하드웨어 지원 키 저장소

단일 칩 시스템(SoC)에서 신뢰할 수 있는 실행 환경이 제공되면 Android 기기에서 Android OS와 플랫폼 서비스에는 물론 서드 파티 앱에도 하드웨어로 지원되는 강력한 보안 서비스를 제공할 수 있습니다. Android 전용 확장 프로그램을 만들려는 개발자는 android.security.keystore를 확인하세요.

Android 6.0 이전에는 이미 0.2와 0.3 버전의 Keymaster 하드웨어 추상화 계층(HAL)이 제공하는 단순한 하드웨어 지원 암호화 서비스 API가 있었습니다. 키 저장소는 디지털 서명 및 인증 작업 외에 비대칭 서명 키 쌍 생성 및 가져오기도 제공했습니다. 이는 이미 여러 기기에서 구현되었지만 서명 API만으로는 쉽게 달성할 수 없는 보안 목표가 많습니다. Android 6.0의 키 저장소는 Keystore API를 확장하여 더 광범위한 기능을 제공합니다.

Android 6.0에서 키 저장소는 대칭 암호화 프리미티브, AES 및 HMAC, 하드웨어 지원 키의 액세스 제어 시스템을 추가했습니다. 액세스 제어는 키 생성 중에 지정되며 키의 전체 기간에 시행됩니다. 사용자가 인증된 후에만, 그리고 지정된 목적을 위해 또는 지정된 암호화 매개변수와 함께인 경우에만 사용할 수 있도록 키를 제한할 수 있습니다. 자세한 내용은 승인 태그 및 함수 페이지를 참조하세요.

Android 6.0의 키 저장소는 암호화 프리미티브의 범위 확장 외에 다음과 같은 이점도 제공합니다.

• 키 사용을 제한할 수 있고 키의 오용으로 인한 보안 침해의 위험을 완화할 수 있는 사용 제어 체계
• 지정된 사용자, 클라이언트, 정의된 시간 범위로 키 사용을 제한하기 위한 액세스 제어 체계

Android 7.0에서 Keymaster 2는 키 증명 및 버전 결합을 추가로 지원했습니다. 키를 안전한 하드웨어에 저장하고 키 구성을 원격으로 확인할 수 있도록 키 증명은 자세한 키 설명과 액세스 제어를 포함하는 공개키 인증서를 제공합니다.

버전 결합은 키를 운영체제 및 패치 수준 버전에 결합합니다. 이렇게 하면 시스템 또는 TEE 소프트웨어의 이전 버전에서 취약성을 발견한 공격자가 기기를 취약한 버전으로 롤백하거나 최신 버전으로 만든 키를 사용할 수 없습니다. 또한 지정된 버전 및 패치 수준의 키가 최신 버전 또는 패치 수준으로 업그레이드된 기기에서 사용되면 이 키는 업그레이드된 후 사용되며 이전 버전의 키는 무효화됩니다. 기기가 업그레이드되면 기기와 함께 키가 '업그레이드'되지만 기기를 이전 버전으로 되돌리면 키를 사용할 수 없게 됩니다.

Android 8.0에서 Keymaster 3은 이전 스타일의 C 구조 하드웨어 추상화 계층(HAL)으로부터 새 하드웨어 인터페이스 정의 언어(HIDL)의 정의에서 생성된 C++ HAL 인터페이스로 전환되었습니다. 변경사항의 일부로 많은 인수 유형이 변경되었지만 유형과 메서드는 이전 유형 및 HAL 구조 메서드와 일대일로 대응합니다. 자세한 내용은 함수 페이지를 참조하세요.

이러한 인터페이스 변경 외에도 Android 8.0은 ID 증명을 지원하기 위해 Keymaster 2의 증명 기능을 확장했습니다. ID 증명은 기기 일련번호, 제품 이름, 스마트폰 ID(IMEI/MEID)와 같은 하드웨어 식별자를 엄격하게 증명하기 위한 제한적이고 선택적인 메커니즘을 제공합니다. 이 추가 기능을 구현하기 위해 Android 8.0은 ID 증명을 추가하도록 ASN.1 증명 스키마를 변경했습니다. Keymaster를 구현하려면 영구적으로 안전하게 기능을 사용 중지하는 메커니즘을 정의하는 것뿐만 아니라 관련 데이터 항목을 검색하는 안전한 방법을 찾아야 합니다.

