特徵

本頁包含 Android Keystore 的加密功能相關資訊，這些功能由底層的 KeyMint (或 Keymaster) 實作提供。

密碼編譯基元

金鑰儲存區提供下列類別的作業：

  • 建立金鑰，產生私密或密鑰內容，且只有安全環境可以存取。用戶端可以透過下列方式建立金鑰：
    • 產生新金鑰
    • 匯入未加密的金鑰內容
    • 匯入加密金鑰內容
  • 金鑰認證：建立非對稱金鑰時，系統會產生包含金鑰組公開金鑰部分的憑證。這項憑證也可以選擇性地保存金鑰的中繼資料和裝置狀態資訊，所有資訊都會由可追溯至信任根的金鑰鏈簽署。
  • 密碼編譯作業：
    • 對稱式加密和解密 (AES、3DES)
    • 非對稱式解密 (RSA)
    • 非對稱式簽署 (ECDSA、RSA)
    • 對稱簽署和驗證 (HMAC)
    • 非對稱金鑰協議 (ECDH)

請注意，Keystore 和 KeyMint 不會處理非對稱金鑰的公開金鑰作業。

產生或匯入金鑰時，系統會指定通訊協定元素 (例如用途、模式和填補) 和存取控制限制，並永久繫結至金鑰，確保金鑰無法用於其他用途。

除了上述清單外，KeyMint (先前為 Keymaster) 實作項目還提供一項服務，但未以 API 形式公開：隨機數字產生。這項功能會在內部用於產生金鑰、初始化向量 (IV)、隨機填補內容，以及需要隨機性的安全通訊協定其他元素。

必要原始物件

所有 KeyMint 實作項目都提供下列功能：

  • RSA
    • 支援 2048、3072 和 4096 位元金鑰
    • 支援公開指數 F4 (2^16+1)
    • RSA 簽署的填補模式：
      • RSASSA-PSS (PaddingMode::RSA_PSS)
      • RSASSA-PKCS1-v1_5 (PaddingMode::RSA_PKCS1_1_5_SIGN)
    • RSA 簽署的摘要模式：
      • SHA-256
    • RSA 加密/解密的填補模式：
      • 無填充物
      • RSAES-OAEP (PaddingMode::RSA_OAEP)
      • RSAES-PKCS1-v1_5 (PaddingMode::RSA_PKCS1_1_5_ENCRYPT)
  • ECDSA
    • 支援 224、256、384 和 521 位元金鑰，分別使用 NIST P-224、P-256、P-384 和 P-521 曲線
    • ECDSA 的摘要模式：
      • 沒有摘要 (已淘汰，日後將移除)
      • SHA-256
  • AES
    • 支援 128 和 256 位元金鑰
    • CBC、CTR、ECB 和 GCM。GCM 實作方式不允許使用小於 96 位元的標記，或長度不是 96 位元的隨機數。
    • CBC 和 ECB 模式支援 PaddingMode::NONE 和 PaddingMode::PKCS7 填補模式。如果沒有填補，且輸入內容不是區塊大小的倍數，CBC 或 ECB 模式加密就會失敗。
  • HMAC SHA-256，金鑰大小至少為 32 個位元組。

強烈建議您在 KeyMint 實作項目中使用 SHA1 和 SHA2 系列的其他成員 (SHA-224、SHA384 和 SHA512)。如果硬體 KeyMint 實作項目未提供這些金鑰，金鑰儲存區會以軟體形式提供。

建議使用部分基本型別，以便與其他系統互通：

  • RSA 的金鑰大小較小
  • RSA 的任意公用指數

金鑰存取權控管

如果攻擊者可以隨意使用硬體型金鑰，即使這些金鑰永遠無法從裝置中擷取，也無法提供多少安全性 (但這類金鑰比「可以」外洩的金鑰更安全)。因此，Keystore 必須強制執行存取權控管。

存取控制項定義為標記/值配對的「授權清單」。授權標記是 32 位元整數，值則為各種型別。部分標記可以重複，以指定多個值。標記是否可以重複，是在 KeyMint HAL 介面中指定。建立金鑰時，呼叫端會指定授權清單。KeyMint 實作項目 (Keystore 底層) 會修改清單，指定一些額外資訊，例如金鑰是否具有回溯保護機制，並傳回「最終」授權清單，編碼至傳回的金鑰 blob 中。如果最終授權清單經過修改，任何嘗試使用金鑰進行加密編譯作業的行為都會失敗。

如果是 Keymaster 2 和更早的版本，可能標記的集合是在列舉 keymaster_authorization_tag_t 中定義，且永久固定 (但可以擴充)。名稱的前置字串為 KM_TAG。代碼 ID 的前四個位元用於表示類型。

