Seperti kebanyakan perangkat lunak enkripsi {i>disk<i} dan file, enkripsi penyimpanan Android mengandalkan kunci enkripsi mentah yang ada dalam memori sistem, sehingga enkripsi dapat dilakukan. Bahkan ketika enkripsi dilakukan perangkat keras khusus daripada perangkat lunak, perangkat lunak umumnya masih perlu mengelola kunci enkripsi mentah.
Hal ini secara tradisional tidak dianggap sebagai masalah karena kunci tidak akan ada selama serangan {i>offline<i}, yang merupakan jenis serangan utama yang membuat enkripsi yang dimaksudkan untuk melindunginya. Namun, ada keinginan untuk menyediakan peningkatan perlindungan terhadap jenis serangan lainnya, seperti cold boot serangan online, dan serangan online yang memungkinkan penyerang membocorkan tanpa memengaruhi perangkat secara penuh.
Untuk mengatasi masalah ini, Android 11 memperkenalkan dukungan untuk tombol yang digabungkan dengan hardware, yang menyediakan dukungan hardware. Kunci yang dibungkus {i>hardware<i} adalah kunci penyimpanan yang hanya dikenal dalam bentuk mentah untuk perangkat keras khusus; perangkat lunak hanya melihat dan bekerja dengan kunci-kunci ini yang digabungkan (dienkripsi). Perangkat keras ini harus mampu menghasilkan dan mengimpor kunci penyimpanan, menggabungkan kunci penyimpanan dalam bentuk sementara dan jangka panjang, berasal dari sub kunci, secara langsung memprogram satu subkunci ke dalam mesin kripto {i>inline<i}, dan yang mengembalikan sub-kunci terpisah ke perangkat lunak.
Catatan: Mesin kripto inline (atau inline hardware enkripsi) mengacu pada hardware yang mengenkripsi/mendekripsi data sambil sedang dalam perjalanan ke/dari perangkat penyimpanan. Biasanya ini adalah host UFS atau eMMC yang menerapkan ekstensi kripto{i> <i}yang didefinisikan oleh Spesifikasi JEDEC.
Desain
Bagian ini menyajikan desain fitur kunci yang dibungkus perangkat keras, termasuk dukungan perangkat keras apa yang diperlukan untuk itu. Diskusi ini berfokus pada enkripsi berbasis file (FBE), tetapi Solusi ini berlaku untuk metadata enkripsi juga.
Salah satu cara untuk menghindari kebutuhan kunci enkripsi dalam memori sistem adalah dengan menyimpannya hanya di slot kunci sebuah mesin kripto {i>inline<i}. Namun, pendekatan tersebut mengalami beberapa masalah:
- Jumlah kunci enkripsi dapat melebihi jumlah slot kunci.
- Mesin kripto{i> inline<i} hanya dapat digunakan untuk mengenkripsi/mendekripsi blok penuh data dalam {i>disk<i}. Namun, dalam kasus FBE, perangkat lunak masih harus dapat melakukan pekerjaan kriptografi lainnya seperti enkripsi nama file dan mendapatkan kunci pengenal. Perangkat lunak masih membutuhkan akses ke kunci FBE mentah untuk melakukan pekerjaan lain ini.
Untuk menghindari masalah ini, kunci penyimpanan dibuat menjadi tombol yang digabungkan dengan hardware, yang hanya dapat dibuka dan digunakan oleh perangkat keras khusus. Dengan begitu, jumlah kunci yang didukung tidak terbatas. Di beberapa selain itu, hierarki kunci dimodifikasi dan sebagian dipindahkan ke perangkat keras ini, yang memungkinkan sub-kunci dikembalikan ke perangkat lunak untuk tugas-tugas yang tidak dapat menggunakan mesin kripto inline.
Hierarki kunci
Kunci dapat diperoleh dari kunci lain menggunakan KDF (fungsi derivasi kunci) seperti HKDF, yang menghasilkan hierarki kunci.
Diagram berikut menggambarkan hierarki kunci yang umum untuk FBE ketika kunci yang digabungkan dengan hardware tidak digunakan:
Kunci class FBE adalah kunci enkripsi mentah yang diteruskan Android ke Linux {i>kernel<i} untuk membuka kunci kumpulan direktori terenkripsi tertentu, seperti penyimpanan yang dienkripsi dengan kredensial untuk pengguna Android tertentu. (Pada {i>kernel<i}, kunci tersebut disebut kunci master fscrypt.) Dari kunci ini, {i>kernel<i} memperoleh sub-kunci berikut:
- ID kunci. Ini tidak digunakan untuk enkripsi, namun merupakan nilai digunakan untuk mengidentifikasi kunci yang digunakan untuk file atau direktori tertentu terlindungi.
