全磁碟加密

全磁碟加密是使用 加密金鑰裝置加密後，所有使用者建立的資料都會在寫入磁碟前自動加密，所有讀取作業都會在將資料傳回呼叫程序前自動解密資料。

Android 是在 4.4 版中加入全磁碟加密功能，Android 5.0 才推出這項功能 這些新功能：

• 建立快速加密，只對已使用的資料分區加密的區塊加密 可避免初次啟動花費太多時間目前只有 ext4 和 f2fs 檔案系統支援快速加密功能。
• 已新增 forceencrypt fstab 旗標，藉此在首次啟動時加密。
• 新增對不含密碼的圖案和加密功能支援。
• 新增採用「可信任」機制的加密金鑰儲存空間硬體支援儲存空間 執行環境 (TEE) 簽署能力 (例如 TrustZone 中)。 詳情請參閱「儲存加密金鑰」。

注意：先升級至 Android 5.0 的裝置 恢復原廠設定後，任何加密狀態都會還原為未加密狀態。在首次啟動時加密的新版 Android 5.0 裝置無法還原為未加密的狀態。

Android 全磁碟加密功能的運作方式

Android 全磁碟加密是以 dm-crypt 為基礎，這是核心 可以在封鎖裝置層運作因此，加密功能可與 Embedded MultiMediaCard (eMMC) 和類似的快閃記憶體裝置搭配使用，這些裝置會將自己呈現給核心，做為區塊裝置。YAFFS 無法直接加密原始模型， NAND 快閃晶片。

加密演算法採用 128 Advanced Encryption Standard (AES)， 加密區塊鏈結 (CBC) 和 ESSIV:SHA256。主金鑰會透過呼叫 OpenSSL 程式庫，以 128 位元 AES 加密。金鑰長度必須為 128 位元以上 (256 位元為選用)。

注意：原始設備製造商 (OEM) 可使用 128 位元以上將主金鑰加密。

在 Android 5.0 版本中，有四種加密狀態：

• 預設值
• PIN 碼
• 密碼
• 圖案

初次啟動時，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字串進行雜湊處理。預設密碼為：「default_password」 不過，結果雜湊會透過 TEE (例如 TrustZone) 簽署。 使用簽章的雜湊值加密主金鑰。

您可以在 Android 開放原始碼計畫 cryptfs.cpp 中找到定義的預設密碼 檔案。

使用者在裝置上設定 PIN 碼/密碼或密碼時，只能輸入 128 位元金鑰 會重新加密並儲存(例如，使用者變更 PIN 碼/密碼/解鎖圖案不會導致重新加密使用者資料)。請注意，受管理的裝置可能會受到 PIN 碼、解鎖圖案或密碼限制。

加密功能由 init 和 vold 管理。init 呼叫 vold，而且 vold 集會觸發要觸發的屬性 初始化事件。系統的其他部分也會查看這些屬性，執行相關工作，例如回報狀態、要求輸入密碼，或在發生致命錯誤時提示使用者將裝置重設為原廠設定。為在 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、解密或抹除/data的資料，請/data 。不過，為了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，我們在 /data 上掛載暫時性檔案系統。這可讓 Android 提示輸入密碼、顯示進度或建議資料 視需要抹除資料。區分從 暫存為真正的 /data 檔案系統，此時系統必須 停止每個暫存檔案系統中開放檔案的程序，然後重新啟動 實際 /data 檔案系統的處理程序所有服務都會這麼做 必須屬於以下三個群組之一：core、main 和 late_start。

• core：啟動後永不關機。
• main：輸入磁碟密碼後，請關機再重新啟動。
• late_start：只有在 /data 解密並掛接之後，才能啟動這個程序。

如要觸發這些動作，vold.decrypt 屬性必須設為 「各種字串」。 如要終止並重新啟動服務，init 指令如下：

• 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。已停止的服務未回應 class_start。

流程

加密裝置有四個流程。裝置只會加密一次，然後按照一般開機流程進行。

• 將先前未加密的裝置加密：
  • 使用 forceencrypt 加密新裝置：首次啟動時強制加密 (自 Android L 起)。
  • 為現有裝置加密：使用者啟動的加密作業 (Android K 以下版本)。
• 啟動加密裝置：
  • 啟動無密碼的加密裝置：啟動符合以下條件的加密裝置： 未設定密碼 (適用於搭載 Android 5.0 以上版本的裝置)。
  • 使用密碼啟動已加密的裝置：啟動已設定密碼的加密裝置。

除了這些流程之外，裝置也可能會無法加密 /data。 以下詳細說明每個流程。

使用強制加密功能加密新裝置

這是 Android 5.0 裝置的正常首次啟動程序。

1. 使用 forceencrypt 標記偵測未加密的檔案系統

   /data 未加密，但必須加密，因為 forceencrypt 有此規定。卸載 /data。

2. 開始加密 /data

   vold.decrypt = "trigger_encryption" 觸發了 init.rc， 這會導致 vold 在不使用密碼的情況下為 /data 加密。 (由於這是新裝置，因此未設定任何值)。

3. 掛接 tmpfs

   vold 會掛接 tmpfs /data (使用 ro.crypto.tmpfs_options)，並將 vold.encrypt_progress 屬性設為 0。 vold 準備 tmpfs /data 來啟動加密系統，並設定 資源「vold.decrypt」改為：trigger_restart_min_framework

4. 建立架構以顯示進度

   由於裝置幾乎沒有可加密的資料，因此進度列不會 經常出現是因為加密非常快速。如要進一步瞭解進度 UI，請參閱「加密現有裝置」。

5. 在 /data 加密之後，移除架構

   vold 將 vold.decrypt 設為 trigger_default_encryption，啟動 defaultcrypto 服務。(系統會開始下列流程來掛接 預設加密使用者資料)。trigger_default_encryption 會檢查 加密類型，檢查 /data 是否使用 密碼。由於 Android 5.0 裝置會在首次開機時進行加密，因此不應設定密碼；因此我們會解密並掛載 /data。

6. 掛接 /data

   init 接著使用以下程式碼，在 tmpfs RAMDisk 上掛接 /data： 系統從 ro.crypto.tmpfs_options 擷取的參數 位置：init.rc。

7. 啟動架構

   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

將未加密的 Android K 以下版本加密，會有什麼影響？ 已轉移到 L 的裝置。

這項程序是由使用者所啟動，在 程式碼使用者選擇加密裝置時，UI 會確保 電池已充飽電，且 AC 變壓器已接上電源，確保有足夠的電力 才能完成加密程序。

警告：裝置沒電，並在結束前關機 加密時，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。

如要啟用內置加密，vold 會啟動迴圈讀取每個機制 然後將解碼器寫入 傳送至加密區塊裝置vold 會在讀取和寫入資料之前檢查區段是否已在使用，因此在資料量很少或沒有資料的新裝置上，加密作業的速度會大幅提升。

裝置狀態：設定 ro.crypto.state = "unencrypted" 並執行 on nonencrypted init 觸發事件，以便繼續啟動。

1. 檢查密碼

   UI 會使用 cryptfs enablecrypto inplace 指令呼叫 vold 其中 passwd 是使用者的螢幕鎖定密碼。

2. 移除架構

   vold 會檢查錯誤，如果無法加密，則會傳回 -1；以及 在記錄中顯示原因。如果可以加密，則會將屬性 vold.decrypt 設為 trigger_shutdown_framework。這會導致 init.rc 停止在 late_start 和 main 類別中提供服務。

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 會設定加密編譯對應關係，以便建立虛擬加密區塊裝置 會對應至真實區塊裝置，但會在寫入每個部門時加密， 讀取及解密每個向量。vold 接著會建立並寫入 加密編譯中繼資料

8. 在加密期間掛接 tmpfs

   vold 會掛載 tmpfs /data (使用 ro.crypto.tmpfs_options 的 tmpfs 選項)，並將屬性 vold.encrypt_progress 設為 0。vold 會為啟動加密系統準備 tmpfs /data，並將屬性 vold.decrypt 設為：trigger_restart_min_framework

9. 建立架構以顯示進度

   trigger_restart_min_framework 會導致 init.rc 啟動 main 類別的服務。架構發現 如果將 vold.encrypt_progress 設為 0，系統就會顯示進度列 UI，會每隔五秒就查詢該屬性，並更新進度列。 每次加密分區的百分比時，加密迴圈都會更新 vold.encrypt_progress。

10. 將 /data 加密後，請更新加密頁尾

    /data 成功加密後，vold 就會清除 在中繼資料中加入旗標 ENCRYPTION_IN_PROGRESS。

    裝置成功解鎖後，系統就會使用密碼加密主金鑰，並更新加密附註。

    如果因故重新啟動失敗，vold 會設定屬性 vold.encrypt_progress 到 error_reboot_failed和 UI 應顯示訊息，要求使用者按下按鈕 。這應該不會發生。

啟動使用預設加密機制的加密裝置

如果在沒有密碼的情況下啟動加密裝置，就會發生這種情形。 由於 Android 5.0 裝置會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. 偵測無密碼的已加密 /data

   偵測 Android 裝置已加密，因為無法掛載 /data，且已設定其中一個標記 encryptable 或 forceencrypt。

   vold將vold.decrypt設為 trigger_default_encryption，從 「defaultcrypto」服務。trigger_default_encryption 檢查加密類型，確認 /data 是否已為 不需要密碼

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 /資料

   vold 接著會掛接解密的實際 /data 分區 然後準備新的分區它會將 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 的 post-fs-data 指令。這些指令會建立任何必要的目錄或連結，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，並在開機後首次啟動 late_start 類別中的服務。

4. 開始使用架構

   現在架構會使用解密的 /data 啟動所有服務。 且系統也準備就緒可供使用

啟動未採用預設加密機制的加密裝置

這是在啟動已設定密碼的加密裝置時會發生的情況。裝置的密碼可以是 PIN 碼、解鎖圖案或密碼。

1. 偵測使用密碼加密的裝置

   偵測 Android 裝置是否已加密，因為標記為 ro.crypto.state = "encrypted"

