Hardwaregestützter Keystore

Die Verfügbarkeit einer vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung in einem System on a Chip (SoC) bietet Android-Geräten die Möglichkeit, hardwaregestützte, starke Sicherheitsdienste für das Android-Betriebssystem, Plattformdienste und sogar Apps von Drittanbietern bereitzustellen. Entwickler, die Android-spezifische Erweiterungen suchen, sollten android.security.keystore aufrufen.

Vor Android 6.0 verfügte Android bereits über eine einfache, hardwaregestützte API für Kryptodienste, die durch die Versionen 0.2 und 0.3 des Keymaster Hardware Abstraction Layer (HAL) bereitgestellt wurde. Keystore stellte digitale Signatur- und Verifizierungsvorgänge sowie die Generierung und den Import asymmetrischer Signaturschlüsselpaare bereit. Dies ist bereits auf vielen Geräten implementiert, es gibt jedoch viele Sicherheitsziele, die mit nur einer Signatur-API nicht einfach erreicht werden können. Keystore in Android 6.0 hat die Keystore-API erweitert, um ein breiteres Spektrum an Funktionen bereitzustellen.

In Android 6.0 fügte Keystore symmetrische kryptografische Grundelemente , AES und HMAC sowie ein Zugriffskontrollsystem für hardwaregestützte Schlüssel hinzu. Zugriffskontrollen werden während der Schlüsselgenerierung festgelegt und für die Lebensdauer des Schlüssels durchgesetzt. Schlüssel können so eingeschränkt werden, dass sie nur nach Authentifizierung des Benutzers und nur für bestimmte Zwecke oder mit bestimmten kryptografischen Parametern verwendet werden können. Weitere Informationen finden Sie auf den Seiten Autorisierungs-Tags und -Funktionen .

Zusätzlich zur Erweiterung des Bereichs kryptografischer Grundelemente hat Keystore in Android 6.0 Folgendes hinzugefügt:

• Ein Nutzungskontrollschema, mit dem die Schlüsselnutzung eingeschränkt werden kann, um das Risiko einer Sicherheitsbeeinträchtigung aufgrund des Missbrauchs von Schlüsseln zu verringern
• Ein Zugriffskontrollschema, um die Beschränkung von Schlüsseln auf bestimmte Benutzer, Clients und einen definierten Zeitraum zu ermöglichen

In Android 7.0 fügte Keymaster 2 Unterstützung für Schlüsselnachweis und Versionsbindung hinzu. Die Schlüsselbescheinigung stellt öffentliche Schlüsselzertifikate bereit, die eine detaillierte Beschreibung des Schlüssels und seiner Zugriffskontrollen enthalten, um die Existenz des Schlüssels in sicherer Hardware und seine Konfiguration aus der Ferne überprüfbar zu machen.

Die Versionsbindung bindet Schlüssel an das Betriebssystem und die Patch-Level-Version. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Angreifer, der eine Schwachstelle in einer alten Version des Systems oder der TEE-Software entdeckt, ein Gerät nicht auf die anfällige Version zurücksetzen und mit der neueren Version erstellte Schlüssel verwenden kann. Wenn außerdem ein Schlüssel mit einer bestimmten Version und Patch-Ebene auf einem Gerät verwendet wird, das auf eine neuere Version oder Patch-Ebene aktualisiert wurde, wird der Schlüssel aktualisiert, bevor er verwendet werden kann, und die vorherige Version des Schlüssels wird ungültig. Wenn das Gerät aktualisiert wird, „rasten“ die Tasten zusammen mit dem Gerät nach vorne, aber jede Rückstellung des Geräts auf eine frühere Version führt dazu, dass die Tasten unbrauchbar werden.

In Android 8.0 wechselte Keymaster 3 von der alten C-Struktur Hardware Abstraction Layer (HAL) zur C++-HAL-Schnittstelle, die aus einer Definition in der neuen Hardware Interface Definition Language (HIDL) generiert wurde. Im Rahmen der Änderung haben sich viele der Argumenttypen geändert, obwohl Typen und Methoden eine Eins-zu-eins-Entsprechung mit den alten Typen und den HAL-Strukturmethoden aufweisen. Weitere Einzelheiten finden Sie auf der Seite „Funktionen“ .