Android 9의 업데이트에는 다음이 포함됩니다.

• Keymaster 4로 업데이트
• 삽입된 보안 요소 지원
• 보안 키 가져오기 지원
• 3DES 암호화 지원
• 독립된 업데이트를 허용하기 위해 boot.img 및 system.img에 별도로 설정된 버전이 포함되도록 버전 결합 변경

용어집

다음은 키 저장소 구성요소와 그 관계에 관한 간단한 개요입니다.

AndroidKeystore는 앱에서 키 저장소 기능에 액세스하는 데 사용하는 Android Framework API 및 구성요소입니다. 이는 표준 Java Cryptography Architecture API의 확장 프로그램으로 구현되며 앱의 자체 프로세스 공간에서 실행되는 자바 코드로 구성됩니다. AndroidKeystore는 키 저장소 동작에 관한 앱 요청을 키 저장소 데몬으로 전달하여 처리합니다.

키 저장소 데몬은 Binder API를 통해 모든 키 저장소 기능으로의 액세스를 제공하는 Android 시스템 데몬입니다. 이 데몬은 실제 비밀 키 자료가 포함된 '키 blob'을 암호화해 저장하여 키 저장소에서 이 자료를 저장할 수는 있지만 사용하거나 공개할 수는 없게 합니다.

keymasterd는 Keymaster TA로의 액세스를 제공하는 HIDL 서버입니다. (이 이름은 표준화되지 않았으며 개념적 목적으로 사용됩니다.)

Keymaster TA(신뢰할 수 있는 애플리케이션)는 안전한 환경(ARM SoC의 TrustZone인 경우가 가장 많음)에서 실행되는 소프트웨어로서 모든 안전한 키 저장소 작업을 제공하고, 원시 키 자료에 액세스하며, 키에서 모든 액세스 제어 조건을 검증하는 작업 등을 실행합니다.

LockSettingsService는 사용자 인증(비밀번호와 지문 모두)을 담당하는 Android 시스템 구성요소입니다. 이는 키 저장소의 일부가 아니지만 키 저장소와 관련이 있습니다. 많은 키 저장소 키 작업에는 사용자 인증이 필요하기 때문입니다. LockSettingsService는 Gatekeeper TA 및 Fingerprint TA와 상호작용하여 인증 토큰을 가져와서 키 저장소 데몬에 제공합니다. 인증 토큰은 궁극적으로 Keymaster TA 애플리케이션에서 소비됩니다.

Gatekeeper TA(신뢰할 수 있는 애플리케이션)는 안전한 환경에서 실행되는 또 다른 구성요소로서 사용자 비밀번호를 인증하며, 특정 시점에 특정 사용자를 대상으로 인증이 실행되었음을 Keymaster TA에 증명하는 데 사용되는 인증 토큰을 생성합니다.

Fingerprint TA(신뢰할 수 있는 애플리케이션)는 안전한 환경에서 실행되는 다른 구성요소로서 사용자의 지문을 인증하며, 특정 시점에 특정 사용자를 대상으로 인증이 실행되었음을 Keymaster TA에 증명하는 데 사용되는 인증 토큰을 생성합니다.

아키텍처

Android Keystore API 및 기본 Keymaster HAL은 액세스가 제어된 하드웨어 지원 키를 사용하여 프로토콜을 구현할 수 있도록 기본적이지만 적절한 암호화 프리미티브 집합을 제공합니다.

Keymaster HAL은 키 저장소 서비스에서 하드웨어 지원 암호화 서비스를 제공하기 위해 사용하는 OEM 제공 라이브러리로서 동적으로 로드됩니다. 보안을 위해 HAL 구현은 사용자 공간이나 커널 공간에서 민감한 작업을 실행하지 않습니다. 민감한 작업은 일부 커널 인터페이스를 통해 연결되는 안전한 프로세서에 위임됩니다. 그 결과 생성되는 아키텍처는 다음과 같습니다.

