全盤加密

全盤加密是使用加密密鑰對 Android 設備上的所有用戶數據進行編碼的過程。一旦設備被加密，所有用戶創建的數據在提交到磁盤之前都會自動加密，並且所有讀取都會在將數據返回到調用進程之前自動解密數據。

Android 4.4 引入了全盤加密，但 Android 5.0 引入了以下新功能：

• 創建快速加密，僅加密數據分區上使用的塊以避免首次啟動花費很長時間。目前只有 ext4 和 f2fs 文件系統支持快速加密。
• 添加了forceencrypt fstab 標誌以在首次啟動時加密。
• 添加了對無需密碼的模式和加密的支持。
• 添加了使用可信執行環境 (TEE) 簽名功能（例如在 TrustZone 中）的加密密鑰的硬件支持存儲。有關詳細信息，請參閱存儲加密密鑰。

注意：升級到 Android 5.0 然後加密的設備可能會通過出廠數據重置返回到未加密狀態。首次啟動時加密的新 Android 5.0 設備無法返回到未加密狀態。

Android 全盤加密的工作原理

Android 全盤加密基於dm-crypt ，這是一種工作在塊設備層的內核特性。因此，加密與嵌入式多媒體卡( eMMC) 和類似的閃存設備一起工作，這些閃存設備將自己作為塊設備呈現給內核。 YAFFS 無法加密，它直接與原始 NAND 閃存芯片對話。

加密算法是 128 高級加密標準 (AES)，帶有密碼塊鏈接 (CBC) 和 ESSIV:SHA256。主密鑰通過調用 OpenSSL 庫使用 128 位 AES 加密。您必須為密鑰使用 128 位或更多位（256 位是可選的）。

注意： OEM 可以使用 128 位或更高版本來加密主密鑰。

在Android 5.0版本中，有四種加密狀態：

• 默認
• 別針
• 密碼
• 圖案

首次啟動時，設備會創建一個隨機生成的 128 位主密鑰，然後使用默認密碼和存儲的鹽對其進行哈希處理。默認密碼是：“default_password” 然而，生成的哈希值也是通過 TEE（例如 TrustZone）簽名的，它使用簽名的哈希值來加密主密鑰。

您可以在 Android 開源項目cryptfs.cpp文件中找到定義的默認密碼。

當用戶在設備上設置 PIN/密碼或密碼時，只有 128 位密鑰被重新加密並存儲。 （即用戶 PIN/密碼/模式更改不會導致用戶數據重新加密。）請注意，受管設備可能受 PIN、模式或密碼限制。

加密由init和vold管理。 init調用vold ，並且 vold 設置屬性以觸發 init 中的事件。系統的其他部分也會查看屬性以執行報告狀態、詢問密碼或在出現致命錯誤時提示恢復出廠設置等任務。要調用vold中的加密功能，系統使用命令行工具vdc的cryptfs命令： checkpw 、 restart 、 enablecrypto 、 changepw 、 cryptocomplete 、 verifypw 、 setfield 、 getfield 、 mountdefaultencrypted 、 getpwtype 、 getpw和clearpw 。

為了加密、解密或擦除/data ，不得掛載/data 。但是，為了顯示任何用戶界面 (UI)，框架必須啟動並且框架需要/data才能運行。為了解決這個難題，在/data上掛載了一個臨時文件系統。這允許 Android 提示輸入密碼、顯示進度或根據需要建議數據擦除。它確實施加了限制，即為了從臨時文件系統切換到真正的/data文件系統，系統必須停止臨時文件系統上打開文件的每個進程，並在真正的/data文件系統上重新啟動這些進程。為此，所有服務都必須屬於三個組之一： core 、 main和late_start 。

• core : 啟動後永不關閉。
• main ：輸入磁盤密碼後關機再重啟。
• late_start ：直到/data被解密和掛載後才開始。

要觸發這些操作，將vold.decrypt屬性設置為各種字符串。要終止和重新啟動服務， 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 ：停止服務並添加SVC_DISABLED標誌。停止的服務不響應class_start 。

流量

加密設備有四個流程。設備僅加密一次，然後遵循正常的引導流程。

• 加密以前未加密的設備：
  • 使用forceencrypt加密新設備：首次啟動時強制加密（從 Android L 開始）。
  • 加密現有設備：用戶啟動的加密（Android K 及更早版本）。
• 啟動加密設備：
  • Starting an encrypted device with no password: Booting an encrypted device that has no set password（適用於運行Android 5.0及更高版本的設備）。
  • Starting an encrypted device with a password：啟動一個設置了密碼的加密設備。

除了這些流之外，設備還可能無法加密/data 。下面詳細解釋每個流程。

使用 forceencrypt 加密新設備

這是 Android 5.0 設備的正常首次啟動。

1. 使用forceencrypt標誌檢測未加密的文件系統

   /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 。 （沒有設置，因為這應該是一個新設備。）

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設置為vold準備 tmpfs /data以啟動加密系統並將屬性vold.decrypt設置為： trigger_restart_min_framework

