تشفير البيانات الوصفية

تنظيم صفحاتك في مجموعات يمكنك حفظ المحتوى وتصنيفه حسب إعداداتك المفضّلة.

يتوافق الإصدار 7.0 من نظام التشغيل Android والإصدارات الأحدث مع التشفير المستند إلى الملف (FBE). مكتب التحقيقات الفيدرالي يسمح بتشفير الملفات المختلفة باستخدام مفاتيح مختلفة يمكن فتح قفلها. كل على حدة. تُستخدم هذه المفاتيح لتشفير محتوى الملفات وأسماءها. عند استخدام ميزة "التشفير من جهة العميل"، لا يتم تشفير معلومات أخرى، مثل تنسيقات الأدلة وحجم الملفات والأذونات وأوقات الإنشاء/التعديل. وتُعرف هذه المعلومات الأخرى بشكلٍ جماعي باسم البيانات الوصفية لنظام الملفات.

وفّر نظام التشغيل Android 9 إمكانية تشفير البيانات الوصفية. باستخدام تشفير البيانات الوصفية، يشفِّر مفتاح واحد متوفّر في وقت التشغيل أي محتوى المحتوى غير مشفّر من قِبل FBE. تتم حماية هذا المفتاح من خلال Keymaster، والذي بدوره محمي من خلال ميزة "التمهيد التحقق منه".

يتم دائمًا تفعيل تشفير البيانات الوصفية على مساحة التخزين القابلة للاستخدام عند تفعيل FBE. يمكن أيضًا تفعيل تشفير البيانات الوصفية في مساحة التخزين الداخلية. يجب أن تكون ميزة تشفير البيانات الوصفية مفعَّلة في الأجهزة التي تعمل بالإصدار 11 من نظام التشغيل Android أو الإصدارات الأحدث على مساحة التخزين الداخلية.

التنفيذ على مساحة التخزين الداخلية

يمكنك إعداد تشفير البيانات الوصفية في مساحة التخزين الداخلية للأجهزة الجديدة من خلال إعداد نظام الملفات metadata وتغيير تسلسل init و تفعيل تشفير البيانات الوصفية في ملف fstab الخاص بالجهاز.

المتطلّبات الأساسية

لا يمكن إعداد تشفير البيانات الوصفية إلا عند إعادة تنسيق قسم البيانات لأول مرة. ونتيجةً لذلك، تتوفّر هذه الميزة للأجهزة الجديدة فقط. هذا ليس شيء ينبغي أن تغيره OTA.

يتطلّب تشفير البيانات الوصفية تفعيل dm-default-key في النواة. في الإصدار 11 من نظام التشغيل Android والإصدارات الأحدث، يتوافق dm-default-key مع نواة Android الشائعة، الإصدار 4.14 والإصدارات الأحدث. يستخدم هذا الإصدار من dm-default-key جهازًا إطار عمل لتشفير البيانات مستقل عن المورّد يُسمى blk-crypto.

لتفعيل ميزة dm-default-key، استخدِم:

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION=y
CONFIG_FS_ENCRYPTION_INLINE_CRYPT=y
CONFIG_DM_DEFAULT_KEY=y

يستخدم dm-default-key أجهزة التشفير المضمّنة (الأجهزة التي تتشفّر/تفكّ التشفير للبيانات أثناء نقلها إلى جهاز التخزين أو العكس) عند توفّرها. إذا كنت لا تستخدِم أجهزة التشفير المضمّنة، يجب أيضًا تفعيل ميزة التراجع إلى واجهة برمجة تطبيقات التشفير في النواة:

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y

عند عدم استخدام أجهزة التشفير المضمّنة، عليك أيضًا تفعيل أي تسريع متاح استنادًا إلى وحدة المعالجة المركزية كما هو مقترَح في مستندات FBE.

في الإصدار 10 من Android والإصدارات الأقدم، لم يكن dm-default-key متوافقًا مع نواة Android الشائعة. وبالتالي، كان على المورّدين تنفيذ dm-default-key.

إعداد نظام ملفات البيانات الوصفية

بما أنّه لا يمكن قراءة أي محتوى في قسم "بيانات المستخدم" إلى أن يتوفّر مفتاح تشفير البيانات الوصفية، يجب أن يخصّص جدول الأقسام قسمًا منفصلاً يُسمى "قسم البيانات الوصفية" لتخزين مجموعات البيانات الخاصة بـ Keymaster التي تحمي هذا المفتاح. يجب أن يكون حجم قسم البيانات الوصفية 16 ميغابايت.

يجب أن يتضمّن fstab.hardware إدخالًا لنظام الملفات للبيانات الوصفية الذي يقع على هذا القسم ويتم تثبيته في /metadata، بما في ذلك العلامة formattable لضمان تنسيقه في وقت التشغيل. تشير رسالة الأشكال البيانية لا يعمل نظام ملفات f2fs على الأقسام الأصغر. ننصحك باستخدام ext4 بدلاً من ذلك. مثلاً:

/dev/block/bootdevice/by-name/metadata              /metadata          ext4        noatime,nosuid,nodev,discard                          wait,check,formattable

للتأكّد من توفّر نقطة ربط /metadata، أضِف السطر التالي إلى BoardConfig-common.mk:

BOARD_USES_METADATA_PARTITION := true

التغييرات في تسلسل البداية

عند استخدام ميزة تشفير البيانات الوصفية، يجب أن يكون vold قيد التشغيل قبل تثبيت /data. للتأكد من أنه تم البدء في وقت مبكر بما فيه الكفاية، أضف المقطع التالي إلى init.hardware.rc:

# We need vold early for metadata encryption
on early-fs
    start vold

يجب أن يكون مفتاح التشفير قيد التشغيل وجاهزًا قبل محاولة التثبيت. /data

يجب أن يحتوي init.hardware.rc على mount_all تعليمات لتحميل /data في مقطع on late-fs. قبل هذا السطر، أضف التوجيه لتنفيذ خدمة wait_for_keymaster:

on late-fs
   … 
    # Wait for keymaster
    exec_start wait_for_keymaster

    # Mount RW partitions which need run fsck
    mount_all /vendor/etc/fstab.${ro.boot.hardware.platform} --late

تفعيل تشفير البيانات الوصفية

أخيرًا، أضِف keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption إلى عمود fs_mgr_flags في إدخال fstab لملف userdata. على سبيل المثال، قد يبدو سطر fstab كاملاً على النحو التالي:

/dev/block/bootdevice/by-name/userdata              /data              f2fs        noatime,nosuid,nodev,discard,inlinecrypt latemount,wait,check,fileencryption=aes-256-xts:aes-256-cts:inlinecrypt_optimized,keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption,quota,formattable

تكون خوارزمية تشفير البيانات الوصفية في مساحة التخزين الداخلية هي AES-256-XTS تلقائيًا. ويمكن إلغاء ذلك من خلال تعيين metadata_encryption، أيضًا في عمود fs_mgr_flags:

• في الأجهزة التي لا تتضمّن تسريع AES، يمكن تنفيذ تشفير Adiantum. مفعَّلة من خلال ضبط metadata_encryption=adiantum
• على الأجهزة التي تتيح استخدام المفاتيح المشفَّرة بالأجهزة، يمكن جعل مفتاح تشفير البيانات الوصفية مشفَّرًا بالأجهزة من خلال ضبط metadata_encryption=aes-256-xts:wrappedkey_v0 (أو القيمة المكافئة metadata_encryption=:wrappedkey_v0، لأنّ aes-256-xts هي الخوارزمية التلقائية).

بما أنّ واجهة kernel مع dm-default-key تغيّرت في Android 11، عليك أيضًا التأكّد من ضبط القيمة الصحيحة لـ PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL في device.mk. على سبيل المثال، إذا كان الجهاز يبدأ تشغيله مع Android 11 (مستوى واجهة برمجة التطبيقات 30)، على device.mk تحتوي على:

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

يمكنك أيضًا ضبط خاصية النظام التالية لإجبار استخدام واجهة برمجة التطبيقات الجديدة dm-default-key بغض النظر عن مستوى واجهة برمجة التطبيقات للشحن:

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.crypto.dm_default_key.options_format.version=2

التحقُّق

للتأكّد من تفعيل تشفير البيانات الوصفية وعمل هذا التشفير بشكلٍ صحيح، عليك إجراء الاختبارات الموضّحة أدناه. ضع أيضًا في اعتبارك الشائع المشكلات الموضحة أدناه.

الاختبارات

ابدأ بتنفيذ الأمر التالي للتأكّد من تفعيل ميزة تشفير البيانات الوصفية في مساحة التخزين الداخلية:

adb root
adb shell dmctl table userdata

من المفترض أن يكون الناتج مشابهًا لما يلي:

Targets in the device-mapper table for userdata:
0-4194304: default-key, aes-xts-plain64 - 0 252:2 0 3 allow_discards sector_size:4096 iv_large_sectors

إذا تخطت إعدادات التشفير الافتراضية من خلال تعيين metadata_encryption في fstab على الجهاز، ثم فإن الإخراج يختلف قليلاً عما ورد أعلاه. على سبيل المثال، إذا فعّلت تشفير Adiantum، هو xchacha12,aes-adiantum-plain64 بدلاً من aes-xts-plain64

بعد ذلك، شغِّل vts_kernel_encryption_test. للتحقق من صحة تشفير البيانات الوصفية وFBE:

atest vts_kernel_encryption_test

أو:

vts-tradefed run vts -m vts_kernel_encryption_test

المشاكل الشائعة

أثناء الاتصال بـ mount_all الذي يُثبِّت القسم /data المشفَّر بالبيانات الوصفية، ينفِّذ init أداة vdc. تتصل أداة vdc بـ vold عبر binder لإعداد الجهاز المشفَّر بالبيانات الوصفية وتثبيت القسم. خلال مدّة هذا الطلب، يتم حظر init، وسيتم حظر محاولات قراءة أو ضبط سمات init إلى أن تنتهي mount_all. في هذه المرحلة، إذا تم حظر أي جزء من عمل vold مباشرةً أو بشكل غير مباشر عند قراءة خاصيّة أو ضبطها، سيؤدي ذلك إلى حدوث "توقّف عمليات متعددة في انتظار بعضها". من المهم التأكّد من أنّه يمكن لـ vold إكمال عملية قراءة المفاتيح والتفاعل مع Keymaster وتحميل دليل البيانات بدون التفاعل أكثر مع init.

إذا لم يتم تشغيل Keymaster بالكامل عند تشغيل mount_all، لن يردّ علىvold إلى أن يقرأ سمات معيّنة منinit، ما يؤدي إلى حدوث التوقف المفاجئ الموضّح بالضبط. يضمن وضع exec_start wait_for_keymaster فوق دعوة mount_all ذات الصلة كما هو موضّح أنّه يتم تشغيل Keymaster بالكامل مسبقًا، وبالتالي تجنُّب حدوث هذا التوقف المفاجئ.

الإعداد على مساحة التخزين القابلة للاستخدام

بدءًا من نظام التشغيل Android 9، كان أحد أشكال تشفير البيانات الوصفية مفعَّلة دائمًا على مساحة التخزين القابلة للاستخدام عند تفعيل FBE، حتى في حال عدم تفعيل تشفير البيانات الوصفية على وحدة التخزين الداخلية.

في AOSP، هناك طريقتان لتنفيذ تشفير البيانات الوصفية في ميزة "مساحة التخزين القابلة للتخصيص": طريقة قديمة تستند إلى dm-crypt وطريقة أحدث تستند إلى dm-default-key. لضمان اختيار التنفيذ الصحيح لجهازك، تأكَّد من ضبط القيمة الصحيحة لملف PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL في device.mk. على سبيل المثال: إذا تم تشغيل الجهاز يعمل بالإصدار Android 11 (المستوى 30 لواجهة برمجة التطبيقات)، يجب أن يحتوي device.mk على:

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

يمكنك أيضًا ضبط سمات النظام التالية لإجبار استخدام أسلوب التشفير الجديد للبيانات الوصفية المجمّعة (وإصدار سياسة FBE التلقائية الجديد) بغض النظر عن مستوى واجهة برمجة التطبيقات للشحن:

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.crypto.volume.metadata.method=dm-default-key \
    ro.crypto.dm_default_key.options_format.version=2 \
    ro.crypto.volume.options=::v2

الطريقة الحالية

على الأجهزة التي تعمل بنظام التشغيل Android 11 أو الإصدارات الأحدث، يستخدم تشفير البيانات الوصفية على مساحة التخزين القابلة للاستخدام dm-default-key kernel، كما هو الحال في وحدة التخزين الداخلية. راجِع المتطلبات الأساسية أعلاه لمعرفة خيارات إعدادات kernel التي يجب تفعيلها. تجدر الإشارة إلى أنّ أجهزة التشفير المضمّن التي تعمل على قد لا تكون وحدة التخزين الداخلية للجهاز متاحة على وحدة تخزين قابلة للاستخدام، وبالتالي قد يكون CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y مطلوبًا.

تلقائيًا، تستخدم طريقة تشفير البيانات الوصفية للوحدة dm-default-key خوارزمية التشفير AES-256-XTS مع قطاعات تشفير بحجم 4096 بايت. تشير رسالة الأشكال البيانية أن يتم تجاوز الخوارزمية من خلال تعيين خاصية نظام واحدة (ro.crypto.volume.metadata.encryption) هذا النمط قيمة السمة لها بنية السمة metadata_encryption نفسها fstab الموضح أعلاه. على سبيل المثال، على الأجهزة التي لا تتضمّن ميزة تسريع التشفير باستخدام مفتاح AES، يمكن تفعيل التشفير باستخدام Adiantum من خلال ضبط القيمة ro.crypto.volume.metadata.encryption=adiantum.

الطريقة القديمة

البيانات الوصفية للأجهزة التي تعمل بنظام التشغيل Android 10 أو الإصدارات الأقدم يستخدم التشفير على مساحة التخزين القابلة للاستخدام وحدة نواة dm-crypt بدلاً من dm-default-key:

CONFIG_DM_CRYPT=y

على عكس طريقة dm-default-key، تؤدي طريقة dm-crypt إلى تشفير محتوى الملف مرتين: مرة باستخدام مفتاح تشفير الملفات المشفَّرة بالكامل ومرة باستخدام مفتاح تشفير البيانات الوصفية. يقلل هذا التشفير المزدوج من الأداء ليس مطلوبًا لتحقيق الأهداف الأمنية لتشفير البيانات الوصفية، حيث إن Android يضمن أن تكون مفاتيح FBE بنفس صعوبة اختراق البيانات الوصفية مفتاح التشفير. يمكن للمورّدين إجراء تخصيصات للنواة لتجنُّب التشفير العميق، لا سيما من خلال تنفيذ الخيار allow_encrypt_override الذي يمرره Android إلى dm-crypt عند ضبط خاصية النظام ro.crypto.allow_encrypt_override على true. لا تتوافق هذه التخصيصات مع نواة Android الشائعة.

تستخدم طريقة تشفير البيانات الوصفية الخاصة بالصوت dm-crypt تلقائيًا خوارزمية التشفير AES-128-CBC مع قطاعَي التشفير ESSIV و512 بايت يمكن تجاوز هذه الإعدادات من خلال ضبط خصائص النظام التالية (التي يتم استخدامها أيضًا لميزة "التشفير من جهة العميل"):

• ro.crypto.fde_algorithm يختار خوارزمية تشفير البيانات الوصفية. الخيارات هي aes-128-cbc adiantum لا يمكن استخدام Adiantum إلا إذا كان الجهاز لا يتضمّن ميزة تسريع التشفير باستخدام مفتاح AES.
• سيختار ro.crypto.fde_sector_size حجم قطاع العملات المشفّرة. الخيارات هي 512 و1024 و2048 و4096. لتشفير Adiantum، استخدِم 4096.