Clés enveloppées dans du matériel

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Comme la plupart des logiciels de cryptage de disque et de fichier, le cryptage de stockage d'Android repose traditionnellement sur la présence de clés de cryptage brutes dans la mémoire système afin que le cryptage puisse être effectué. Même lorsque le cryptage est effectué par un matériel dédié plutôt que par un logiciel, le logiciel doit généralement encore gérer les clés de cryptage brutes.

Cela n'est traditionnellement pas considéré comme un problème car les clés ne seront pas présentes lors d'une attaque hors ligne, qui est le principal type d'attaque contre lequel le chiffrement du stockage est destiné à se protéger. Cependant, il existe un souhait de fournir une protection accrue contre d'autres types d'attaques, telles que les attaques de démarrage à froid et les attaques en ligne où un attaquant pourrait être en mesure de fuir la mémoire système sans compromettre complètement l'appareil.

Pour résoudre ce problème, Android 11 a introduit la prise en charge des clés matérielles , là où la prise en charge matérielle est présente. Les clés encapsulées dans le matériel sont des clés de stockage qui ne sont connues que sous forme brute pour le matériel dédié ; le logiciel ne voit et ne travaille avec ces clés que sous forme encapsulée (cryptée). Ce matériel doit être capable de générer et d'importer des clés de stockage, d'encapsuler des clés de stockage sous des formes éphémères et à long terme, de dériver des sous-clés, de programmer directement une sous-clé dans un moteur de chiffrement en ligne et de renvoyer une sous-clé distincte au logiciel.

Remarque : Un moteur de cryptage en ligne (ou matériel de cryptage en ligne ) fait référence à un matériel qui crypte/décrypte les données lorsqu'elles sont en route vers/depuis le périphérique de stockage. Il s'agit généralement d'un contrôleur hôte UFS ou eMMC qui implémente les extensions cryptographiques définies par la spécification JEDEC correspondante.

Concevoir

Cette section présente la conception de la fonctionnalité de clés matérielles, y compris la prise en charge matérielle requise pour celle-ci. Cette discussion se concentre sur le chiffrement basé sur les fichiers (FBE), mais la solution s'applique également au chiffrement des métadonnées .

Une façon d'éviter d'avoir besoin des clés de chiffrement brutes dans la mémoire système serait de les conserver uniquement dans les emplacements de clés d'un moteur de chiffrement en ligne. Cependant, cette approche se heurte à certains problèmes :

  • Le nombre de clés de chiffrement peut dépasser le nombre d'emplacements de clés.
  • Les moteurs de chiffrement en ligne ne peuvent être utilisés que pour chiffrer/déchiffrer des blocs complets de données sur disque. Cependant, dans le cas de FBE, le logiciel doit toujours être capable d'effectuer d'autres travaux cryptographiques tels que le chiffrement des noms de fichiers et la dérivation des identifiants de clé. Le logiciel aurait toujours besoin d'accéder aux clés FBE brutes pour effectuer cet autre travail.

Pour éviter ces problèmes, les clés de stockage sont plutôt transformées en clés matérielles , qui ne peuvent être déballées et utilisées que par du matériel dédié. Cela permet de prendre en charge un nombre illimité de clés. De plus, la hiérarchie des clés est modifiée et partiellement déplacée vers ce matériel, ce qui permet de renvoyer une sous-clé au logiciel pour les tâches qui ne peuvent pas utiliser un moteur de chiffrement en ligne.

Hiérarchie des clés

Les clés peuvent être dérivées d'autres clés à l'aide d'une KDF (fonction de dérivation de clé) telle que HKDF , ce qui donne une hiérarchie de clés .

Le schéma suivant illustre une hiérarchie de clés typique pour FBE lorsque les clés matérielles ne sont pas utilisées :

Hiérarchie des clés FBE (standard)
Figure 1. Hiérarchie des clés FBE (standard)

La clé de classe FBE est la clé de chiffrement brute qu'Android transmet au noyau Linux pour déverrouiller un ensemble particulier de répertoires chiffrés, tels que le stockage chiffré des informations d'identification pour un utilisateur Android particulier. (Dans le noyau, cette clé est appelée une clé principale fscrypt .) À partir de cette clé, le noyau dérive les sous-clés suivantes :

  • L'identifiant de la clé. Ceci n'est pas utilisé pour le chiffrement, mais plutôt une valeur utilisée pour identifier la clé avec laquelle un fichier ou un répertoire particulier est protégé.
  • La clé de chiffrement du contenu du fichier
  • La clé de chiffrement des noms de fichiers

En revanche, le schéma suivant illustre la hiérarchie des clés pour FBE lorsque des clés matérielles sont utilisées :

Hiérarchie des clés FBE (avec clé matérielle)
Figure 2. Hiérarchie des clés FBE (avec clé matérielle)

Par rapport au cas précédent, un niveau supplémentaire a été ajouté à la hiérarchie des clés et la clé de chiffrement du contenu du fichier a été déplacée. Le nœud racine représente toujours la clé qu'Android transmet à Linux pour déverrouiller un ensemble de répertoires chiffrés. Cependant, maintenant cette clé est sous forme éphémère et, pour être utilisée, elle doit être transmise à un matériel dédié. Ce matériel doit implémenter deux interfaces qui acceptent une clé éphémère :

  • Une interface pour dériver inline_encryption_key et la programmer directement dans un emplacement de clé du moteur de chiffrement en ligne. Cela permet de chiffrer/déchiffrer le contenu du fichier sans que le logiciel n'ait accès à la clé brute. Dans les noyaux communs Android, cette interface correspond à l'opération blk_ksm_ll_ops::keyslot_program , qui doit être implémentée par le pilote de stockage.
  • Une interface pour dériver et renvoyer sw_secret ("secret logiciel" - également appelé "secret brut" à certains endroits), qui est la clé que Linux utilise pour dériver les sous-clés pour tout autre chose que le chiffrement du contenu des fichiers. Dans les noyaux communs Android, cette interface correspond à l'opération blk_ksm_ll_ops::derive_raw_secret , qui doit être implémentée par le pilote de stockage.

Pour dériver inline_encryption_key et sw_secret de la clé de stockage brute, le matériel doit utiliser un KDF cryptographiquement fort. Ce KDF doit suivre les meilleures pratiques de cryptographie ; il doit avoir une force de sécurité d'au moins 256 bits, c'est-à-dire suffisante pour tout algorithme utilisé ultérieurement. Il doit également utiliser une étiquette distincte, un contexte et/ou une chaîne d'informations spécifique à l'application lors de la dérivation de chaque type de sous-clé afin de garantir que les sous-clés résultantes sont cryptographiquement isolées, c'est-à-dire que la connaissance de l'une d'elles n'en révèle aucune autre. L'étirement de la clé n'est pas nécessaire, car la clé de stockage brute est déjà une clé uniformément aléatoire.

Techniquement, tout KDF qui répond aux exigences de sécurité pourrait être utilisé. Cependant, à des fins de test, il est nécessaire de réimplémenter le même KDF dans le code de test. Actuellement, un KDF a été examiné et mis en œuvre ; il se trouve dans le code source de vts_kernel_encryption_test . Il est recommandé que le matériel utilise ce KDF, qui utilise NIST SP 800-108 "KDF en mode compteur" avec AES-256-CMAC comme PRF. Notez que pour être compatibles, toutes les parties de l'algorithme doivent être identiques, y compris le choix des contextes KDF et des étiquettes pour chaque sous-clé.

Emballage de clé

Pour répondre aux objectifs de sécurité des clés encapsulées matériellement, deux types d'encapsulation de clé sont définis :

  • Emballage éphémère : le matériel crypte la clé brute à l'aide d'une clé qui est générée aléatoirement à chaque démarrage et n'est pas directement exposée à l'extérieur du matériel.
  • Emballage à long terme : le matériel chiffre la clé brute à l'aide d'une clé unique et persistante intégrée au matériel qui n'est pas directement exposée à l'extérieur du matériel.

Toutes les clés transmises au noyau Linux pour déverrouiller le stockage sont encapsulées de manière éphémère. Cela garantit que si un attaquant est capable d'extraire une clé en cours d'utilisation de la mémoire système, cette clé sera inutilisable non seulement hors de l'appareil, mais également sur l'appareil après un redémarrage.

Dans le même temps, Android doit toujours être en mesure de stocker une version cryptée des clés sur le disque afin qu'elles puissent être déverrouillées en premier lieu. Les clés brutes fonctionneraient à cette fin. Cependant, il est souhaitable que les clés brutes ne soient jamais présentes dans la mémoire système afin qu'elles ne puissent jamais être extraites pour être utilisées hors de l'appareil, même si elles sont extraites au démarrage. Pour cette raison, le concept d'emballage à long terme est défini.

Pour prendre en charge la gestion des clés encapsulées de ces deux manières différentes, le matériel doit implémenter les interfaces suivantes :

  • Interfaces pour générer et importer des clés de stockage, les renvoyant sous une forme encapsulée à long terme. Ces interfaces sont accessibles indirectement via KeyMint et correspondent à la TAG_STORAGE_KEY TAG_STORAGE_KEY. La capacité « générer » est utilisée par vold pour générer de nouvelles clés de stockage à utiliser par Android, tandis que la capacité « importer » est utilisée par vts_kernel_encryption_test pour importer des clés de test.
  • Une interface pour convertir une clé de stockage encapsulée à long terme en une clé de stockage encapsulée de manière éphémère. Cela correspond à la méthode convertStorageKeyToEphemeral KeyMint. Cette méthode est utilisée à la fois par vold et vts_kernel_encryption_test afin de déverrouiller le stockage.

L'algorithme d'enveloppement de clé est un détail d'implémentation, mais il doit utiliser un AEAD puissant tel que AES-256-GCM avec des IV aléatoires.

Modifications logicielles requises

AOSP dispose déjà d'un cadre de base pour la prise en charge des clés matérielles. Cela inclut la prise en charge des composants de l'espace utilisateur tels que vold , ainsi que la prise en charge du noyau Linux dans blk-crypto , fscrypt et dm-default-key .

Cependant, certaines modifications spécifiques à la mise en œuvre sont nécessaires.

Modifications KeyMint

L'implémentation KeyMint de l'appareil doit être modifiée pour prendre en charge TAG_STORAGE_KEY et implémenter la méthode convertStorageKeyToEphemeral .

Dans Keymaster, exportKey a été utilisé à la place de convertStorageKeyToEphemeral .

Modifications du noyau Linux

Le pilote du noyau Linux pour le moteur de chiffrement en ligne de l'appareil doit être modifié pour définir BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS , faire en sorte que les keyslot_program() et keyslot_evict() prennent en charge la programmation/l'éviction des clés encapsulées dans le matériel et implémenter l'opération derive_raw_secret() .

Essai

Bien que le chiffrement avec des clés matérielles soit plus difficile à tester que le chiffrement avec des clés standard, il est toujours possible de tester en important une clé de test et en réimplémentant la dérivation de clé effectuée par le matériel. Ceci est implémenté dans vts_kernel_encryption_test . Pour exécuter ce test, exécutez :

atest -v vts_kernel_encryption_test

Lisez le journal de test et vérifiez que les cas de test de clés matérielles (par exemple, FBEPolicyTest.TestAesInlineCryptOptimizedHwWrappedKeyPolicy et DmDefaultKeyTest.TestHwWrappedKey ) n'ont pas été ignorés en raison de la prise en charge des clés matérielles non détectées, car les résultats du test seront toujours "réussis" dans ce cas.

Activation

Une fois que la prise en charge des clés matérielles de l'appareil fonctionne correctement, vous pouvez apporter les modifications suivantes au fichier fstab de l'appareil pour qu'Android l'utilise pour le chiffrement FBE et les métadonnées :

  • FBE : ajoutez l'indicateur wrappedkey_v0 au paramètre fileencryption . Par exemple, utilisez fileencryption=::inlinecrypt_optimized+wrappedkey_v0 . Pour plus de détails, consultez la documentation FBE .
  • Chiffrement des métadonnées : ajoutez l'indicateur wrappedkey_v0 au paramètre metadata_encryption . Par exemple, utilisez metadata_encryption=:wrappedkey_v0 . Pour plus de détails, consultez la documentation sur le chiffrement des métadonnées .