การเชื่อมโยงเวอร์ชัน

ใน Keymaster 1 คีย์ Keymaster ทั้งหมดจะเชื่อมโยงกับอุปกรณ์ Root of Trust หรือคีย์การบูตที่ยืนยันแล้วด้วยการเข้ารหัส ใน Keymaster 2 และ 3 คีย์ทั้งหมดจะเชื่อมโยงกับระบบปฏิบัติการและระดับแพตช์ของอิมเมจระบบด้วย ซึ่งจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าผู้โจมตีที่ค้นพบจุดอ่อนในซอฟต์แวร์ระบบหรือ TEE เวอร์ชันเก่า จะไม่สามารถย้อนอุปกรณ์กลับไปใช้เวอร์ชันที่มีช่องโหว่ และใช้คีย์ที่สร้างด้วยเวอร์ชันใหม่กว่าได้ นอกจากนี้ เมื่อใช้คีย์ ที่มีเวอร์ชันและระดับแพตช์ที่กำหนดในอุปกรณ์ที่อัปเกรด เป็นเวอร์ชันหรือระดับแพตช์ที่ใหม่กว่า ระบบจะอัปเกรดคีย์ก่อนจึงจะใช้งานได้ และจะทำให้คีย์เวอร์ชันก่อนหน้าใช้งานไม่ได้ ด้วยวิธีนี้ เมื่อมีการอัปเกรดอุปกรณ์ คีย์จะ *เลื่อน* ไปพร้อมกับอุปกรณ์ แต่การ เปลี่ยนอุปกรณ์กลับไปเป็นรุ่นก่อนหน้าจะทำให้คีย์ใช้ไม่ได้

เพื่อรองรับโครงสร้างแบบโมดูลของ Treble และยกเลิกการเชื่อมโยง system.img กับ boot.img, Keymaster 4 จึงเปลี่ยนรูปแบบการเชื่อมโยงเวอร์ชันคีย์ให้มี ระดับแพตช์แยกต่างหากสำหรับแต่ละพาร์ติชัน ซึ่งจะช่วยให้แต่ละพาร์ติชันได้รับการอัปเดต แยกกันได้ ขณะที่ยังคงมีการป้องกันการย้อนกลับ

หากต้องการใช้การเชื่อมโยงเวอร์ชันนี้ แอปที่เชื่อถือได้ของ KeyMint (TA) ต้องมีวิธีรับเวอร์ชันของระบบปฏิบัติการและระดับแพตช์ปัจจุบันอย่างปลอดภัย และตรวจสอบว่าข้อมูลที่ได้รับตรงกับข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับ ระบบที่กำลังทำงาน

• อุปกรณ์ที่มีการเปิดเครื่องที่ได้รับการยืนยันของ Android (AVB) สามารถใส่ระดับแพตช์ทั้งหมด และเวอร์ชันของระบบใน vbmeta เพื่อให้ Bootloader สามารถระบุข้อมูลดังกล่าวให้กับ Keymaster ได้ สำหรับพาร์ติชันที่เชื่อมโยง ข้อมูลเวอร์ชันของพาร์ติชันจะอยู่ใน vbmeta ที่เชื่อมโยง โดยทั่วไป ข้อมูลเวอร์ชันควรอยู่ใน vbmeta struct ที่มีข้อมูลการยืนยัน (แฮชหรือ แฮชทรี) สำหรับพาร์ติชันที่กำหนด
• ในอุปกรณ์ที่ไม่มี AVB ให้ทำดังนี้
  • การติดตั้งใช้งานการเปิดเครื่องที่ได้รับการยืนยันต้องระบุแฮชของข้อมูลเมตาเวอร์ชัน ให้กับ Bootloader เพื่อให้ Bootloader ระบุแฮชให้กับ Keymaster ได้
  • boot.img สามารถจัดเก็บระดับแพตช์ในส่วนหัวต่อไปได้
  • system.img สามารถจัดเก็บระดับแพตช์และเวอร์ชันของระบบปฏิบัติการในพร็อพเพอร์ตี้แบบอ่านอย่างเดียวต่อไปได้
  • vendor.img จัดเก็บระดับแพตช์ในพร็อพเพอร์ตี้แบบอ่านอย่างเดียว ro.vendor.build.version.security_patch
  • Bootloader สามารถระบุแฮชของข้อมูลทั้งหมดที่การเปิดเครื่องที่ได้รับการยืนยัน ตรวจสอบแล้ว ไปยัง Keymaster ได้
• ใน Android 9 ให้ใช้แท็กต่อไปนี้เพื่อระบุข้อมูลเวอร์ชันสำหรับพาร์ติชันต่อไปนี้
  • VENDOR_PATCH_LEVEL: พาร์ติชัน vendor
  • BOOT_PATCH_LEVEL: พาร์ติชัน boot
  • OS_PATCH_LEVEL และ OS_VERSION: พาร์ติชัน system (ระบบนำ OS_VERSION ออกจาก ส่วนหัวของ boot.img
• การติดตั้งใช้งาน Keymaster ควรจัดการระดับแพตช์ทั้งหมดแยกกัน คีย์จะใช้ได้หากข้อมูลเวอร์ชันทั้งหมดตรงกับค่าที่เชื่อมโยงกับคีย์ และIKeymaster::upgradeDevice()จะอัปเกรดเป็นระดับแพตช์ที่สูงขึ้นหากจำเป็น

