Mã hoá siêu dữ liệu

Hỗ trợ Android 7.0 trở lên mã hoá dựa trên tệp (FBE). FBE cho phép mã hoá các tệp khác nhau bằng các khoá khác nhau mà có thể mở khoá một cách độc lập. Các khoá này dùng để mã hoá cả nội dung tệp và tên tệp. Khi sử dụng FBE, các thông tin khác như bố cục thư mục, kích thước tệp, quyền truy cập và thời gian tạo/sửa đổi thì không được mã hoá. Nói chung, thông tin khác này được gọi là siêu dữ liệu hệ thống tệp.

Android 9 ra mắt tính năng hỗ trợ tính năng mã hoá siêu dữ liệu. Với tính năng mã hoá siêu dữ liệu, một khoá duy nhất có tại thời điểm khởi động sẽ mã hoá mọi thông tin nội dung không được FBE mã hoá. Khoá này được bảo vệ bởi Keymaster, được bảo vệ bằng quy trình khởi động xác minh.

Tính năng mã hoá siêu dữ liệu luôn bật trên bộ nhớ cho phép bất cứ khi nào tính năng FBE được bật. Bạn cũng có thể bật tính năng mã hoá siêu dữ liệu trên bộ nhớ trong. Thiết bị đã ra mắt với Android 11 trở lên phải mã hoá siêu dữ liệu trên bộ nhớ trong.

Triển khai trên bộ nhớ trong

Bạn có thể thiết lập lớp mã hoá siêu dữ liệu trên bộ nhớ trong của thiết bị mới bằng cách thiết lập hệ thống tệp metadata, thay đổi trình tự khởi tạo và bật tính năng mã hoá siêu dữ liệu trong tệp fstab của thiết bị.

Điều kiện tiên quyết

Bạn chỉ có thể thiết lập phương thức mã hoá siêu dữ liệu khi phân vùng dữ liệu được thiết lập trước đã định dạng. Do đó, tính năng này chỉ dành cho các thiết bị mới; đây không phải là điều gì đó mà OTA nên thay đổi.

Việc mã hoá siêu dữ liệu yêu cầu mô-đun dm-default-key bật trong nhân của mình. Trong Android 11 trở lên, dm-default-key được hỗ trợ bởi các nhân hệ điều hành phổ biến của Android, phiên bản 4.14 trở lên. Phiên bản dm-default-key này sử dụng phần cứng và khung mã hoá độc lập với nhà cung cấp có tên là blk-Crypto.

Để bật dm-default-key, hãy sử dụng: 

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION=y
CONFIG_FS_ENCRYPTION_INLINE_CRYPT=y
CONFIG_DM_DEFAULT_KEY=y

dm-default-key sử dụng phần cứng mã hoá nội tuyến (phần cứng mã hoá/giải mã dữ liệu trong quá trình truyền đến/từ thiết bị lưu trữ) khi sẵn có. Nếu bạn không sử dụng phần cứng mã hoá cùng dòng, thì cũng cần bật tính năng dự phòng cho API mã hoá của nhân: 

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y

Khi không sử dụng phần cứng mã hoá cùng dòng, bạn cũng nên bật mọi tuỳ chọn Tăng tốc dựa trên CPU theo đề xuất trong tài liệu FBE.

Trong Android 10 trở xuống, dm-default-key không được nhân hệ điều hành chung của Android hỗ trợ. Vì vậy, nhà cung cấp có trách nhiệm để triển khai dm-default-key.

Thiết lập hệ thống tệp siêu dữ liệu

Bởi vì không có dữ liệu nào trong phân vùng dữ liệu người dùng có thể được đọc cho đến khi siêu dữ liệu có khoá mã hoá, bảng phân vùng phải dành riêng một khoá được gọi là "phân vùng siêu dữ liệu" để lưu trữ các blob keymaster bảo vệ khoá này. Phân vùng siêu dữ liệu phải có kích thước 16MB.

fstab.hardware phải bao gồm một mục nhập cho hệ thống tệp siêu dữ liệu nằm trên phân vùng đó, gắn kết nó tại /metadata, bao gồm cờ formattable để đảm bảo mã được định dạng vào thời điểm khởi động. Chiến lược phát hành đĩa đơn Hệ thống tệp f2fs không hoạt động trên các phân vùng nhỏ hơn; bạn nên dùng ext4 thay thế. Ví dụ: 

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

Để đảm bảo điểm gắn /metadata đã tồn tại, hãy thêm dòng sau đến BoardConfig-common.mk: 

