全盤加密

全碟加密是使用加密金鑰對 Android 裝置上的所有使用者資料進行編碼的過程。一旦裝置被加密，所有使用者建立的資料在提交到磁碟之前都會自動加密，並且所有讀取都會在將資料傳回呼叫程序之前自動解密資料。

Android 4.4 中引入了全碟加密，但 Android 5.0 引入了以下新功能：

• 建立快速加密，僅加密資料分割區上使用的區塊，以避免首次啟動花費很長時間。目前只有 ext4 和 f2fs 檔案系統支援快速加密。
• 新增了forceencrypt fstab 標誌以在首次啟動時進行加密。
• 新增了對模式和無密碼加密的支援。
• 使用可信任執行環境 (TEE) 簽章功能（例如在 TrustZone 中）新增了硬體支援的加密金鑰儲存。有關更多詳細信息，請參閱儲存加密金鑰。

注意：升級到 Android 5.0 然後加密的裝置可能會透過恢復原廠設定恢復到未加密狀態。首次啟動時加密的新 Android 5.0 裝置無法回到未加密狀態。

Android 全碟加密的工作原理

Android 全碟加密基於dm-crypt ，這是一個工作在區塊裝置層的核心功能。因此，加密可與嵌入式多媒體卡( eMMC) 和類似的快閃記憶體裝置一起使用，這些裝置將自身作為區塊裝置呈現給核心。 YAFFS 無法進行加密，它直接與原始 NAND 快閃記憶體晶片對話。

加密演算法是帶有密碼區塊連結 (CBC) 和 ESSIV:SHA256 的 128 高級加密標準 (AES)。主密鑰透過呼叫 OpenSSL 庫使用 128 位元 AES 進行加密。您必須使用 128 位元或更多位元作為密鑰（256 位元是可選的）。

注意： OEM 可以使用 128 位元或更高位元來加密主金鑰。

在Android 5.0版本中，有四種加密狀態：

• 預設
• 別針
• 密碼
• 圖案

首次啟動時，裝置會建立一個隨機產生的 128 位元主金鑰，然後使用預設密碼和儲存的鹽進行雜湊處理。預設密碼為：「default_password」 但是，產生的雜湊值也會透過 TEE（例如 TrustZone）進行簽名，TEE 使用簽署的雜湊值來加密主金鑰。

您可以在 Android 開源專案cryptfs.cpp檔案中找到定義的預設密碼。

當使用者在裝置上設定 PIN/pass 或密碼時，只有 128 位元金鑰會被重新加密並儲存。 （即，使用者 PIN/密碼/模式變更不會導致使用者資料重新加密。）請注意，託管裝置可能受到 PIN、模式或密碼限制。

加密由init和vold管理。 init呼叫vold ，vold 設定屬性以觸發 init 中的事件。系統的其他部分也會查看屬性來執行任務，例如報告狀態、詢問密碼或在發生致命錯誤時提示恢復出廠設定。為了呼叫vold中的加密功能，系統使用命令列工具vdc的cryptfs指令： checkpw 、 restart 、 enablecrypto 、 changepw 、 cryptocomplete 、 verifypw 、 setfield 、 getfield 、 mountdefaultencrypted 、 getpwtype 、 getpw clearpw

為了加密、解密或擦除/data ，不得安裝/data 。但是，為了顯示任何使用者介面 (UI)，框架必須啟動，並且框架需要/data才能運作。為了解決這個難題，在/data上安裝了一個臨時檔案系統。這允許 Android 根據需要提示輸入密碼、顯示進度或建議擦除資料。它確實施加了限制，為了從臨時檔案系統切換到真正的/data檔案系統，系統必須停止臨時檔案系統上開啟檔案的每個進程，並在真正的/data檔案系統上重新啟動這些進程。為此，所有服務必須屬於三個群組之一： core 、 main和late_start 。