การเปลี่ยนแปลง HAL

Android 7.1 ได้เพิ่มแท็ก Tag::OS_VERSION และ Tag::OS_PATCHLEVEL รวมถึงเมธอด configure และ upgradeKey เพื่อรองรับการเชื่อมโยงเวอร์ชันและการรับรองเวอร์ชัน การติดตั้งใช้งาน Keymaster 2 ขึ้นไปจะเพิ่มแท็กเวอร์ชัน ลงในคีย์ที่สร้างขึ้นใหม่ทั้งหมด (หรืออัปเดต) โดยอัตโนมัติ นอกจากนี้ ระบบจะปฏิเสธความพยายามใดๆ ในการใช้คีย์ที่ไม่มีเวอร์ชันหรือระดับแพตช์ของระบบปฏิบัติการที่ตรงกับเวอร์ชันหรือระดับแพตช์ของระบบปฏิบัติการปัจจุบันตามลำดับ โดยมีข้อความ ErrorCode::KEY_REQUIRES_UPGRADE

Tag::OS_VERSION คือค่า UINT ที่แสดงส่วนเวอร์ชันหลัก เวอร์ชันย่อย และเวอร์ชันย่อยรองของระบบ Android เป็น MMmmss โดยที่ MM คือเวอร์ชันหลัก, mm คือเวอร์ชันย่อย และ ss คือเวอร์ชันย่อยรอง เช่น 6.1.2 จะแสดงเป็น 060102

Tag::OS_PATCHLEVEL คือค่า UINT ที่แสดงถึง ปีและเดือนของการอัปเดตระบบครั้งล่าสุดในรูปแบบ YYYYMM โดย YYYY คือ ปี 4 หลัก และ MM คือเดือน 2 หลัก เช่น เดือนมีนาคม 2016 จะแสดงเป็น 201603

UpgradeKey

Android 7.1 ได้เพิ่มเมธอด upgradeKey ลงใน HAL เพื่ออนุญาตให้อัปเกรดคีย์เป็นเวอร์ชัน OS ใหม่และระดับแพตช์ของอิมเมจระบบ

Keymaster 3

    upgradeKey(vec keyBlobToUpgrade, vec upgradeParams)
        generates(ErrorCode error, vec upgradedKeyBlob);

Keymaster 2

keymaster_error_t (*upgrade_key)(const struct keymaster2_device* dev,
    const keymaster_key_blob_t* key_to_upgrade,
    const keymaster_key_param_set_t* upgrade_params,
    keymaster_key_blob_t* upgraded_key);

• dev คือโครงสร้างอุปกรณ์
• keyBlobToUpgrade คือคีย์ที่ต้องอัปเกรด
• upgradeParams คือพารามิเตอร์ที่จำเป็นในการอัปเกรดคีย์ ซึ่งรวมถึง Tag::APPLICATION_ID และ Tag::APPLICATION_DATA ซึ่งจำเป็นต่อการถอดรหัสคีย์ Blob หากมีการระบุไว้ในระหว่างการสร้าง
• upgradedKeyBlob คือพารามิเตอร์เอาต์พุตที่ใช้เพื่อแสดงผล ก้อนข้อมูลคีย์ใหม่

หากเรียกใช้ upgradeKey ด้วย Blob คีย์ที่แยกวิเคราะห์ไม่ได้หรือ ไม่ถูกต้อง ระบบจะแสดงผล ErrorCode::INVALID_KEY_BLOB หากเรียกใช้ด้วยคีย์ที่มีระดับแพตช์สูงกว่าค่าระบบปัจจุบัน ฟังก์ชันจะแสดงผล ErrorCode::INVALID_ARGUMENT หากเรียกใช้ด้วยคีย์ที่มีเวอร์ชันของระบบปฏิบัติการสูงกว่าค่าระบบปัจจุบัน และค่าระบบเป็นค่าที่ไม่ใช่ 0 ฟังก์ชันจะแสดงผล ErrorCode::INVALID_ARGUMENT อนุญาตให้อัปเกรดเวอร์ชันของระบบปฏิบัติการ จากเวอร์ชันที่ไม่ใช่ 0 เป็น 0 ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด ในการสื่อสารกับโลกที่ปลอดภัย ฟังก์ชันจะแสดงผลค่าข้อผิดพลาดที่เหมาะสม (เช่น ErrorCode::SECURE_HW_ACCESS_DENIED, ErrorCode::SECURE_HW_BUSY) มิฉะนั้น ฟังก์ชันจะแสดงผล ErrorCode::OK และแสดงผลคีย์ Blob ใหม่ใน upgradedKeyBlob