Zusätzlich zu dieser Schnittstellenüberarbeitung erweiterte Android 8.0 die Attestierungsfunktion von Keymaster 2 um die Unterstützung der ID-Attestierung . Die ID-Bescheinigung bietet einen begrenzten und optionalen Mechanismus zur starken Bescheinigung von Hardware-Identifikatoren, wie z. B. der Seriennummer des Geräts, dem Produktnamen und der Telefon-ID (IMEI/MEID). Um diesen Zusatz zu implementieren, hat Android 8.0 das ASN.1-Nachweisschema geändert, um einen ID-Nachweis hinzuzufügen. Keymaster-Implementierungen müssen einen sicheren Weg zum Abrufen der relevanten Datenelemente finden und einen Mechanismus zum sicheren und dauerhaften Deaktivieren der Funktion definieren.

Zu den Updates in Android 9 gehörten:

• Update auf Keymaster 4
• Unterstützung für eingebettete sichere Elemente
• Unterstützung für sicheren Schlüsselimport
• Unterstützung für 3DES-Verschlüsselung
• Änderungen an der Versionsbindung, sodass boot.img und system.img separat festgelegte Versionen haben, um unabhängige Updates zu ermöglichen

Glossar

Hier finden Sie einen kurzen Überblick über Keystore-Komponenten und ihre Beziehungen.

AndroidKeystore ist die Android Framework API und Komponente, die von Apps verwendet wird, um auf Keystore-Funktionen zuzugreifen. Es wird als Erweiterung der Standard-APIs der Java Cryptography Architecture implementiert und besteht aus Java-Code, der im eigenen Prozessraum der App ausgeführt wird. AndroidKeystore erfüllt App-Anfragen zum Keystore-Verhalten, indem es sie an den Keystore-Daemon weiterleitet.

Der Keystore-Daemon ist ein Android-System-Daemon, der über eine Binder-API Zugriff auf alle Keystore-Funktionen bietet. Es ist für die Speicherung von „Schlüssel-Blobs“ verantwortlich, die das eigentliche geheime Schlüsselmaterial verschlüsselt enthalten, sodass Keystore sie speichern, aber nicht verwenden oder offenlegen kann.

keymasterd ist ein HIDL-Server, der Zugriff auf den Keymaster TA bietet. (Dieser Name ist nicht standardisiert und dient konzeptionellen Zwecken.)

Keymaster TA (vertrauenswürdige Anwendung) ist die Software, die in einem sicheren Kontext ausgeführt wird, meist in TrustZone auf einem ARM-SoC, die alle sicheren Keystore-Vorgänge bereitstellt, Zugriff auf das Rohschlüsselmaterial hat und alle Zugriffskontrollbedingungen für Schlüssel validiert , usw.

LockSettingsService ist die Android-Systemkomponente, die für die Benutzerauthentifizierung, sowohl Passwort als auch Fingerabdruck, verantwortlich ist. Es ist nicht Teil von Keystore, aber relevant, da viele Keystore-Schlüsselvorgänge eine Benutzerauthentifizierung erfordern. LockSettingsService interagiert mit dem Gatekeeper TA und dem Fingerprint TA, um Authentifizierungstoken zu erhalten, die er dem Keystore-Daemon bereitstellt und die letztendlich von der Keymaster TA-Anwendung verwendet werden.

Gatekeeper TA (vertrauenswürdige Anwendung) ist eine weitere Komponente, die im sicheren Kontext ausgeführt wird und für die Authentifizierung von Benutzerkennwörtern und die Generierung von Authentifizierungstokens verantwortlich ist, mit denen dem Keymaster TA nachgewiesen werden kann, dass für einen bestimmten Benutzer zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Authentifizierung durchgeführt wurde.