그림 1. Keymaster에 액세스

Android 기기 내에서 Keymaster HAL의 '클라이언트'는 여러 레이어(예: 앱, 프레임워크, 키 저장소 데몬)로 구성되지만 이 문서에서는 무시해도 됩니다. 즉, 설명된 Keymaster HAL API는 하위 수준이며 플랫폼 내부 구성요소에서 사용되고 앱 개발자에게 노출되지 않습니다. 더 높은 수준의 API는 Android 개발자 사이트에 설명되어 있습니다.

Keymaster HAL의 목적은 보안에 민감한 알고리즘을 구현하는 것이 아니라 안전한 세계로 요청을 마샬링 및 마샬링 취소하는 것입니다. 와이어 형식은 구현을 통해 정의됩니다.

이전 버전과의 호환성

Keymaster 1 HAL은 Keymaster 0.2 및 0.3과 같이 이전에 출시된 HAL과 전혀 호환되지 않습니다. 키 저장소는 이전 Keymaster HAL로 출시된 Android 5.0 이전 버전을 실행하는 기기의 상호 운용성을 위해 기존 하드웨어 라이브러리를 호출하여 Keymaster 1 HAL을 구현하는 어댑터를 제공합니다. 그 결과 Keymaster 1 HAL의 전체 기능을 제공할 수는 없습니다. 특히 RSA 및 ECDSA 알고리즘만 지원되며, 모든 키 승인 적용은 안전하지 않은 환경에서 어댑터에 의해 실행됩니다.

Keymaster 2는 get_supported_* 메서드를 삭제하고 finish() 메서드가 입력을 수용하도록 하여 HAL 인터페이스를 더욱 간소화합니다. 그러면 입력을 동시에 사용할 수 있는 경우 TEE로의 왕복 횟수가 줄어들고 AEAD 복호화의 구현이 간소화됩니다.

Android 8.0에서 Keymaster 3은 이전 스타일의 C 구조 HAL로부터 새 하드웨어 인터페이스 정의 언어(HIDL)의 정의에서 생성된 C++ HAL 인터페이스로 전환되었습니다. 생성된 IKeymasterDevice 클래스를 서브클래스화하고 순수한 가상 메서드를 구현함으로써 새로운 스타일의 HAL 구현이 생성됩니다. 변경사항의 일부로 많은 인수 유형이 변경되었지만 유형과 메서드는 이전 유형 및 HAL 구조 메서드와 일대일로 대응합니다.

HIDL 개요

하드웨어 인터페이스 정의 언어(HIDL)는 하드웨어 인터페이스를 지정하기 위한 언어 독립적 구현 메커니즘을 제공합니다. HIDL 도구는 현재 C++ 및 자바 인터페이스의 생성을 지원합니다. 대부분의 신뢰할 수 있는 실행 환경(TEE) 구현자는 C++ 도구를 더 편리하게 사용할 수 있기 때문에 이 문서에서는 C++ 표현만 설명합니다.

HIDL 인터페이스는 다음과 같이 표현되는 일련의 메서드로 구성됩니다.

  methodName(INPUT ARGUMENTS) generates (RESULT ARGUMENTS);

다양한 미리 정의된 유형이 있으며 HAL은 새로운 열거형 및 구조 유형을 정의할 수 있습니다. HIDL에 관한 자세한 내용은 참조 섹션을 참조하세요.

Keymaster 3 IKeymasterDevice.hal의 메서드 예는 다음과 같습니다.

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

이는 keymaster2 HAL의 다음과 동일합니다.

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);

HIDL 버전에서 dev 인수는 암시적이므로 삭제됩니다. params 인수는 더 이상 key_parameter_t 객체의 배열을 참조하는 포인터를 포함하는 구조체가 아니라 KeyParameter 객체를 포함하는 vec(벡터)입니다. 반환 값은 키 blob의 uint8_t 값 벡터를 포함하는 'generates' 절에 나열됩니다.

HIDL 컴파일러에서 생성한 C++ 가상 메서드는 다음과 같습니다.