• core ：啟動後切勿關閉。
• main ：輸入磁碟密碼後關機並重新啟動。
• late_start ：直到/data被解密並掛載後才開始。

若要觸發這些操作，請將vold.decrypt屬性設為各種字串。要終止並重新啟動服務， init命令是：

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

流量

加密設備有四種流程。設備僅加密一次，然後遵循正常的啟動流程。

• 加密以前未加密的裝置：
  • 使用forceencrypt加密新裝置：首次啟動時強制加密（從Android L開始）。
  • 加密現有裝置：使用者啟動的加密（Android K 及更早版本）。
• 啟動加密設備：
  • 啟動沒有密碼的加密裝置：啟動沒有設定密碼的加密裝置（與運行 Android 5.0 及更高版本的裝置相關）。
  • 使用密碼啟動加密設備：啟動具有設定密碼的加密設備。

除了這些串流之外，裝置還可能無法加密/data 。下面詳細解釋每個流程。

使用forcecrypt加密新設備

這是 Android 5.0 裝置的正常首次啟動。

1. 使用forceencrypt標誌偵測未加密的檔案系統

   /data未加密，但需要加密，因為forceencrypt要求它。卸載/data 。

2. 開始加密/data

   vold.decrypt = "trigger_encryption"觸發init.rc ，這將導致vold在沒有密碼的情況下加密/data 。 （未設定任何內容，因為這應該是新設備。）

3. 掛載tmpfs

   vold安裝 tmpfs /data （使用ro.crypto.tmpfs_options中的 tmpfs 選項）並將屬性vold.encrypt_progress設為 0. vold準備 tmpfs /data用於啟動加密系統，並將屬性vold.decrypt設為： trigger_restart_min_framework

4. 提出框架以顯示進度

   由於設備實際上沒有要加密的數據，因此通常不會實際出現進度條，因為加密發生得如此之快。有關進度 UI 的更多詳細信息，請參閱加密現有設備。

5. /data加密後，取下框架

   vold將vold.decrypt設定為trigger_default_encryption ，從而啟動defaultcrypto服務。 （這將啟動下面用於安裝預設加密使用者資料的流程。） trigger_default_encryption檢查加密類型以查看/data是否使用密碼加密。由於Android 5.0裝置在首次啟動時已加密，因此不應設定密碼；因此我們解密並掛載/data 。

6. 掛載/data

   然後init使用從ro.crypto.tmpfs_options取得的參數（在init.rc中設定）將/data掛載到 tmpfs RAMDisk 上。

7. 啟動框架

   vold將vold.decrypt設定為trigger_restart_framework ，這將繼續通常的啟動過程。

加密現有設備

當您加密已移轉到 L 的未加密 Android K 或更早版本的裝置時，就會發生這種情況。

此過程是用戶發起的，在程式碼中稱為「就地加密」。當使用者選擇加密裝置時，UI 會確保電池已充滿電且交流電源供應器已插入，以便有足夠的電量來完成加密過程。

警告：如果裝置在完成加密之前電量耗盡並關閉，檔案資料將處於部分加密狀態。設備必須恢復出廠設置，所有資料都會遺失。

為了啟用就地加密， vold啟動一個循環來讀取真實區塊裝置的每個磁區，然後將其寫入加密區塊裝置。 vold在讀取和寫入磁區之前檢查該磁區是否正在使用，這使得在幾乎沒有資料的新裝置上加密速度更快。

設備狀態：設定ro.crypto.state = "unencrypted"並執行on nonencrypted init觸發器以繼續啟動。

1. 檢查密碼

   UI 使用指令cryptfs enablecrypto inplace呼叫vold ，其中passwd是使用者的鎖定畫面密碼。

2. 拆掉框架

   vold檢查錯誤，如果無法加密則傳回 -1，並在日誌中列印原因。如果它可以加密，則會將屬性vold.decrypt設定為trigger_shutdown_framework 。這會導致init.rc停止類別late_start和main中的服務。

3. 建立加密頁腳
4. 建立麵包屑文件
5. 重啟
6. 偵測麵包屑文件
7. 開始加密/data

   然後， vold設定加密映射，該映射建立一個虛擬加密區塊設備，映射到真實區塊設備，但在寫入時加密每個磁區，並在讀取時解密每個磁區。 vold接著建立並寫出加密元資料。