Fingerprint TA (vertrauenswürdige Anwendung) ist eine weitere Komponente, die im sicheren Kontext ausgeführt wird und für die Authentifizierung von Benutzerfingerabdrücken und die Generierung von Authentifizierungstokens verantwortlich ist, die dem Keymaster TA nachweisen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Authentifizierung für einen bestimmten Benutzer durchgeführt wurde.

Die Architektur

Die Android Keystore API und der zugrunde liegende Keymaster HAL bieten einen grundlegenden, aber ausreichenden Satz kryptografischer Grundelemente, um die Implementierung von Protokollen mit zugriffskontrollierten, hardwaregestützten Schlüsseln zu ermöglichen.

Der Keymaster HAL ist eine vom OEM bereitgestellte, dynamisch ladbare Bibliothek, die vom Keystore-Dienst zur Bereitstellung hardwaregestützter kryptografischer Dienste verwendet wird. Um die Sicherheit zu gewährleisten, führen HAL-Implementierungen keine sensiblen Vorgänge im Benutzerbereich oder sogar im Kernelbereich aus. Sensible Vorgänge werden an einen sicheren Prozessor delegiert, der über eine Kernel-Schnittstelle erreicht wird. Die resultierende Architektur sieht folgendermaßen aus:

Abbildung 1. Zugriff auf Keymaster

Innerhalb eines Android-Geräts besteht der „Client“ des Keymaster HAL aus mehreren Schichten (z. B. App, Framework, Keystore-Daemon), die für die Zwecke dieses Dokuments jedoch ignoriert werden können. Dies bedeutet, dass die beschriebene Keymaster-HAL-API auf niedriger Ebene ist, von plattforminternen Komponenten verwendet wird und nicht für App-Entwickler verfügbar ist. Die übergeordnete API wird auf der Android-Entwicklerseite beschrieben.

Der Zweck des Keymaster HAL besteht nicht darin, die sicherheitsrelevanten Algorithmen zu implementieren, sondern nur darin, Anfragen an die sichere Welt zu marschieren und zu entmarshalieren. Das Wire-Format ist durch die Implementierung definiert.

Kompatibilität mit früheren Versionen

Der Keymaster 1 HAL ist völlig inkompatibel mit den zuvor veröffentlichten HALs, z. B. Keymaster 0.2 und 0.3. Um die Interoperabilität auf Geräten mit Android 5.0 und früher zu erleichtern, die mit den älteren Keymaster-HALs gestartet wurden, stellt Keystore einen Adapter bereit, der den Keymaster 1-HAL mit Aufrufen an die vorhandene Hardwarebibliothek implementiert. Das Ergebnis kann nicht den vollen Funktionsumfang des Keymaster 1 HAL bieten. Insbesondere werden nur RSA- und ECDSA-Algorithmen unterstützt und die gesamte Durchsetzung der Schlüsselautorisierung wird vom Adapter in der nicht sicheren Welt durchgeführt.

Keymaster 2 hat die HAL-Schnittstelle weiter vereinfacht, indem die get_supported_* Methoden entfernt wurden und der Methode finish() erlaubt wurde, Eingaben zu akzeptieren. Dies reduziert die Anzahl der Roundtrips zum TEE in Fällen, in denen die Eingabe auf einmal verfügbar ist, und vereinfacht die Implementierung der AEAD-Entschlüsselung.

In Android 8.0 wechselte Keymaster 3 von der C-Struktur-HAL im alten Stil zur C++-HAL-Schnittstelle, die aus einer Definition in der neuen Hardware Interface Definition Language (HIDL) generiert wurde. Eine HAL-Implementierung neuen Stils wird erstellt, indem die generierte IKeymasterDevice Klasse in Unterklassen unterteilt und die rein virtuellen Methoden implementiert werden. Im Rahmen der Änderung haben sich viele der Argumenttypen geändert, obwohl Typen und Methoden eine Eins-zu-eins-Entsprechung mit den alten Typen und den HAL-Strukturmethoden aufweisen.