Keymaster 3 已將 KM_TAG 前置字元變更為 Tag::。

可能的類型包括：

ENUM：許多標記的值都是在列舉中定義。舉例來說，TAG::PURPOSE 的可能值是在列舉 keymaster_purpose_t 中定義。

ENUM_REP：與 ENUM 相同，但授權清單中可以重複標記。重複表示多個授權值。舉例來說，加密金鑰可能會有 KeyPurpose::ENCRYPT 和 KeyPurpose::DECRYPT。

KeyMint 建立金鑰時，呼叫端會指定金鑰的授權清單。Keystore 和 KeyMint 會修改這份清單，加入額外限制，而底層的 KeyMint 實作會將最終授權清單編碼至傳回的 keyblob。編碼授權清單會以密碼編譯方式繫結至金鑰 Blob，因此任何修改授權清單 (包括排序) 的嘗試都會導致金鑰 Blob 無效，無法用於密碼編譯作業。

硬體與軟體強制執行

並非所有安全硬體實作項目都包含相同的功能。為支援各種方法，Keymaster 會區分安全和不安全的世界存取控制執行，或分別區分硬體和軟體執行。

這會透過 KeyMint API 的 KeyCharacteristics 類型 securityLevel 欄位公開。安全硬體會根據可強制執行的項目，負責將授權放在具有適當安全等級的 KeyCharacteristics 中。這項資訊也會顯示在非對稱金鑰的認證記錄中：SecurityLevel::TRUSTED_ENVIRONMENT 或 SecurityLevel::STRONGBOX 的金鑰特徵會顯示在 hardwareEnforced 清單中，SecurityLevel::SOFTWARE 或 SecurityLevel::KEYSTORE 的特徵則會顯示在 softwareEnforced 清單中。

舉例來說，安全環境通常不會強制執行金鑰使用時間範圍的限制，因為安全環境無法信任日期和時間資訊的存取權。因此，Android 中的 KeyStore 會強制執行 Tag::ORIGINATION_EXPIRE_DATETIME 等授權，並具有 SecurityLevel::KEYSTORE。

如要進一步瞭解如何判斷金鑰及其授權是否由硬體支援，請參閱「金鑰認證」。

加密訊息建構授權

下列標記用於定義使用相關聯金鑰的作業加密特徵：

  • Tag::ALGORITHM
  • Tag::KEY_SIZE
  • Tag::BLOCK_MODE
  • Tag::PADDING
  • Tag::CALLER_NONCE
  • Tag::DIGEST
  • Tag::MGF_DIGEST

下列標記可重複使用，也就是說，單一鍵可與多個值建立關聯：

  • Tag::BLOCK_MODE
  • Tag::PADDING
  • Tag::DIGEST
  • Tag::MGF_DIGEST

要使用的值會在作業時間指定。

目的

金鑰會有一組相關聯的用途，以一或多個含有 Tag::PURPOSE 標記的授權項目表示，定義金鑰的使用方式。相關用途定義於 KeyPurpose.aidl。

請注意，某些用途值組合會造成安全性問題。舉例來說，如果 RSA 金鑰可用於加密和簽署，攻擊者就能說服系統解密任意資料，進而產生簽章。

匯入金鑰

Keymaster 僅支援以 X.509 格式匯出公開金鑰，以及匯入下列項目：

  • 採用 DER 編碼 PKCS#8 格式的非對稱金鑰配對 (不含以密碼為基礎的加密)
  • 以原始位元組表示的對稱金鑰

為確保匯入的金鑰與安全產生的金鑰有所區別，Tag::ORIGIN 會納入適當的金鑰授權清單。舉例來說，如果金鑰是在安全硬體中產生，則會在金鑰特徵的 hw_enforced 清單中找到值為 KeyOrigin::GENERATED 的 Tag::ORIGIN，而匯入安全硬體的金鑰值為 KeyOrigin::IMPORTED。

使用者驗證

安全的 KeyMint 實作項目不會實作使用者驗證，而是依賴其他會這麼做的可信任應用程式。如要瞭解這些應用程式實作的介面，請參閱 Gatekeeper 頁面。

使用者驗證規定是透過兩組標記指定。 第一組表示允許使用金鑰的驗證方法：

  • Tag::USER_SECURE_ID 具有 64 位元的數值，可指定安全驗證權杖中提供的安全使用者 ID，用來解鎖金鑰。如果重複，只要安全驗證權杖中提供任一值，即可使用金鑰。