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

여기서 generateKey_cb 함수 포인터는 다음과 같이 정의됩니다.

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

즉, generateKey_cb는 generate 절에 나열된 반환 값을 사용하는 함수입니다. HAL 구현 클래스는 이 generateKey 메서드를 재정의하고 generateKey_cb 함수 포인터를 호출하여 호출자에게 작업 결과를 반환합니다. 함수 포인터 호출은 동기식입니다. 호출자는 generateKey를 호출하고 generateKey는 함수 포인터를 호출하여 완료될 때까지 실행합니다. 그런 다음 generateKey 구현으로 제어가 반환되고 다시 호출자에게 반환됩니다.

자세한 예는 hardware/interfaces/keymaster/3.0/default/KeymasterDevice.cpp의 기본 구현을 참조하세요. 기본 구현은 이전 스타일의 keymaster0, keymaster1 또는 keymaster2 HAL을 사용하는 기기에 이전 버전과의 호환성을 제공합니다.

액세스 제어

키 저장소 액세스 제어의 가장 기본적인 규칙은 각 앱이 자체 네임스페이스를 보유하는 것입니다. 하지만 모든 규칙에는 예외가 있습니다. 키 저장소에는 특정 시스템 구성요소가 다른 특정한 네임스페이스에 액세스하는 데 사용할 수 있는 하드 코딩 지도가 있습니다. 이는 한 구성요소에 다른 네임스페이스에 관한 전체 제어권을 부여한다는 점에서 지나치게 과도한 권한입니다. 또한 키 저장소의 클라이언트로서의 공급업체 구성요소라는 문제가 있습니다. 현재 공급업체 구성요소(예: WPA 서플리컨트)를 위한 네임스페이스를 설정할 방법이 없습니다.

공급업체 구성요소를 수용하고 하드 코딩된 예외 없는 액세스 제어를 일반화하기 위해 키 저장소 2.0에 도메인과 SELinux 네임스페이스가 도입됩니다.

키 저장소 도메인

키 저장소 도메인을 사용하면 UID에서 네임스페이스를 분리할 수 있습니다. 키 저장소의 키에 액세스하는 클라이언트는 액세스할 도메인, 네임스페이스, 별칭을 지정해야 합니다. 이 튜플과 호출자의 ID에 따라 호출자가 액세스하려는 키 및 해당 호출자에게 적절한 권한이 있는지 여부를 판단할 수 있습니다.

키에 액세스하는 방법을 제어하는 5가지 도메인 매개변수가 도입되었습니다. 이러한 매개변수는 키 설명자 네임스페이스 매개변수의 의미 체계와 액세스 제어 실행 방법을 제어합니다.