- Kunci enkripsi isi file
- Kunci enkripsi nama file
Sebaliknya, diagram berikut menggambarkan hierarki kunci untuk FBE ketika kunci yang digabungkan secara hardware:
Dibandingkan dengan kasus sebelumnya, level tambahan telah ditambahkan ke kunci hierarki, dan kunci enkripsi konten file telah dipindahkan. Akar masih mewakili kunci yang akan diteruskan Android ke Linux untuk membuka serangkaian direktori terenkripsi. Namun, sekarang kunci itu ada dalam bentuk yang singkat, dan agar dapat digunakan harus diteruskan ke perangkat keras khusus. Perangkat keras ini harus menerapkan dua antarmuka yang mengambil kunci yang digabungkan secara efemeral:
- Satu antarmuka untuk mendapatkan
inline_encryption_key
dan secara langsung memprogramnya ke dalam slot kunci dari mesin kripto {i>inline<i}. Hal ini memungkinkan file untuk dienkripsi/didekripsi tanpa perangkat lunak memiliki akses ke tombol. Dalam {i>kernel<i} umum Android, antarmuka ini berhubungan denganblk_crypto_ll_ops::keyslot_program
, yang harus yang diterapkan oleh {i>driver<i} penyimpanan. - Satu antarmuka untuk mendapatkan dan menampilkan
sw_secret
("software rahasia" -- juga disebut "rahasia mentah" di beberapa tempat), yang merupakan kunci yang Linux digunakan untuk memperoleh sub-kunci untuk segala hal selain isi file enkripsi. Dalam {i>kernel<i} umum Android, antarmuka ini berhubungan denganblk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret
, yang harus yang diterapkan oleh {i>driver<i} penyimpanan.
Untuk mendapatkan inline_encryption_key
dan sw_secret
dari
kunci penyimpanan mentah, perangkat keras harus
menggunakan KDF yang kuat secara kriptografi. KDF ini
harus mengikuti praktik terbaik kriptografi; kunci itu harus memiliki
kekuatan keamanan sebesar
minimal 256 bit, artinya cukup
untuk algoritma apa pun yang digunakan nanti. Aplikasi juga harus menggunakan
label, konteks, dan/atau string informasi spesifik per aplikasi yang berbeda saat
mendapatkan setiap jenis sub-kunci untuk
menjamin bahwa sub-kunci yang dihasilkan
terisolasi secara kriptografis, yaitu pengetahuan tentang salah satunya tidak mengungkapkan
lainnya. Pelebaran kunci tidak diperlukan, karena kunci penyimpanan mentah sudah
menggunakan kunci acak yang sama.
Secara teknis, setiap KDF yang memenuhi persyaratan keamanan dapat digunakan.
Namun, untuk tujuan pengujian, perlu mengimplementasikan kembali KDF yang sama
kode pengujian. Saat ini, satu KDF telah ditinjau dan diimplementasikan; lokasi ini dapat ditemukan
dalam kode sumber untuk vts_kernel_encryption_test
.
Sebaiknya hardware menggunakan KDF ini, yang menggunakan NIST SP 800-108 "KDF in Counter Mode" dengan AES-256-CMAC sebagai PRF. Perhatikan bahwa agar kompatibel, semua
bagian algoritma harus identik, termasuk pilihan konteks KDF
dan label untuk setiap sub-kunci.
Penggabungan tombol (key wrapping)
Untuk memenuhi sasaran keamanan kunci yang dibungkus hardware, ada dua jenis didefinisikan:
- Penggabungan ephemeral: hardware mengenkripsi kunci mentah menggunakan kunci yang dihasilkan secara acak pada setiap {i>booting<i} dan tidak secara langsung diekspos di luar perangkat keras.
- Penggabungan jangka panjang: hardware mengenkripsi kunci mentah menggunakan kunci unik dan persisten yang terdapat ke dalam perangkat keras yang tidak secara langsung terbuka di luar perangkat keras.
Semua kunci yang diteruskan ke {i>kernel<i} Linux untuk membuka penyimpanan ditampilkan secara singkat. Hal ini memastikan bahwa jika penyerang dapat mengekstrak sebuah yang sedang digunakan dari memori sistem, maka kunci itu tidak akan bisa digunakan, hanya dari perangkat, tetapi juga di perangkat setelah memulai ulang komputer.
Pada saat yang sama, Android masih harus bisa menyimpan versi terenkripsi dari kunci pada {i>disk <i}sehingga mereka dapat dibuka kuncinya. Data mentah {i>key<i} akan berfungsi untuk tujuan ini. Namun, sebaiknya jangan pernah menggunakan kunci ada dalam memori sistem sehingga tidak akan bisa diekstrak untuk digunakan di luar perangkat, bahkan jika diekstrak pada saat {i>booting<i}. Karena alasan ini, konsep {i>long-term wrapping <i}ditentukan.