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

2. 掛接 tmpfs

   init 會設定五個屬性，用來儲存 /data 的初始掛載選項，並透過 init.rc 傳遞參數。vold 會利用下列屬性設定加密編譯對應：

   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 位元十六進位數字，開頭為 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。讓架構機構知道 在 tmpfs /data 磁碟上開機，該磁碟需要取得使用者密碼。

   不過，首先必須確認磁碟已妥善加密。這項服務 傳送 cryptfs cryptocomplete 指令至 vold。 如果加密順利完成，vold 會傳回 0；發生內部錯誤時會傳回 -1；或 -2 表示加密未順利完成。vold：決定 藉由查看 CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS 的加密中繼資料 旗標。如果設定這項政策，加密程序就會中斷，而且未發生 裝置可用的資料如果 vold 傳回錯誤，使用者介面應向使用者顯示訊息，要求他們重新啟動裝置並將裝置恢復原廠設定，並提供按鈕供使用者按下執行。

4. 使用密碼解密資料

   cryptfs cryptocomplete 成功後，架構 會顯示一個 UI，要求提供磁碟密碼。UI 會藉由 傳送 cryptfs checkpw 指令至 vold。如果密碼正確 (系統會在暫時位置成功掛載解密的 /data，然後卸載)，vold 會在屬性 ro.crypto.fs_crypto_blkdev 中儲存解密的區塊裝置名稱，並將狀態 0 傳回至 UI。如果密碼不正確，則會將 -1 傳回至 UI。

5. 停止架構

   UI 會顯示加密啟動圖形，然後使用 cryptfs restart 指令呼叫 vold。vold 會設定屬性 vold.decrypt 到 trigger_reset_main，這會導致 需init.rc執行 class_reset main。這會停止所有服務 位於主要類別中，這可讓系統卸載 tmpfs /data。

6. Mount /data

   vold 接著會掛接解密的實際 /data 分區 並準備新的分區 (如果 已透過清除選項加密，但這個選項尚未支援 版本)。它會將 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 來執行 post-fs-data 指令。他們 建立任何必要目錄或連結 vold.post_fs_data_done 到 1。當 vold 在該屬性中看到 1 時，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，並在開機後首次啟動 late_start 類別中的服務。

7. 開始使用完整架構

   框架現在會使用已解密的 /data 檔案系統啟動所有服務，系統也已準備就緒。

失敗

無法解密的裝置可能會因某些原因而產生故障。裝置 請從一般的啟動步驟開始：

1. 使用密碼偵測已加密的裝置
2. 掛接 tmpfs
3. 啟動架構，提示輸入密碼

但在架構開啟後，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

如果這些錯誤無法解決，請提示使用者恢復原廠設定：

如果 vold 在加密程序期間偵測到錯誤，且尚未銷毀任何資料且架構已啟用，vold 會將屬性 vold.encrypt_progress 設為 error_not_encrypted。UI 提示使用者重新啟動，並提醒使用者加密程序 並未開始如果錯誤發生在架構解除安裝後，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；但不會有任何東西擷取錯誤。這不是預期的情況。

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。接著，使用者介面應會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。硬體支援功能是透過使用受信任的執行環境 (TEE) 簽署功能實作。先前，我們會使用由 scrypt 套用至使用者密碼和儲存的鹽值所產生的金鑰，加密主金鑰。為了讓金鑰能抵禦外部攻擊，我們會使用儲存的 TEE 金鑰為產生的金鑰簽署，以擴充這項演算法。然後，產生的簽章會轉換成適當的 再套用一次 scrypt這組金鑰接著會用於加密 並解密主金鑰。如何儲存此鍵：

1. 隨機產生 16 位元組磁碟加密金鑰 (DEK) 和 16 位元組的鹽。
2. 為使用者密碼和鹽，產生 32 位元組的中繼資訊 鍵 1 (IK1)。
3. 為硬體繫結私密金鑰 (HBK) 大小提供零位元組的 Pad IK1。 具體來說，我們會以以下方式填充：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 簽署已填充的 IK1，以產生 256 位元組的 IK2。
5. 將 scrypt 套用至 IK2 和鹽 (與步驟 2 相同的鹽)，產生 32 位元組的 IK3。
6. 請使用 IK3 的前 16 位元組做為 KEK，並將最後 16 位元組做為 IV。
7. 使用 AES_CBC 加密 DEK，並使用金鑰 KEK 和初始化向量 IV 加密。

變更密碼

使用者在設定中選擇變更或移除密碼時，使用者介面會傳送 將 cryptfs changepw 指令傳送至 vold，以及 vold 會使用新的密碼重新加密磁碟主金鑰。

加密屬性

vold 和 init 會透過設定屬性來相互通訊。以下列出可用於加密的屬性清單。

Vold 屬性

init 屬性

init 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