HIDL-Übersicht

Die Hardware Interface Definition Language (HIDL) bietet einen von der Implementierungssprache unabhängigen Mechanismus zum Spezifizieren von Hardwareschnittstellen. Die HIDL-Tools unterstützen derzeit die Generierung von C++- und Java-Schnittstellen. Es wird erwartet, dass die meisten TEE-Implementierer (Trusted Execution Environment) die C++-Tools bequemer finden werden, daher wird in diesem Dokument nur die C++-Darstellung behandelt.

HIDL-Schnittstellen bestehen aus einer Reihe von Methoden, ausgedrückt als:

  methodName(INPUT ARGUMENTS) generates (RESULT ARGUMENTS);

Es gibt verschiedene vordefinierte Typen, und HALs können neue Aufzählungs- und Strukturtypen definieren. Weitere Einzelheiten zu HIDL finden Sie im Abschnitt „Referenz“ .

Eine Beispielmethode aus Keymaster 3 IKeymasterDevice.hal ist:

generateKey(vec<KeyParameter> keyParams)
        generates(ErrorCode error, vec<uint8_t> keyBlob,
                  KeyCharacteristics keyCharacteristics);

Dies entspricht dem Folgenden aus der keymaster2-HAL:

keymaster_error_t (*generate_key)(
        const struct keymaster2_device* dev,
        const keymaster_key_param_set_t* params,
        keymaster_key_blob_t* key_blob,
        keymaster_key_characteristics_t* characteristics);

In der HIDL-Version wird das dev Argument entfernt, da es implizit ist. Das Argument params ist keine Struktur mehr, die einen Zeiger enthält, der auf ein Array von key_parameter_t Objekten verweist, sondern ein vec (Vektor), der KeyParameter Objekte enthält. Die Rückgabewerte werden in der „ generates “-Klausel aufgelistet, einschließlich eines Vektors von uint8_t Werten für den Schlüsselblob.

Die vom HIDL-Compiler generierte virtuelle C++-Methode lautet:

Return<void> generateKey(const hidl_vec<KeyParameter>& keyParams,
                         generateKey_cb _hidl_cb) override;

Dabei ist generateKey_cb ein Funktionszeiger, der wie folgt definiert ist:

std::function<void(ErrorCode error, const hidl_vec<uint8_t>& keyBlob,
                   const KeyCharacteristics& keyCharacteristics)>

Das heißt, generateKey_cb ist eine Funktion, die die in der „generate“-Klausel aufgeführten Rückgabewerte entgegennimmt. Die HAL-Implementierungsklasse überschreibt diese Methode generateKey und ruft den Funktionszeiger generateKey_cb auf, um das Ergebnis der Operation an den Aufrufer zurückzugeben. Beachten Sie, dass der Aufruf des Funktionszeigers synchron ist. Der Aufrufer ruft generateKey auf und „ generateKey ruft den bereitgestellten Funktionszeiger auf, der vollständig ausgeführt wird und die Kontrolle an die generateKey -Implementierung zurückgibt, die dann an den Aufrufer zurückkehrt.

Ein detailliertes Beispiel finden Sie in der Standardimplementierung in hardware/interfaces/keymaster/3.0/default/KeymasterDevice.cpp . Die Standardimplementierung bietet Abwärtskompatibilität für Geräte mit keymaster0-, keymaster1- oder keymaster2-HALS im alten Stil.

Zugangskontrolle

Die grundlegendste Regel der Keystore-Zugriffskontrolle besteht darin, dass jede App über einen eigenen Namespace verfügt. Aber für jede Regel gibt es eine Ausnahme. Keystore verfügt über einige hartcodierte Karten, die bestimmten Systemkomponenten den Zugriff auf bestimmte andere Namespaces ermöglichen. Dies ist ein sehr einfaches Instrument, da es einer Komponente die volle Kontrolle über einen anderen Namespace gibt. Und dann ist da noch die Frage der Herstellerkomponenten als Clients für Keystore. Wir haben derzeit keine Möglichkeit, einen Namensraum für Anbieterkomponenten, beispielsweise WPA-Supplicant, einzurichten.