Untuk mendukung pengelolaan kunci yang digabungkan dengan dua cara berbeda ini, hardware harus implementasikan antarmuka berikut:
- Antarmuka untuk membuat dan mengimpor kunci penyimpanan, yang mengembalikannya ke
yang digabungkan dalam
jangka panjang. Antarmuka ini diakses secara tidak langsung melalui
KeyMint, dan sesuai dengan tag KeyMint
TAG_STORAGE_KEY
. Fungsi "generate" kemampuan digunakan olehvold
untuk membuat penyimpanan baru kunci untuk digunakan oleh Android, sedangkan "impor" kemampuan digunakan olehvts_kernel_encryption_test
untuk mengimpor kunci pengujian. - Antarmuka untuk mengonversi kunci penyimpanan gabungan jangka panjang menjadi
kunci penyimpanan yang
dibungkus secara efemeral. Hal ini sesuai dengan
Metode KeyMint
convertStorageKeyToEphemeral
. Metode ini digunakan olehvold
danvts_kernel_encryption_test
secara berurutan untuk membuka penyimpanan.
Algoritma {i>key wrapping<i} adalah detail implementasi, tetapi harus menggunakan AEAD yang kuat seperti AES-256-GCM dengan IV acak.
Diperlukan perubahan software
AOSP sudah memiliki framework dasar untuk mendukung kunci yang digabungkan dengan hardware. Ini
menyertakan dukungan dalam komponen userspace seperti vold
, serta
sebagai dukungan kernel Linux pada blk-crypto, fscrypt, dan
kunci-default-dm.
Namun, beberapa perubahan khusus penerapan diperlukan.
Perubahan KeyMint
Implementasi KeyMint perangkat harus dimodifikasi untuk mendukung
TAG_STORAGE_KEY
dan terapkan metode
Metode convertStorageKeyToEphemeral
.
Di Keymaster, exportKey
digunakan sebagai pengganti
convertStorageKeyToEphemeral
.
Perubahan kernel Linux
Driver kernel Linux untuk mesin kripto inline perangkat harus dimodifikasi untuk mendukung kunci yang digabungkan dengan hardware.
Untuk android14
dan kernel yang lebih tinggi,
tetapkan BLK_CRYPTO_KEY_TYPE_HW_WRAPPED
di blk_crypto_profile::key_types_supported
,
buat blk_crypto_ll_ops::keyslot_program
dan blk_crypto_ll_ops::keyslot_evict
mendukung pemrograman/mengeluarkan kunci yang dibungkus perangkat keras,
dan menerapkan blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret
.
Untuk kernel android12
dan android13
,
tetapkan BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS
dalam blk_keyslot_manager::features
,
buat blk_ksm_ll_ops::keyslot_program
dan blk_ksm_ll_ops::keyslot_evict
mendukung pemrograman/mengeluarkan kunci yang dibungkus perangkat keras,
dan menerapkan blk_ksm_ll_ops::derive_raw_secret
.
Untuk kernel android11
,
tetapkan BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS
di keyslot_manager::features
,
membuat keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_program
dan keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_evict
mendukung pemrograman/mengeluarkan kunci yang dibungkus perangkat keras,
dan menerapkan keyslot_mgmt_ll_ops::derive_raw_secret
.
Pengujian
Meskipun enkripsi dengan kunci yang digabungkan dengan hardware lebih sulit untuk diuji daripada enkripsi
dengan kunci standar, masih mungkin untuk
menguji dengan mengimpor kunci pengujian dan
menerapkan kembali turunan kunci
yang dilakukan oleh perangkat keras. Hal ini diterapkan
di vts_kernel_encryption_test
. Untuk menjalankan pengujian ini,
jalankan:
atest -v vts_kernel_encryption_test
Membaca log pengujian dan memverifikasi bahwa kasus pengujian utama yang digabungkan dengan hardware (mis.
FBEPolicyTest.TestAesInlineCryptOptimizedHwWrappedKeyPolicy
dan
DmDefaultKeyTest.TestHwWrappedKey
) tidak dilewati karena dukungan
untuk kunci yang digabungkan dengan hardware tidak terdeteksi, karena hasil pengujian akan tetap
"lulus" dalam kasus tersebut.
Mengaktifkan
Setelah dukungan kunci yang digabungkan perangkat
keras pada perangkat bekerja dengan benar, Anda dapat
buat perubahan berikut pada file fstab
perangkat untuk membuat
Android menggunakannya untuk FBE dan enkripsi metadata:
- FBE: tambahkan flag
wrappedkey_v0
ke Parameterfileencryption
. Misalnya, gunakanfileencryption=::inlinecrypt_optimized+wrappedkey_v0
. Sebagai detail selengkapnya, lihat FBE dokumentasi tambahan. - Enkripsi metadata: tambahkan flag
wrappedkey_v0
ke Parametermetadata_encryption
. Misalnya, gunakanmetadata_encryption=:wrappedkey_v0
. Untuk mengetahui detail selengkapnya, lihat metadata dokumentasi enkripsi.