8. 加密時掛載 tmpfs

   vold安裝 tmpfs /data （使用ro.crypto.tmpfs_options中的 tmpfs 選項）並將屬性vold.encrypt_progress設為 0. vold準備 tmpfs /data用於啟動加密系統，並將屬性vold.decrypt設為： trigger_restart_min_framework

9. 提出框架以顯示進度

   trigger_restart_min_framework導致init.rc啟動main服務類別。當框架發現vold.encrypt_progress設定為 0 時，它會顯示進度條 UI，該 UI 每五秒查詢一次該屬性並更新進度條。每次加密分割區的另一個百分比時，加密循環都會更新vold.encrypt_progress 。

10. 當/data被加密時，更新加密頁腳

    當/data成功加密後， vold會清除元資料中的ENCRYPTION_IN_PROGRESS標誌。

    當裝置成功解鎖後，密碼將用於加密主密鑰並更新加密頁腳。

    如果因為某些原因重新啟動失敗， vold會將屬性vold.encrypt_progress設定為error_reboot_failed ，並且 UI 應顯示一則訊息，要求使用者按按鈕重新啟動。預計這種情況永遠不會發生。

使用預設加密啟動加密設備

這就是當您在沒有密碼的情況下啟動加密裝置時會發生的情況。由於 Android 5.0 裝置在首次啟動時進行加密，因此不應設定密碼，因此這是預設加密狀態。

1. 檢測沒有密碼的加密/data

   偵測到 Android 裝置已加密，因為無法掛載/data並且設定了encryptable或forceencrypt標誌之一。

   vold將vold.decrypt設為trigger_default_encryption ，這會啟動defaultcrypto服務。 trigger_default_encryption檢查加密類型以查看/data是否使用密碼加密。

2. 解密/數據

   在區塊設備上建立dm-crypt設備，以便該設備可供使用。

3. 掛載/數據

   vold接著掛載解密後的真實/data分割區，然後準備新分割區。它將屬性vold.post_fs_data_done設為 0，然後將vold.decrypt設為trigger_post_fs_data 。這會導致init.rc運行其post-fs-data命令。他們將創建任何必要的目錄或鏈接，然後將vold.post_fs_data_done設為 1。

   一旦vold在該屬性中看到 1，它就會將屬性vold.decrypt設為： trigger_restart_framework.這會導致init.rc再次啟動main類別中的服務，並且自啟動以來第一次啟動late_start類別中的服務。

4. 啟動框架

   現在，框架使用解密的/data啟動其所有服務，並且系統已準備好使用。

啟動沒有預設加密的加密設備

當您啟動具有設定密碼的加密裝置時，就會發生這種情況。設備的密碼可以是 PIN、圖案或密碼。

1. 使用密碼檢測加密設備

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

   vold將vold.decrypt設定為trigger_restart_min_framework ，因為/data是用密碼加密的。

2. 掛載tmpfs

   init設定五個屬性來儲存為/data指定的初始安裝選項以及從init.rc傳遞的參數。 vold使用這些屬性來設定加密映射：

   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 位十六進位數字，前面帶有 0x）
3. 啟動框架提示輸入密碼

   框架啟動並看到vold.decrypt設定為trigger_restart_min_framework 。這告訴框架它正在 tmpfs /data磁碟上啟動，並且需要取得使用者密碼。

   然而，首先需要確保磁碟已正確加密。它將命令cryptfs cryptocomplete傳送到vold 。如果加密成功完成，則vold傳回 0；如果發生內部錯誤，則傳回 -1；如果加密未成功完成，則 vold 傳回 -2。 vold透過在加密元資料中尋找CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS標誌來確定這一點。如果已設置，則加密過程將中斷，並且設備上沒有可用的資料。如果vold回傳錯誤，UI 應向使用者顯示一則訊息，要求使用者重新啟動裝置並恢復出廠設置，並為使用者提供一個按鈕來執行此操作。

4. 使用密碼解密資料

   一旦cryptfs cryptocomplete成功，框架就會顯示一個 UI，要求輸入磁碟密碼。 UI 透過將指令cryptfs checkpw傳送到vold來檢查密碼。如果密碼正確（透過在臨時位置成功掛載解密的/data然後卸載它來確定）， vold會將解密的區塊裝置的名稱保存在屬性ro.crypto.fs_crypto_blkdev中，並向 UI 傳回狀態 0 。如果密碼不正確，則向 UI 傳回 -1。