BOARD_USES_METADATA_PARTITION := true

Các thay đổi đối với trình tự khởi tạo

Khi sử dụng tính năng mã hoá siêu dữ liệu, vold phải chạy trước /data đã được gắn kết. Để đảm bảo sự kiện bắt đầu đủ sớm, hãy thêm đoạn thơ sau cho init.hardware.rc: 

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

Keymaster phải đang chạy và sẵn sàng trước khi bắt đầu cố gắng gắn kết /data.

init.hardware.rc phải chứa mount_all lệnh gắn /data chính nó trong khổ on late-fs. Trước dòng này, thêm lệnh để thực thi Dịch vụ 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

Bật tính năng mã hóa siêu dữ liệu

Cuối cùng, hãy thêm keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption vào Cột fs_mgr_flags của mục nhập fstab cho userdata. Ví dụ: một dòng fstab đầy đủ có thể có dạng như sau: 

/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

Theo mặc định, thuật toán mã hoá siêu dữ liệu trên bộ nhớ trong là AES-256-XTS. Bạn có thể ghi đè lựa chọn này bằng cách đặt giá trị metadata_encryption, cũng trong Cột fs_mgr_flags:

  • Trên các thiết bị không hỗ trợ tăng tốc AES, tính năng mã hoá Adiantum có thể được bật bằng cách đặt metadata_encryption=adiantum.
  • Trên các thiết bị hỗ trợ khoá gói phần cứng, thì khoá mã hoá siêu dữ liệu có thể được gói phần cứng bằng cách cài đặt metadata_encryption=aes-256-xts:wrappedkey_v0 (hoặc tương đương với metadata_encryption=:wrappedkey_v0, vì aes-256-xts là thuật toán mặc định).

Do giao diện kernel thành dm-default-key đã thay đổi trong Android 11, bạn cũng cần đảm bảo rằng bạn đã đặt giá trị chính xác cho PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL trong device.mk. Ví dụ: nếu thiết bị của bạn chạy cùng với Android 11 (API cấp 30), device.mk phải chứa: 

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

Bạn cũng có thể thiết lập thuộc tính hệ thống sau đây để buộc sử dụng thuộc tính mới API dm-default-key bất kể cấp độ API vận chuyển: 

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

Xác nhận kết quả

Để xác minh rằng tính năng mã hoá siêu dữ liệu đã được bật và hoạt động chính xác, các thử nghiệm được mô tả bên dưới. Ngoài ra, hãy lưu ý đến thông tin chung như mô tả dưới đây.

Kiểm thử

Bắt đầu bằng cách chạy lệnh sau để xác minh rằng mã hoá siêu dữ liệu đã bật trên bộ nhớ trong: 

adb root
adb shell dmctl table userdata

Nội dung xuất sẽ tương tự như:

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

Nếu bạn ghi đè các chế độ cài đặt mã hoá mặc định bằng cách đặt metadata_encryption trong fstab của thiết bị, sau đó kết quả sẽ hơi khác so với kết quả ở trên. Ví dụ: nếu bạn bật mã hóa Adiantum, thì sẽ là xchacha12,aes-adiantum-plain64 thay vì aes-xts-plain64.

Tiếp theo, hãy chạy lệnh vts_kernel_encryption_test để xác minh tính chính xác của mã hoá siêu dữ liệu và FBE: 

atest vts_kernel_encryption_test

hoặc:

vts-tradefed run vts -m vts_kernel_encryption_test

Các vấn đề thường gặp

Trong lệnh gọi đến mount_all, lệnh này gắn siêu dữ liệu đã mã hoá Phân vùng /data, init sẽ thực thi công cụ vdc. Vdc công cụ kết nối với vold qua binder để thiết lập thiết bị được mã hoá siêu dữ liệu và gắn kết phân vùng. Trong khoảng thời gian này cuộc gọi, init bị chặn và cố gắng đọc hoặc đặt Các thuộc tính init sẽ bị chặn cho đến khi mount_all kết thúc. Nếu ở giai đoạn này, bất kỳ phần nào trong công việc của vold trực tiếp hoặc bị chặn gián tiếp khi đọc hoặc đặt thuộc tính, thì tình trạng tắc nghẽn sẽ xảy ra. Đó là để đảm bảo rằng vold có thể hoàn tất thao tác đọc khoá, tương tác với Keymaster và gắn thư mục dữ liệu mà không cần tương tác nhiều hơn với init.

Nếu Keymaster chưa khởi động hoàn toàn khi mount_all chạy, thì Keymaster sẽ không phản hồi vold cho đến khi đọc một số thuộc tính nhất định từ init, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn chính xác được mô tả. Đặt hàng exec_start wait_for_keymaster trên mức có liên quan Lệnh gọi mount_all như đã đề ra đảm bảo rằng Keymaster hoàn toàn chạy trước nên tránh được tình trạng tắc nghẽn này.