第二組則表示使用者是否需要驗證身分，以及驗證時間。 如果沒有這兩個標記，但有 Tag::USER_SECURE_ID，每次使用金鑰時都必須驗證。

  • Tag::NO_AUTHENTICATION_REQUIRED 表示不需要使用者驗證，但金鑰的存取權仍僅限於擁有者應用程式 (以及授予存取權的任何應用程式)。
  • Tag::AUTH_TIMEOUT 是數值，以秒為單位，指定授權金鑰使用時，使用者驗證必須有多新。逾時不會跨越重新啟動；重新啟動後，所有驗證都會失效。您可以將逾時時間設為較大的值，表示每次啟動都需要驗證一次 (2^32 秒約為 136 年；想必 Android 裝置重新啟動的頻率會比這個時間更頻繁)。

需要解鎖裝置

只有在裝置解鎖時，才能使用 Tag::UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED 鍵。如需詳細語意，請參閱 KeyProtection.Builder#setUnlockedDeviceRequired(boolean)。

UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED是由 KeyStore 強制執行，而非 KeyMint。不過，在 Android 12 以上版本中，KeyStore 會在裝置鎖定時以加密方式保護UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED金鑰，確保即使 KeyStore 在裝置鎖定時遭到入侵，在大多數情況下也無法使用金鑰。

為此，Keystore 會先「超級加密」所有 UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED 金鑰，再將其儲存在資料庫中，並盡可能在裝置鎖定時保護超級加密金鑰 (超級金鑰)，確保只有成功解鎖裝置才能復原這些金鑰。(之所以使用「超級加密」一詞，是因為除了 KeyMint 已對所有金鑰套用的加密層之外，這個加密層還會額外套用加密機制)。

每個使用者 (包括設定檔) 都有兩個與 UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED 相關聯的超級金鑰：

  • 需要解鎖裝置的對稱超級金鑰。這是 AES‑256‑GCM 金鑰。裝置解鎖時，這項服務會加密匯入或產生的 UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED 金鑰。
  • UnlockedDeviceRequired 非對稱超級金鑰。這是 ECDH P-521 金鑰組。裝置為使用者鎖定時，這項技術會加密匯入或產生的 UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED 金鑰。以這個非對稱金鑰加密的金鑰，會在首次使用時以對稱金鑰重新加密 (只能在裝置解鎖時進行)。

Keystore 會在建立使用者時產生這些超級金鑰，並以使用者合成密碼加密，然後儲存在資料庫中。因此可以使用 PIN 碼、解鎖圖案或密碼等方式復原。

金鑰儲存區也會在記憶體中快取這些超級金鑰，以便對金鑰執行作業。UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED不過，只有在裝置解鎖供使用者存取時，才會嘗試快取這些金鑰的私密部分。當裝置為使用者鎖定時，KeyStore 會盡可能將這些超級金鑰的私密部分快取副本歸零。具體來說，當裝置為使用者鎖定時，KeyStore 會為使用者的 UnlockedDeviceRequired 超級金鑰選取並套用三種保護層級之一：

  • 如果使用者只啟用 PIN 碼、解鎖圖案或密碼，Keystore 會將快取超級金鑰的私密部分歸零。因此，只有透過資料庫中的加密副本才能復原超級金鑰，且必須使用 PIN 碼、解鎖圖案或同等密碼才能解密。
  • 如果使用者只啟用第 3 類 (「強」) 生物特徵辨識和 PIN 碼、解鎖圖案或密碼，Keystore 會安排透過使用者註冊的任何第 3 類生物特徵辨識 (通常是指紋) 復原超級金鑰，做為 PIN 碼、解鎖圖案或密碼的替代方式。為此，它會產生新的 AES-256-GCM 金鑰、使用該金鑰加密超級金鑰的私密部分、將 AES-256-GCM 金鑰匯入 KeyMint 做為生物特徵辨識繫結金鑰 (必須在過去 15 秒內成功完成生物特徵辨識驗證)，並將所有這些金鑰的明文副本歸零。
  • 如果使用者啟用第 1 類 (「便利」) 生物特徵辨識、第 2 類 (「弱」) 生物特徵辨識，或啟用解除鎖定信任代理程式，金鑰儲存區就會以純文字形式快取超級金鑰。在這種情況下，系統不會提供金鑰的加密安全防護。UNLOCKED_DEVICE_REQUIRED使用者可以不要啟用這些解鎖方法，避免使用安全性較低的備用方式。這些類別中最常見的解鎖方法是臉部解鎖 (適用於許多裝置) 和使用已配對的智慧手錶解鎖。

為使用者解鎖裝置後，金鑰儲存區會盡可能復原使用者的 UnlockedDeviceRequired 超級金鑰。如果是 PIN 碼、圖案或密碼等效解鎖方式，系統會解密儲存在資料庫中的這些金鑰副本。否則，系統會檢查是否已儲存以生物特徵辨識綁定金鑰加密的金鑰副本，並嘗試解密。只有在使用者於過去 15 秒內，透過 KeyMint (而非 Keystore) 強制執行的第 3 類生物特徵辨識成功完成驗證時，這項作業才會成功。