5. 停止框架

   UI 會顯示一個加密啟動圖形，然後使用指令cryptfs restart呼叫vold 。 vold將屬性vold.decrypt設為trigger_reset_main ，這會導致init.rc執行class_reset main 。這將停止主類別中的所有服務，從而允許卸載 tmpfs /data 。

6. 掛載/data

   然後， vold掛載解密的真實/data分割區並準備新分割區（如果使用擦除選項加密，則可能永遠不會準備好該分割區，而第一個版本不支援該選項）。它將屬性vold.post_fs_data_done設為 0，然後將vold.decrypt設為trigger_post_fs_data 。這會導致init.rc運行其post-fs-data命令。他們將創建任何必要的目錄或鏈接，然後將vold.post_fs_data_done設為 1。一旦vold在該屬性中看到 1，它將屬性vold.decrypt設為trigger_restart_framework 。這會導致init.rc再次啟動main類別中的服務，並且自啟動以來首次啟動late_start類別中的服務。

7. 啟動完整框架

   現在，框架使用解密的/data檔案系統啟動其所有服務，並且系統已準備好使用。

失敗

無法解密的裝置可能由於多種原因而出現問題。設備啟動時會執行一系列正常的啟動步驟：

1. 使用密碼檢測加密設備
2. 掛載tmpfs
3. 啟動框架提示輸入密碼

但框架開啟後，設備可能會遇到一些錯誤：

• 密碼匹配但無法解密數據
• 使用者輸入錯誤密碼30次

如果這些錯誤未解決，請提示使用者進行工廠擦除：

如果vold在加密過程中偵測到錯誤，尚未銷毀任何資料且框架已啟動， vold將屬性vold.encrypt_progress設為error_not_encrypted 。 UI 會提示使用者重新啟動並提醒他們加密過程從未啟動。如果錯誤發生在框架被拆除之後，但在進度條 UI 啟動之前， vold將重新啟動系統。如果重新啟動失敗，則將vold.encrypt_progress設為error_shutting_down並返回-1；但不會有任何東西來捕捉錯誤。預計不會發生這種情況。

如果vold在加密過程中偵測到錯誤，則會將vold.encrypt_progress設為error_partially_encrypted並傳回 -1。然後，UI 應顯示一則訊息，說明加密失敗，並為使用者提供一個按鈕以將裝置重設為原廠設定。

儲存加密金鑰

加密的密鑰儲存在加密元資料中。硬體支援是透過使用可信任執行環境 (TEE) 簽章功能來實現的。之前，我們使用透過對使用者密碼和儲存的鹽套用 scrypt 產生的金鑰來加密主金鑰。為了使金鑰能夠抵禦離機攻擊，我們透過使用儲存的 TEE 金鑰對結果金鑰進行簽章來擴展此演算法。然後，透過另一次 scrypt 應用程式將所得簽章轉換為適當長度的金鑰。然後使用該密鑰來加密和解密主密鑰。若要儲存此密鑰：

1. 產生隨機 16 位元組磁碟加密金鑰 (DEK) 和 16 位元組鹽。
2. 將 scrypt 應用於使用者密碼和鹽以產生 32 位元組中間金鑰 1 (IK1)。
3. 將 IK1 以零位元組填入硬體綁定私鑰 (HBK) 的大小。具體來說，我們填充為：00 || IK1 || 00..00； 1 個零位元組、32 個 IK1 位元組、223 個零位元組。
4. 以 HBK 對 IK1 進行符號填充，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）以產生 32 位元組 IK3。
6. 使用 IK3 的前 16 個位元組作為 KEK，後 16 個位元組作為 IV。
7. 使用 AES_CBC、金鑰 KEK 和初始化向量 IV 加密 DEK。

更改密碼

當使用者選擇在設定中變更或刪除其密碼時，UI 會向vold傳送指令cryptfs changepw ，然後vold使用新密碼重新加密磁碟主金鑰。

加密屬性

vold和init透過設定屬性來相互通訊。以下是可用於加密的屬性的清單。

沃爾德屬性

初始化屬性

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