keyBlobToUpgrade จะยังคงใช้งานได้หลังจากที่โทรหา upgradeKey และในทางทฤษฎีแล้วสามารถนำกลับมาใช้ได้อีกหากมีการดาวน์เกรดอุปกรณ์ ในทางปฏิบัติ โดยทั่วไปแล้ว Keystore จะเรียกใช้ deleteKey ใน keyBlobToUpgrade Blob หลังจากเรียกใช้ upgradeKey ไม่นาน หาก keyBlobToUpgrade มีแท็ก Tag::ROLLBACK_RESISTANT upgradedKeyBlob ก็ควรมีแท็กดังกล่าวด้วย (และควรป้องกันการย้อนกลับได้)

การกำหนดค่าที่ปลอดภัย

หากต้องการใช้การเชื่อมโยงเวอร์ชัน TA ของ Keymaster ต้องมีวิธีรับเวอร์ชันและระดับแพตช์ของระบบปฏิบัติการปัจจุบัน (ข้อมูลเวอร์ชัน) อย่างปลอดภัย และตรวจสอบว่าข้อมูลที่ได้รับตรงกับข้อมูลเกี่ยวกับระบบที่กำลังทำงานอยู่

เราได้เพิ่มOS_VERSION ฟิลด์ลงในส่วนหัวของอิมเมจบูตเพื่อรองรับการส่งข้อมูลเวอร์ชันไปยัง TA อย่างปลอดภัย สคริปต์การสร้างอิมเมจการบูต จะกรอกข้อมูลในช่องนี้โดยอัตโนมัติ OEM และผู้ใช้ TA ของ Keymaster ต้องทำงานร่วมกันเพื่อแก้ไข Bootloader ของอุปกรณ์เพื่อดึงข้อมูลเวอร์ชันจากอิมเมจบูตและส่งไปยัง TA ก่อนที่จะบูตระบบที่ไม่ปลอดภัย วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าผู้โจมตีจะไม่สามารถแทรกแซงการจัดสรร ข้อมูลเวอร์ชันให้กับ TA ได้

นอกจากนี้ คุณยังต้องตรวจสอบว่าอิมเมจระบบมีข้อมูลเวอร์ชัน เดียวกันกับอิมเมจบูต ด้วยเหตุนี้ เราจึงได้เพิ่มวิธีการกำหนดค่า ลงใน Keymaster HAL ดังนี้

keymaster_error_t (*configure)(const struct keymaster2_device* dev,
  const keymaster_key_param_set_t* params);

อาร์กิวเมนต์ params มี Tag::OS_VERSION และ Tag::OS_PATCHLEVEL ไคลเอ็นต์ keymaster2 จะเรียกใช้เมธอดนี้ หลังจากเปิด HAL แต่ก่อนที่จะเรียกใช้เมธอดอื่นๆ หากมีการเรียกใช้เมธอดอื่นก่อน configure TA จะแสดงผล ErrorCode::KEYMASTER_NOT_CONFIGURED

เมื่อเรียกใช้ configure เป็นครั้งแรกหลังจากที่อุปกรณ์เปิดเครื่องแล้ว ฟังก์ชันนี้ควรตรวจสอบว่าข้อมูลเวอร์ชันที่ระบุตรงกับข้อมูลที่ Bootloader ระบุหรือไม่ หากข้อมูลเวอร์ชันไม่ตรงกัน configure จะแสดง ErrorCode::INVALID_ARGUMENT และเมธอด Keymaster อื่นๆ ทั้งหมด จะยังคงแสดง ErrorCode::KEYMASTER_NOT_CONFIGURED ต่อไป หากข้อมูลตรงกัน configure จะแสดงผล ErrorCode::OK และวิธีการอื่นๆ ของ Keymaster จะเริ่มทำงานตามปกติ

การเรียกใช้ configure ในครั้งต่อๆ ไปจะแสดงค่าเดียวกันกับที่การเรียกใช้ครั้งแรกแสดง และจะไม่เปลี่ยนสถานะของ Keymaster

เนื่องจากระบบจะเรียกใช้ configure ซึ่งมีเนื้อหาที่ต้องการตรวจสอบ จึงมีโอกาสน้อยที่ผู้โจมตีจะบุกรุกอิมเมจระบบและบังคับให้แสดงข้อมูลเวอร์ชันที่ตรงกับอิมเมจบูต แต่ไม่ใช่เวอร์ชันจริงของระบบ การรวมการยืนยันอิมเมจบูต การตรวจสอบ dm-verity ของเนื้อหาอิมเมจระบบ และข้อเท็จจริงที่ว่า configure จะเรียกใช้ตั้งแต่เนิ่นๆ ในการ บูตระบบควรทำให้การใช้ประโยชน์จากช่องโหว่นี้เป็นเรื่องยาก