• DOMAIN_APP: 앱 도메인이 레거시 동작을 다룹니다. Java Keystore SPI는 기본적으로 이 도메인을 사용합니다. 이 도메인을 사용하는 경우 네임스페이스 인수가 무시되고 대신 호출자의 UID가 사용됩니다. 이 도메인에 대한 액세스는 SELinux 정책에서 keystore_key 클래스에 대한 키 저장소 라벨로 제어됩니다.
• DOMAIN_SELINUX: 이 도메인은 네임스페이스가 SELinux 정책의 라벨을 포함하고 있음을 나타냅니다. 네임스페이스 매개변수가 조회되어 타겟 컨텍스트로 변환됩니다. 또한 keystore_key 클래스의 SELinux 컨텍스트 호출에 대한 권한 검사가 실행됩니다. 지정된 작업에 대한 권한이 설정되면 키 조회에 전체 튜플이 사용됩니다.
• DOMAIN_GRANT: 권한 도메인은 네임스페이스 매개변수가 권한 식별자임을 나타냅니다. 별칭 매개변수는 무시됩니다. SELinux 검사는 부여 권한이 생성될 때 실행됩니다. 추가 액세스 제어는 호출자 UID가 요청된 권한의 수혜자 UID와 일치하는지만 확인합니다.
• DOMAIN_KEY_ID: 이 도메인은 네임스페이스 매개변수가 고유한 키 ID임을 나타냅니다. 키 자체는 DOMAIN_APP 또는 DOMAIN_SELINUX로 만들어졌을 수 있습니다. 권한 검사는 blob이 도메인, 네임스페이스, 별칭 튜플에 의해 로드된 것과 동일한 방식으로 키 데이터베이스에서 domain과 namespace가 로드된 후에 실행됩니다. 키 ID 도메인의 근거는 연속성입니다. 별칭으로 키에 액세스하면 후속 호출이 다른 키에서 작동할 수 있습니다. 새 키가 생성되었거나 키 액세스에 사용된 별칭을 가져와서 이 별칭에 결합했을 수 있기 때문입니다. 그러나 키 ID는 변경되지 않습니다. 따라서 별칭을 사용하여 키 저장소 데이터베이스에서 키를 한 번 로드한 후에 키 ID로 키를 사용하면 해당 키 ID가 여전히 존재하는 한 같은 키임을 확신할 수 있습니다. 이 기능은 앱 개발자에게 노출되지 않습니다. 대신 이 기능은 안전하지 않은 방식으로 동시에 사용되더라도 더 일관된 환경을 제공할 수 있도록 Android Keystore SPI 내에서 사용됩니다.
• DOMAIN_BLOB: blob 도메인은 호출자가 blob을 단독으로 관리함을 나타냅니다. 이 도메인은 데이터 파티션이 마운트되기 전에 키 저장소에 액세스해야 하는 클라이언트에 사용됩니다. 키 blob은 키 설명자의 blob 필드에 포함됩니다.

SELinux 도메인을 사용하면 공급업체 구성요소가 시스템 구성요소(예: 설정 대화상자)에서 공유할 수 있는 매우 구체적인 키 저장소 네임스페이스에 액세스할 수 있습니다.

keystore_key의 SELinux 정책

네임스페이스 라벨은 keystore2_key_context 파일을 사용하여 구성됩니다.
이러한 파일의 각 줄은 숫자로 된 네임스페이스 ID를 SELinux 라벨에 매핑합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

# 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

이 방식으로 새 키 네임스페이스를 설정했으면 적절한 정책을 추가하여 액세스 권한을 부여할 수 있습니다. 예를 들어 wpa_supplicant가 새 네임스페이스에서 키를 가져오고 사용하도록 허용하려면 hal_wifi_supplicant.te에 다음 줄을 추가합니다.

allow hal_wifi_supplicant wifi_key:keystore2_key { get, use };

새 네임스페이스를 설정한 후 AndroidKeyStore를 거의 평소와 같이 사용할 수 있습니다. 유일한 차이점은 네임스페이스 ID를 지정해야 한다는 것입니다. 키 저장소로부터 키를 로드하고 키 저장소에 가져오려면 AndroidKeyStoreLoadStoreParameter를 사용하여 네임스페이스 ID를 지정합니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

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

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

특정 네임스페이스에서 키를 생성하려면 KeyGenParameterSpec.Builder#setNamespace():를 사용하여 네임스페이스 ID를 제공해야 합니다.

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

키 저장소 2.0 SELinux 네임스페이스를 구성할 때 다음의 환경설정 파일을 사용할 수 있습니다. 충돌을 방지하기 위해 파티션마다 10,000개의 서로 다른 네임스페이스 ID가 예약되어 있습니다.

/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

클라이언트는 숫자 ID별로 SELinux 도메인과 원하는 가상 네임스페이스(이 경우 "wifi_key")를 요청하여 키를 요청합니다.

위에 다음 네임스페이스가 정의되어 있습니다. 네임스페이스가 특수 규칙을 대체하는 경우 다음 테이블은 이전에 대응하던 UID를 나타냅니다.

액세스 벡터

SELinux의 keystore_key 클래스는 상당히 오래되었으며 verify 및 sign과 같은 일부 권한은 의미가 없어졌습니다. 다음은 키 저장소 2.0에서 적용할 새로운 권한 세트인 keystore2_key입니다.

또한 SELinux keystore2 보안 클래스에서 키 외의 특정 키 저장소 권한 집합을 분할합니다.