身份验证

概述

Android 6.0 中引入了通过用户身份验证把关的加密密钥的概念。为了实现这一概念,需要两种关键组件协同运作。一种是加密密钥存储和服务提供程序,用于存储加密密钥并提供基于加密密钥的标准加密例程。另一种是任意数量的用户身份验证程序,用于证明相应用户存在并/或已成功通过身份验证。

Android 中的加密密钥存储功能由 Keystore 服务和 Keymaster 提供。(另请参阅由 Keystore 服务提供支持的框架级 Android Keystore 系统的相关信息。)对于 Android 6.0,两个受支持的身份验证组件是 Gatekeeper(用于 PIN 码/解锁图案/密码身份验证)和 Fingerprint(用于指纹身份验证)。这两个组件会通过已经过身份验证的渠道与 Keystore 服务沟通身份验证状态。

  • 由硬件支持的 Keystore加密服务(其中包括由硬件支持的密钥存储加密服务),可能包括可信执行环境 (TEE)。
  • Gatekeeper 用于进行 PIN 码、解锁图案和密码身份验证的组件。
  • Fingerprint 用于进行指纹身份验证的组件。

架构

Gatekeeper 和 Fingerprint 组件能够与 Keystore 及其他组件协同运作,以便支持使用由硬件支持的身份验证令牌(以下称为“AuthToken”)。

注册

在设备恢复出厂设置后首次启动时,所有身份验证程序均会做好接受用户进行凭据注册的准备。

用户必须先通过 Gatekeeper 注册 PIN 码/解锁图案/密码。这项初始注册会创建一个随机生成的 64 位用户 SID(用户安全标识符,下文中对此进行了介绍),该用户 SID 将用作用户的标识符以及用户加密材料的绑定令牌。该用户 SID 会以加密形式绑定到用户的密码。如下文中详细介绍的,成功通过 Gatekeeper 的身份验证后,将会为相应密码生成包含用户 SID 的 AuthToken。

用户要更改凭据时,必须提供现有凭据。如果现有凭据成功通过验证,与现有凭据关联的用户 SID 将转移到新凭据。这让用户在更改凭据后能够继续访问自己的密钥。如果用户未提供现有凭据,系统会为其注册一个新凭据,其中包含一个完全随机的用户 SID。用户可以访问设备,但会永久丢失基于旧用户 SID 创建的密钥。这种情况称为“不可信注册”。

请注意,在一般情况下,Android 框架不允许进行不可信注册,因此大多数用户根本看不到此功能。不过,如果设备管理员或攻击者强制重置密码,则可能会导致发生这种情况。

身份验证

现在,用户已设置凭据并收到了用户 SID,接下来就可以开始进行身份验证了。

在下图中,用户提供 PIN 码、解锁图案、密码或指纹后,身份验证过程便开始了。所有 TEE 组件都共用一个密钥来验证对方的消息。

身份验证流程

图 1. 身份验证流程

以下步骤中的数字对应于上图中的数字,并包括对 Android 操作系统和 TEE 操作系统的引用:

  1. 用户提供 PIN 码、解锁图案、密码或指纹。LockSettingsServiceFingerprintService 通过 Binder 向 Android 操作系统中的 Gatekeeperd 或 fingerprintd 守护进程发出请求。请注意,在指纹请求发出后,会异步发生指纹身份验证。
  2. 该步骤涉及 Gatekeeperd(下方选项 1) fingerprintd(下方选项 2),具体取决于用户提供的是 PIN 码/解锁图案/密码还是指纹。
    • Gatekeeperd 守护进程将在第 1 步中收到的 PIN 码、解锁图案或密码哈希发送到它在 TEE 内的副本 (Gatekeeper)。如果 TEE 内的身份验证成功,TEE 内的 Gatekeeper 会将包含相应用户 SID 并且已使用 AuthToken HMAC 密钥签名的 AuthToken 发送到它在 Android 操作系统中的副本。
    • 或者,监听指纹事件的 fingerprintd 守护进程将在第 1 步中收到的数据发送到它在 TEE 内的副本 (Fingerprint)。如果 TEE 内的身份验证成功,TEE 内的 Fingerprint 会将已使用 AuthToken HMAC 密钥签名的 AuthToken 发送到它在 Android 操作系统中的副本。
  3. Gatekeeperd 或 fingerprintd 守护进程收到经过签名的 AuthToken,并通过 Keystore 服务 Binder 接口的扩展程序将 AuthToken 传递到 Keystore 服务。此外,Gatekeeperd 会在设备被重新锁定以及设备密码发生变化时通知 Keystore 服务。
  4. Keystore 服务将从 Gatekeeperd 和 fingerprintd 收到的 AuthToken 传递给 Keymaster,以便使用与 Gatekeeper 和 Fingerprint Trustlet 共用的密钥验证 AuthToken。Keymaster 会将令牌中的时间戳视为最后一次身份验证的时间,并根据该时间戳做出密钥发布决定(以允许应用使用相应密钥)。

注意:每当设备重新启动时,AuthToken 都会作废。

身份验证令牌格式

要共用令牌并在各种语言和组件之间实现兼容性,必须遵循 hw_auth_token.h 文件中说明的 AuthToken 格式。请参阅以下文件:

hardware/libhardware/include/hardware/hw_auth_token.h

下表中定义了一个简单序列化协议的必填字段。这些字段具有固定的大小。

字段说明位于该表下方。

字段 类型 必填还是选填
AuthToken 版本 1 个字节 必填
质询 64 位未签名整数 选填
用户 SID 64 位未签名整数 必填
身份验证程序 ID 64 位未签名整数,按网络字节序保存 选填
身份验证程序类型 32 位未签名整数,按网络字节序保存 必填
时间戳 64 位未签名整数,按网络字节序保存 必填
AuthToken HMAC 密钥 (SHA-256) 256 位 Blob 必填

字段说明

本部分对上方 AuthToken 表中的各个字段进行了说明。

AuthToken 版本:下方所有字段的组代码。

质询:一个随机整数,用于防范重放攻击。通常是所请求的加密操作的 ID,目前可供交易指纹授权使用。如果质询存在,AuthToken 仅对包含相应质询的加密操作有效。

用户 SID:不重复的用户标识符,以加密形式绑定到与设备身份验证关联的所有密钥。如需更多信息,请参阅 Gatekeeper 页面。

身份验证程序 ID (ASID):绑定到特定身份验证程序政策时使用的标识符。所有身份验证程序都有自己的 ASID 值,它们可以根据自己的要求更改该值。

身份验证程序类型:Gatekeeper 或 Fingerprint,如下所示:

身份验证程序类型 身份验证程序名称
0x00 Gatekeeper
0x01 Fingerprint

时间戳:自最近一次系统启动以来已经过的时间(以毫秒数计)。

AuthToken HMAC 密钥:除 HMAC 字段以外所有字段的已加密 SHA-256 MAC。

设备启动流程

设备每次启动时,都必须生成 AuthToken HMAC 密钥并与所有 TEE 组件(Gatekeeper、Fingerprint 和 Keymaster)共用该密钥。因此,设备每次重新启动时都必须随机生成 HMAC 密钥,以便加强对重放攻击的防范力度。

关于与所有组件共用此 HMAC 密钥的协议是一项依赖于平台的实现功能。在任何情况下都不能将该密钥设为可在 TEE 以外获得。因此,如果 TEE 操作系统缺少内部进程间通信 (IPC) 机制,并且 TEE 需要通过不可信操作系统传输数据,那么传输操作必须通过安全的密钥交换协议进行。

与 Android 并排运行的 Trusty 操作系统就是一种 TEE,不过也可以使用其他 TEE。Trusty 使用内部 IPC 系统在 Keymaster 和 Fingerprint 或 Gatekeeper 之间直接进行通信。HMAC 密钥单独保存在 Keymaster 内。Fingerprint 和 Gatekeeper 会在每次使用该密钥时向 Keymaster 请求该密钥,而不会保留或缓存该密钥的值。

请注意,TEE 中的小程序之间不会进行任何通信,因为 IPC 基础架构中缺少部分 TEE。这还使得 Keystore 服务因知晓系统内的身份验证表而能够快速拒绝注定会失败的请求,从而避免向 TEE 发送会占用大量处理能力的 IPC。