Um Anbieterkomponenten zu berücksichtigen und die Zugriffskontrolle ohne hartcodierte Ausnahmen zu verallgemeinern, führt Keystore 2.0 Domänen und SELinux-Namespaces ein.

Keystore-Domänen

Mit Keystore-Domänen können wir Namespaces von UIDs entkoppeln. Clients, die auf einen Schlüssel im Keystore zugreifen, müssen die Domäne, den Namensraum und den Alias ​​angeben, auf die sie zugreifen möchten. Anhand dieses Tupels und der Identität des Anrufers können wir bestimmen, auf welchen Schlüssel der Anrufer zugreifen möchte und ob er über die entsprechenden Berechtigungen verfügt.

Wir führen fünf Domänenparameter ein, die steuern, wie auf Schlüssel zugegriffen werden kann. Sie steuern die Semantik des Namespace-Parameters des Schlüsseldeskriptors und die Art und Weise, wie die Zugriffskontrolle durchgeführt wird.

• DOMAIN_APP : Die App-Domäne deckt das Legacy-Verhalten ab. Die Java Keystore SPI verwendet diese Domäne standardmäßig. Bei Verwendung dieser Domäne wird das Namespace-Argument ignoriert und stattdessen die UID des Aufrufers verwendet. Der Zugriff auf diese Domäne wird durch das Keystore-Label der Klasse keystore_key in der SELinux-Richtlinie gesteuert.
• DOMAIN_SELINUX : Diese Domäne gibt an, dass der Namespace eine Bezeichnung in der SELinux-Richtlinie hat. Der Namespace-Parameter wird nachgeschlagen und in einen Zielkontext übersetzt, und es wird eine Berechtigungsprüfung für den aufrufenden SELinux-Kontext für die Klasse keystore_key durchgeführt. Wenn die Berechtigung für den angegebenen Vorgang eingerichtet wurde, wird das vollständige Tupel für die Schlüsselsuche verwendet.
• DOMAIN_GRANT : Die Grant-Domäne gibt an, dass der Namespace-Parameter eine Grant-ID ist. Der Alias-Parameter wird ignoriert. SELinux-Prüfungen werden durchgeführt, wenn die Bewilligung erstellt wird. Die weitere Zugriffskontrolle prüft nur, ob die UID des Anrufers mit der UID des Berechtigten der angeforderten Bewilligung übereinstimmt.
• DOMAIN_KEY_ID : Diese Domäne gibt an, dass der Namespace-Parameter eine eindeutige Schlüssel-ID ist. Der Schlüssel selbst wurde möglicherweise mit DOMAIN_APP oder DOMAIN_SELINUX erstellt. Die Berechtigungsprüfung wird durchgeführt, nachdem die domain und der namespace auf die gleiche Weise aus der Schlüsseldatenbank geladen wurden, als ob der Blob durch das Domänen-, Namespace- und Alias-Tupel geladen worden wäre. Der Grundgedanke für die Schlüssel-ID-Domäne ist Kontinuität. Wenn Sie über einen Alias ​​auf einen Schlüssel zugreifen, werden nachfolgende Aufrufe möglicherweise mit anderen Schlüsseln ausgeführt, da möglicherweise ein neuer Schlüssel generiert oder importiert und an diesen Alias ​​gebunden wurde. Die Schlüssel-ID ändert sich jedoch nie. Wenn man also einen Schlüssel nach Schlüssel-ID verwendet, nachdem er einmal mit dem Alias ​​aus der Keystore-Datenbank geladen wurde, kann man sicher sein, dass es sich um denselben Schlüssel handelt, solange die Schlüssel-ID noch existiert. Diese Funktionalität steht App-Entwicklern nicht zur Verfügung. Stattdessen wird es innerhalb der Android Keystore SPI verwendet, um ein konsistenteres Erlebnis zu bieten, selbst wenn es gleichzeitig auf unsichere Weise verwendet wird.
• DOMAIN_BLOB : Die Blob-Domäne gibt an, dass der Aufrufer das Blob selbst verwaltet. Dies wird für Clients verwendet, die auf den Keystore zugreifen müssen, bevor die Datenpartition bereitgestellt wird. Der Schlüsselblob ist im blob des Schlüsseldeskriptors enthalten.