Cấu hình trên bộ nhớ có thể sử dụng

Kể từ Android 9, một hình thức mã hoá siêu dữ liệu được luôn bật trên bộ nhớ tích hợp bất cứ khi nào FBE được bật, ngay cả khi chế độ mã hoá siêu dữ liệu không được bật trên bộ nhớ trong.

Trong AOSP, có hai cách triển khai mã hoá siêu dữ liệu trên bộ nhớ: một bộ nhớ không dùng nữa dựa trên dm-crypt và một bộ nhớ mới hơn dựa trên vào ngày dm-default-key. Để đảm bảo rằng triển khai chính xác cho thiết bị của bạn, hãy đảm bảo rằng bạn đã đặt giá trị chính xác cho PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL trong device.mk. Ví dụ: nếu thiết bị chạy Android 11 (API cấp 30), device.mk phải chứa: 

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

Bạn cũng có thể thiết lập các thuộc tính hệ thống sau để buộc sử dụng thuộc tính mới phương thức mã hoá siêu dữ liệu thể tích (và phiên bản chính sách FBE mặc định mới) bất kể cấp độ API vận chuyển: 

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

Phương thức hiện tại

Trên các thiết bị chạy Android 11 trở lên, việc mã hoá siêu dữ liệu trên bộ nhớ có thể sử dụng sử dụng dm-default-key nhân, giống như trên bộ nhớ trong. Xem các điều kiện tiên quyết ở trên đối với cấu hình nhân hệ điều hành để bật. Lưu ý rằng phần cứng mã hoá nội tuyến hoạt động trên bộ nhớ trong của thiết bị có thể không có sẵn trên bộ nhớ có thể chấp nhận và do đó Bạn có thể cần phải nhập CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y.

Theo mặc định, phương thức mã hoá siêu dữ liệu ổ đĩa dm-default-key sử dụng thuật toán mã hóa AES-256-XTS với các lĩnh vực mật mã 4096 byte. Chiến lược phát hành đĩa đơn bạn có thể ghi đè thuật toán bằng cách đặt Thuộc tính hệ thống ro.crypto.volume.metadata.encryption. Chiến dịch này giá trị của thuộc tính có cú pháp giống như metadata_encryption fstab được mô tả ở trên. Ví dụ: trên các thiết bị không có AES tăng tốc, mã hoá Adiantum có thể được bật bằng cách cài đặt ro.crypto.volume.metadata.encryption=adiantum.

Phương thức cũ

Trên các thiết bị chạy Android 10 trở xuống, siêu dữ liệu mã hoá trên bộ nhớ áp dụng sử dụng mô-đun nhân dm-crypt thay vì dm-default-key: 

CONFIG_DM_CRYPT=y

Không giống như phương thức dm-default-key, phương thức dm-crypt khiến nội dung tệp được mã hoá hai lần: một lần bằng khoá FBE và một lần bằng khoá khoá mã hoá siêu dữ liệu. Phương thức mã hoá kép này làm giảm hiệu suất và không cần thiết để đạt được các mục tiêu bảo mật của việc mã hoá siêu dữ liệu, vì Android đảm bảo rằng khoá FBE ít nhất cũng khó bị xâm phạm như siêu dữ liệu khoá mã hoá. Các nhà cung cấp có thể tuỳ chỉnh nhân hệ điều hành để tránh trường hợp mã hoá, cụ thể là bằng cách triển khai Tuỳ chọn allow_encrypt_override mà Android sẽ truyền đến dm-crypt khi thuộc tính hệ thống ro.crypto.allow_encrypt_override được đặt thành true. Nhân hệ điều hành thông thường của Android không hỗ trợ những tuỳ chỉnh này.

Theo mặc định, phương thức mã hoá siêu dữ liệu ổ đĩa dm-crypt sử dụng Thuật toán mã hoá AES-128-CBC với các lĩnh vực tiền mã hoá 512 byte và ESSIV. Chiến dịch này có thể bị ghi đè bằng cách đặt các thuộc tính hệ thống sau (cũng nằm được sử dụng cho FDE):

  • ro.crypto.fde_algorithm chọn phương thức mã hoá siêu dữ liệu thuật toán. Các lựa chọn là aes-128-cbc và adiantum Chỉ có thể sử dụng Adiantum nếu thiết bị thiếu tính năng tăng tốc AES.
  • ro.crypto.fde_sector_size chọn quy mô khu vực tiền mã hoá. Các lựa chọn là 512, 1024, 2048 và 4096. Đối với mã hoá Adiantum, hãy sử dụng 4096.