4. 調出框架以顯示進度

   因為設備幾乎沒有要加密的數據，所以進度條通常不會真正出現，因為加密發生得太快了。有關進度 UI 的更多詳細信息，請參閱加密現有設備。

5. 當/data被加密時，取下框架

   vold將vold.decrypt設置為trigger_default_encryption以啟動defaultcrypto服務。 （這將啟動下面用於安裝默認加密用戶數據的流程。） trigger_default_encryption檢查加密類型以查看/data是否使用密碼加密。因為Android 5.0設備在首次啟動時是加密的，所以不應該設置密碼；因此我們解密並掛載/data 。

6. 掛載/data

   init然後使用它從 ro.crypto.tmpfs_options 中獲取的參數將/data掛載到 tmpfs RAMDisk 上，該參數在ro.crypto.tmpfs_options中init.rc 。

7. 啟動框架

   vold將vold.decrypt設置為trigger_restart_framework ，這將繼續通常的引導過程。

加密現有設備

當您加密已遷移到 L 的未加密的 Android K 或更早版本的設備時，就會發生這種情況。

這個過程是用戶發起的，在代碼中被稱為“就地加密”。當用戶選擇加密設備時，用戶界面會確保電池已充滿電並且已插入交流適配器，以便有足夠的電量來完成加密過程。

警告：如果設備在完成加密之前耗盡電源並關閉，文件數據將處於部分加密狀態。設備必須恢復出廠設置，所有數據都將丟失。

為了啟用就地加密， vold啟動一個循環來讀取真實塊設備的每個扇區，然後將其寫入加密塊設備。 vold在讀取和寫入扇區之前檢查扇區是否正在使用，這使得在幾乎沒有數據或沒有數據的新設備上加密速度更快。

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

1. 檢查密碼

   UI 使用命令cryptfs enablecrypto inplace調用vold ，其中passwd是用戶的鎖屏密碼。

2. 拿下框架

   vold檢查錯誤，如果無法加密則返回 -1，並在日誌中打印原因。如果它可以加密，它會將屬性vold.decrypt設置為trigger_shutdown_framework 。這會導致init.rc停止類late_start和main中的服務。

3. 創建加密頁腳
4. 創建麵包屑文件
5. 重啟
6. 檢測麵包屑文件
7. 開始加密/data

   vold然後設置加密映射，創建一個映射到真實塊設備的虛擬加密塊設備，但在寫入時加密每個扇區，並在讀取時解密每個扇區。 vold然後創建並寫出加密元數據。

8. 在加密時，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設置為vold準備 tmpfs /data以啟動加密系統並將屬性vold.decrypt設置為： trigger_restart_min_framework

9. 調出框架以顯示進度

   trigger_restart_min_framework導致init.rc啟動main服務類。當框架發現vold.encrypt_progress設置為 0 時，它會顯示進度條 UI，每五秒查詢一次該屬性並更新進度條。每次加密分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成功加密時， vold會清除元數據中的標誌ENCRYPTION_IN_PROGRESS 。

    當設備成功解鎖後，密碼將用於加密主密鑰並更新加密頁腳。

    如果由於某種原因重啟失敗， vold將屬性vold.encrypt_progress設置為error_reboot_failed並且 UI 應該顯示一條消息，要求用戶按下按鈕重啟。預計這永遠不會發生。

使用默認加密啟動加密設備

當您在沒有密碼的情況下啟動加密設備時會發生這種情況。因為 Android 5.0 設備在首次啟動時是加密的，所以應該沒有設置密碼，因此這是默認的加密狀態。

1. 檢測沒有密碼的加密/data

   檢測到 Android 設備已加密，因為無法掛載/data並且設置了可encryptable或forceencrypt加密標誌之一。

   vold將vold.decrypt設置為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

   在塊設備上創建dm-crypt設備，以便設備可以使用。

3. 掛載/數據

   vold然後掛載解密後的真實/data分區，然後準備新分區。它將屬性vold.post_fs_data_done設置為 0，然後將vold.decrypt設置為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設置為 1。

   一旦vold在該屬性中看到 1，它就會將屬性vold.decrypt設置為： trigger_restart_framework.這會導致init.rc再次啟動類main中的服務，並在啟動後第一次啟動類late_start中的服務。

4. 啟動框架

   現在框架使用解密的/data啟動它的所有服務，系統就可以使用了。

在沒有默認加密的情況下啟動加密設備

當您啟動具有設置密碼的加密設備時會發生這種情況。設備的密碼可以是 PIN 碼、圖案或密碼。

1. 使用密碼檢測加密設備

   檢測到 Android 設備已加密，因為標誌ro.crypto.state = "encrypted"

   vold將vold.decrypt設置為trigger_restart_min_framework因為/data是用密碼加密的。

2. 掛載 tmpfs

   init設置五個屬性來保存為/data提供的初始掛載選項以及從init.rc傳遞的參數。 vold使用這些屬性來設置加密映射：

   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 位十六進制數字，以 0x 開頭）
3. 啟動框架提示輸入密碼