Mithilfe der SELinux-Domäne können wir Herstellerkomponenten Zugriff auf ganz bestimmte Keystore-Namespaces gewähren, die von Systemkomponenten wie dem Einstellungsdialog gemeinsam genutzt werden können.

SELinux-Richtlinie für keystore_key

Namespace-Bezeichnungen werden mithilfe der Datei keystore2_key_context konfiguriert.
Jede Zeile in diesen Dateien ordnet eine numerische Namespace-ID einem SELinux-Label zu. Zum Beispiel,

# wifi_key is a keystore2_key namespace intended to be used by wpa supplicant and
# Settings to share keystore keys.
102            u:object_r:wifi_key:s0

Nachdem wir auf diese Weise einen neuen Schlüsselnamensraum eingerichtet haben, können wir durch Hinzufügen einer entsprechenden Richtlinie Zugriff darauf gewähren. Damit wpa_supplicant beispielsweise Schlüssel im neuen Namespace abrufen und verwenden kann, würden wir die folgende Zeile zu hal_wifi_supplicant.te hinzufügen:

allow hal_wifi_supplicant wifi_key:keystore2_key { get, use };

Nach der Einrichtung des neuen Namensraums kann AndroidKeyStore nahezu wie gewohnt genutzt werden. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Namespace-ID angegeben werden muss. Zum Laden und Importieren von Schlüsseln aus und in Keystore wird die Namespace-ID mithilfe von AndroidKeyStoreLoadStoreParameter angegeben. Zum Beispiel,

import android.security.keystore2.AndroidKeyStoreLoadStoreParameter;
import java.security.KeyStore;

KeyStore keystore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
keystore.load(new AndroidKeyStoreLoadStoreParameter(102));

Um einen Schlüssel in einem bestimmten Namespace zu generieren, muss die Namespace-ID mit KeyGenParameterSpec.Builder#setNamespace():

import android.security.keystore.KeyGenParameterSpec;
KeyGenParameterSpec.Builder specBuilder = new KeyGenParameterSpec.Builder();
specBuilder.setNamespace(102);

Die folgenden Kontextdateien können zum Konfigurieren von Keystore 2.0 SELinux-Namespaces verwendet werden. Jede Partition verfügt über einen anderen reservierten Bereich von 10.000 Namespace-IDs, um Kollisionen zu vermeiden.

/system/etc/selinux/keystore2_key_contexts, /plat_keystore2_key_contexts

/system_ext/etc/selinux/system_ext_keystore2_key_contexts, /system_ext_keystore2_key_contexts

/product/etc/selinux/product_keystore2_key_contexts, /product_keystore2_key_contexts

/vendor/etc/selinux/vendor_keystore2_key_contexts, /vendor_keystore2_key_contexts

Der Client fordert den Schlüssel an, indem er die SELinux-Domäne und den gewünschten virtuellen Namespace, in diesem Fall "wifi_key" , anhand seiner numerischen ID anfragt.

Darüber hinaus wurden die folgenden Namensräume definiert. Wenn sie Sonderregeln ersetzen, gibt die folgende Tabelle die UID an, der sie früher entsprachen.

Greifen Sie auf Vektoren zu

Die SELinux-Klasse keystore_key ist ziemlich in die Jahre gekommen und einige der Berechtigungen, wie zum Beispiel verify oder sign haben ihre Bedeutung verloren. Hier ist der neue Satz von Berechtigungen, keystore2_key , den Keystore 2.0 durchsetzen wird.

Darüber hinaus haben wir eine Reihe nicht schlüsselspezifischer Keystore-Berechtigungen in der SELinux-Sicherheitsklasse keystore2 aufgeteilt: