯示訊息，請他們重新啟動裝置並恢復原廠設定，並提供按鈕供使用者執行這項操作。

4. 使用密碼解密資料

   cryptfs cryptocomplete 成功後，架構會顯示要求輸入磁碟密碼的 UI。使用者介面會將 cryptfs checkpw 指令傳送至 vold，藉此檢查密碼。如果密碼正確 (系統會先在暫時位置成功掛接解密的 /data，然後卸載，藉此判斷密碼是否正確)，vold 會將解密區塊裝置的名稱儲存在 ro.crypto.fs_crypto_blkdev 屬性中，並向 UI 傳回狀態 0。如果密碼不正確，系統會向 UI 傳回 -1。

5. 停止架構

   使用者介面會顯示加密啟動圖形，然後使用 cryptfs restart 指令呼叫 vold。vold 會將 vold.decrypt 屬性設為 trigger_reset_main，導致 init.rc 執行 class_reset main。這會停止主類別中的所有服務，以便卸載 tmpfs /data。

6. 安裝 /data

   vold，然後掛載已解密的實際 /data 分區，並準備新分區 (如果使用清除選項加密，可能就從未準備過，但這項功能在第一個版本中不支援)。這會將 vold.post_fs_data_done 屬性設為 0，然後將 vold.decrypt 設為 trigger_post_fs_data。這會導致 init.rc 執行 post-fs-data 指令。他們會建立所有必要的目錄或連結，然後將 vold.post_fs_data_done 設為 1。當 vold 在該屬性中看到 1 時，會將屬性 vold.decrypt 設為 trigger_restart_framework。這會導致 init.rc 再次在 main 類別中啟動服務，並在啟動後首次在 late_start 類別中啟動服務。

7. 開始使用完整架構

   現在，架構會使用解密的 /data 檔案系統啟動所有服務，系統也準備就緒。

失敗

裝置無法解密的可能原因如下：裝置會開始執行正常的啟動步驟：

1. 使用密碼偵測加密裝置
2. 掛接 tmpfs
3. 啟動架構，提示使用者輸入密碼

但架構開啟後，裝置可能會發生一些錯誤：

• 密碼相符，但無法解密資料
• 使用者輸入錯誤密碼 30 次

如果這些錯誤未解決，請提示使用者恢復原廠設定：

如果 vold 在加密過程中偵測到錯誤，且尚未毀損任何資料，架構也正常運作，vold 會將 vold.encrypt_progress 屬性設為 error_not_encrypted。使用者介面會提示使用者重新啟動，並提醒他們加密程序從未啟動。如果錯誤發生在架構拆除後，但進度列 UI 顯示前，vold 會重新啟動系統。如果重新啟動失敗，系統會將 vold.encrypt_progress 設為 error_shutting_down 並傳回 -1，但不會有任何項目可擷取錯誤。這不應發生。

如果 vold 在加密程序中偵測到錯誤，就會將 vold.encrypt_progress 設為 error_partially_encrypted，並傳回 -1。使用者介面應顯示加密失敗的訊息，並提供按鈕讓使用者將裝置恢復原廠設定。

儲存加密金鑰

加密金鑰會儲存在加密中繼資料中。硬體支援是透過受信任執行環境 (TEE) 的簽署功能實作。先前，我們是透過將 scrypt 套用至使用者密碼和儲存的鹽，藉此產生金鑰來加密主金鑰。為確保金鑰能抵禦裝置外部攻擊，我們擴充了這項演算法，使用儲存的 TEE 金鑰簽署產生的金鑰。然後，系統會再套用一次 scrypt，將產生的簽章轉換為適當長度的金鑰。這個金鑰隨後會用來加密及解密主金鑰。如要儲存這項金鑰，請按照下列步驟操作：

1. 產生隨機 16 位元組的磁碟加密金鑰 (DEK) 和 16 位元組的鹽。
2. 將 scrypt 套用至使用者密碼和鹽，產生 32 位元組的中間金鑰 1 (IK1)。
3. 以零位元組填補 IK1，使其大小與硬體繫結私密金鑰 (HBK) 相同。具體來說，我們會補齊以下內容：00 || IK1 || 00..00；一個零位元組、32 個 IK1 位元組、223 個零位元組。
4. 使用 HBK 簽署補零的 IK1，產生 256 位元組的 IK2。
5. 將 scrypt 應用於 IK2 和鹽 (與步驟 2 相同的鹽)，產生 32 位元組的 IK3。
6. 將 IK3 的前 16 個位元組做為 KEK，後 16 個位元組做為 IV。
7. 使用 AES_CBC 加密 DEK，並搭配金鑰 KEK 和初始化向量 IV。

變更密碼

當使用者選擇在設定中變更或移除密碼時，UI 會將 cryptfs changepw 指令傳送至 vold，而 vold 會使用新密碼重新加密磁碟主金鑰。

加密屬性

vold 和 init 會透過設定屬性相互通訊。以下列出可用的加密屬性。

Vold 屬性

init 屬性

初始化動作

on post-fs-data
on nonencrypted
on property:vold.decrypt=trigger_reset_main
on property:vold.decrypt=trigger_post_fs_data
on property:vold.decrypt=trigger_restart_min_framework
on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
on property:vold.decrypt=trigger_shutdown_framework
on property:vold.decrypt=trigger_encryption
on property:vold.decrypt=trigger_default_encryption