   框架啟動並看到vold.decrypt設置為trigger_restart_min_framework 。這告訴框架它正在 tmpfs /data磁盤上啟動並且需要獲取用戶密碼。

   但是，首先，它需要確保磁盤已正確加密。它向vold發送命令cryptfs cryptocomplete 。如果加密成功完成， vold返回 0，如果出現內部錯誤，則返回 -1，如果加密未成功完成，則返回 -2。 vold通過查看CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS標誌的加密元數據來確定這一點。如果已設置，則加密過程被中斷，並且設備上沒有可用數據。如果vold返回錯誤，UI 應向用戶顯示一條消息以重啟設備並將設備重置為出廠設置，並為用戶提供一個按鈕以執行此操作。

4. 用密碼解密數據

   cryptfs cryptocomplete成功後，框架會顯示一個 UI，要求輸入磁盤密碼。 UI 通過向vold發送命令cryptfs checkpw來檢查密碼。如果密碼正確（這是通過將解密的/data成功掛載到一個臨時位置，然後卸載它來確定的）， vold將解密的塊設備的名稱保存在屬性ro.crypto.fs_crypto_blkdev中，並將狀態 0 返回到 UI .如果密碼不正確，它會向 UI 返回 -1。

5. 停止框架

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

6. 掛載/data

   vold然後掛載解密的真實/data分區並準備新分區（如果它使用擦除選項加密，則可能永遠不會準備好，這在第一個版本中不受支持）。它將屬性vold.post_fs_data_done設置為 0，然後將vold.decrypt設置為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設置為 1。一旦vold在該屬性中看到 1，它就會將屬性vold.decrypt設置為trigger_restart_framework 。這會導致init.rc再次啟動類main中的服務，並在啟動後第一次啟動類late_start中的服務。

7. 啟動完整框架

   現在框架使用解密的/data文件系統啟動它的所有服務，系統就可以使用了。

失敗

由於某些原因，無法解密的設備可能會出錯。設備從正常的一系列啟動步驟開始：

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

但是框架打開後，設備會遇到一些錯誤：

• 密碼匹配但無法解密數據
• 用戶輸入錯誤密碼 30 次

如果這些錯誤沒有解決，提示用戶進行出廠擦除：

如果vold在加密過程中檢測到錯誤，並且尚未破壞任何數據並且框架已啟動，則vold會將屬性vold.encrypt_progress設置為error_not_encrypted 。 UI 提示用戶重新啟動並提醒他們加密過程從未開始。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。如果重啟失敗，它vold.encrypt_progress設置為error_shutting_down並返回 -1；但是不會有任何東西可以捕捉到錯誤。預計不會發生這種情況。

如果vold在加密過程中檢測到錯誤，它vold.encrypt_progress設置為error_partially_encrypted並返回 -1。然後 UI 應顯示一條消息，說明加密失敗，並為用戶提供一個按鈕以恢復出廠設置。

存儲加密密鑰

加密密鑰存儲在加密元數據中。硬件支持是通過使用可信執行環境 (TEE) 的簽名功能來實現的。以前，我們使用通過對用戶密碼和存儲的鹽應用 scrypt 生成的密鑰對主密鑰進行加密。為了使密鑰能夠抵禦開箱式攻擊，我們通過使用存儲的 TEE 密鑰對生成的密鑰進行簽名來擴展該算法。然後通過另一個 scrypt 應用程序將生成的簽名轉換為適當長度的密鑰。然後使用此密鑰對主密鑰進行加密和解密。要存儲此密鑰：

1. 生成隨機的 16 字節磁盤加密密鑰 (DEK) 和 16 字節鹽。
2. 將 scrypt 應用於用戶密碼和鹽以生成 32 字節的中間密鑰 1 (IK1)。
3. 用零字節填充 IK1 到硬件綁定私鑰 (HBK) 的大小。具體來說，我們填充為：00 || IK1 || 00..00;一個零字節，32 個 IK1 字節，223 個零字節。
4. 使用 HBK 對 IK1 進行符號填充以生成 256 字節的 IK2。
5. 將 scrypt 應用於 IK2 和鹽（與步驟 2 相同的鹽）以生成 32 字節的 IK3。
6. 使用 IK3 的前 16 個字節作為 KEK，最後 16 個字節作為 IV。
7. 使用 AES_CBC、密鑰 KEK 和初始化向量 IV 加密 DEK。

更改密碼

當用戶選擇在設置中更改或刪除其密碼時，UI 會向vold發送命令cryptfs changepw ，然後vold使用新密碼重新加密磁盤主密鑰。

加密屬性

vold和init通過設置屬性相互通信。以下是加密的可用屬性列表。

卷屬性

初始化屬性

初始化操作

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