用戶端繫結

金鑰與特定用戶端應用程式的關聯 (即用戶端繫結) 是透過選用的用戶端 ID 和一些選用的用戶端資料 (分別為 Tag::APPLICATION_ID 和 Tag::APPLICATION_DATA) 完成。金鑰儲存區會將這些值視為不透明的 Blob，只會確保在金鑰產生/匯入期間呈現的 Blob，在每次使用時都會呈現，且位元組完全相同。KeyMint 未傳回用戶端繫結資料。通話者必須知道這組號碼才能使用通話金鑰。

應用程式無法使用這項功能。

到期日

KeyStore 支援依日期限制金鑰用量。金鑰的有效開始時間和金鑰到期時間可以與金鑰建立關聯，如果目前日期/時間超出有效範圍，Keymaster 會拒絕執行金鑰作業。金鑰有效範圍是使用 Tag::ACTIVE_DATETIME、Tag::ORIGINATION_EXPIRE_DATETIME 和 Tag::USAGE_EXPIRE_DATETIME 標記指定。「來源」和「用途」的區別在於金鑰是否用於「產生」新的密文/簽章/等，或是「使用」現有的密文/簽章/等。請注意，這項區別不會向應用程式公開。

Tag::ACTIVE_DATETIME、Tag::ORIGINATION_EXPIRE_DATETIME 和 Tag::USAGE_EXPIRE_DATETIME 標記為選用項目。如果沒有這些標記，系統會假設相關金鑰一律可用於解密/驗證訊息。

由於掛鐘時間是由非安全世界提供，因此與到期相關的標記會列在軟體強制執行的清單中。

信任根繫結

金鑰必須繫結至信任根，也就是啟動期間提供給 KeyMint 安全硬體的位元字串 (最好由開機載入程式提供)。這個位元字串會以密碼編譯方式繫結至 KeyMint 管理的每個金鑰。

信任根包含用於驗證開機映像檔簽章的公開金鑰，以及裝置的鎖定狀態。如果變更公開金鑰以允許使用其他系統映像檔，或變更鎖定狀態，則除非還原先前的信任根，並啟動以該金鑰簽署的系統，否則先前系統建立的任何 KeyMint 保護金鑰都無法使用。我們的目標是提高軟體強制執行的金鑰存取控制項價值，讓攻擊者安裝的作業系統無法使用 KeyMint 金鑰。

獨立鍵

部分 KeyMint 安全硬體可選擇在內部儲存金鑰內容，並傳回控制代碼，而非加密的金鑰內容。或者，可能要等到其他不安全或安全的世界系統元件可用時，才能使用金鑰。呼叫端可透過 KeyMint HAL，使用 TAG::STANDALONE 標記要求金鑰「獨立」，也就是說，除了 Blob 和執行的 KeyMint 系統外，不需要任何資源。您可以檢查與金鑰相關聯的標記，確認金鑰是否為獨立金鑰。目前僅定義了兩個值：

  • KeyBlobUsageRequirements::STANDALONE
  • KeyBlobUsageRequirements::REQUIRES_FILE_SYSTEM

應用程式無法使用這項功能。

速度

建立時，可以使用 TAG::MIN_SECONDS_BETWEEN_OPS 指定最高用量速度。如果作業是在 TAG::MIN_SECONDS_BETWEEN_OPS 秒前執行，TrustZone 實作項目會拒絕使用該金鑰執行加密作業。

實作速率限制的簡單方法是建立金鑰 ID 和上次使用時間戳記的表格。這個表格的大小有限，但至少可容納 16 個項目。如果表格已滿，且無法更新或捨棄任何項目，安全硬體實作會「安全失敗」，優先拒絕所有速度受限的金鑰作業，直到其中一個項目過期為止。所有項目在重新啟動後過期是可接受的。

您也可以使用 TAG::MAX_USES_PER_BOOT 將金鑰限制為每次啟動 n 次。這也需要追蹤資料表，其中至少要容納四個鍵，且也要安全失敗。請注意，應用程式無法建立每次啟動的受限金鑰。這項功能不會透過 KeyStore 公開，僅供系統運作使用。

應用程式無法使用這項功能。

隨機號碼產生器重新播種

由於安全硬體會產生金鑰素材和初始化向量 (IV) 的隨機號碼，且硬體隨機號碼產生器不一定完全值得信賴，因此 KeyMint HAL 提供介面，讓用戶端提供額外的亂度，並混入產生的隨機號碼。

使用硬體隨機數產生器做為主要種子來源。 透過外部 API 提供的種子資料，不得做為產生隨機數的唯一來源。此外，所用的混合作業必須確保隨機輸出內容無法預測，即使其中一個種子來源無法預測也一樣。