Šifrování celého disku

Šifrování celého disku je proces kódování všech uživatelských dat v zařízení Android pomocí zašifrovaného klíče. Jakmile je zařízení zašifrováno, všechna uživatelem vytvořená data jsouautomaticky zašifrována před jejich uložením na disk a všechna čteníautomaticky dešifrují data před jejich vrácením volajícímu procesu.

Šifrování celého disku bylo do systému Android zavedeno ve verzi 4.4, ale Android 5.0 představil tyto nové funkce:

• Vytvořil rychlé šifrování, které šifruje pouze použité bloky na datovém oddílu, aby první spuštění netrvalo dlouho. V současné době podporují rychlé šifrování pouze souborové systémy ext4 a f2fs.
• Přidal příznak forceencrypt fstab pro šifrování při prvním spuštění.
• Přidána podpora pro vzory a šifrování bez hesla.
• Přidáno hardwarově podporované ukládání šifrovacího klíče pomocí možnosti podepisování v prostředí Trusted Execution Environment (TEE) (například v TrustZone). Další podrobnosti naleznete v části Ukládání šifrovacího klíče.

Upozornění: Zařízení aktualizovaná na systém Android 5.0 a potézašifrovaná mohou být obnovením továrních dat vrácena do nezašifrovaného stavu. Nová zařízení se systémem Android 5.0zašifrovaná při prvním spuštění nelze vrátit do nezašifrovaného stavu.

Jak funguje šifrování celého disku systému Android

Šifrování celého disku systému Android je založeno na dm-crypt, což je funkce jádra, která funguje na blokové vrstvě zařízení. Díky tomu šifrování funguje s kartami Embedded MultiMediaCard (eMMC) a podobnými zařízeními flash, která se jádru prezentují jako bloková zařízení. Šifrování není možné u systému YAFFS, který komunikuje přímo s čipem rawNAND flash.

Šifrovací algoritmus je 128 Advanced Encryption Standard (AES) s řetězením šifrových bloků (CBC) a ESSIV:SHA256. Hlavní klíč je šifrován128bitovým AES prostřednictvím volání knihovny OpenSSL. Pro klíč je nutné použít 128 bitů nebo více (256 bitů je volitelných).

Poznámka: Výrobci OEM mohou pro šifrování hlavního klíče použít 128 bitů nebo více.

V systému Android 5.0 jsou k dispozici čtyři druhy stavů šifrování:

• výchozí
• PIN
• heslo
• vzor

Při prvním spuštění zařízení vytvoří náhodně vygenerovaný 128bitový hlavní klíča poté jej zahesluje pomocí výchozího hesla a uložené soli. Výchozí heslo je: „default_password „Výsledný hash je však také podepsán prostřednictvím TEE (například TrustZone),který používá hash podpisu k zašifrování hlavního klíče.

Výchozí heslo můžete najít definované v souboru cryptfs.cpp projektu Android Open Source.

Když uživatel v zařízení nastaví PIN/pass nebo heslo, znovu se zašifruje a uloží pouze 128bitový klíč. (Tj. uživatelské změny PIN/pasu/vzoru NEzpůsobí zašifrování uživatelských dat.) Všimněte si, že na spravovaném zařízení mohou platit omezení týkající se PIN, vzoru nebo hesla.

Šifrování je spravováno pomocí init a vold.init volá vold a vold nastavuje vlastnosti pro spouštění událostí v init. Ostatní části systémuse také dívají na vlastnosti, aby mohly provádět úkoly, jako je hlášení stavu, dotaz na heslo nebo výzva k obnovení továrního nastavení v případě fatální chyby. Pro vyvoláníšifrovacích funkcí v vold systém používá příkazy cryptfs nástroje příkazového řádkuvdc: checkpw,restart, enablecrypto, changepw,cryptocomplete, verifypw, setfield,getfield, mountdefaultencrypted, getpwtype,getpw a clearpw.

Pro zašifrování, dešifrování nebo vymazání /data nesmí být /data připojen. Aby však bylo možné zobrazit jakékoli uživatelské rozhraní (UI), musí se spustit framework a ten vyžaduje spuštění /data. Aby se tato hádanka vyřešila, je na /data připojen dočasný souborový systém, který umožňuje systému Android v případě potřeby vyzvat k zadání hesla, zobrazit průběh nebo navrhnout vymazání dat. Přináší to však omezení, že pro přepnutí z dočasného souborového systému na skutečný souborový systém /data musí systém zastavit všechny procesy s otevřenými soubory na dočasném souborovém systému a tyto procesy znovu spustit na skutečném souborovém systému /data. Za tímto účelem musí být všechny služby v jedné ze tří skupin: core, main alate_start.

• core: Po spuštění se nikdy nevypíná.
• main: Vypnutí a opětovné spuštění po zadání hesla disku.
• late_start: Nespustí se, dokud se nerozšifruje a nepřipojí /data.

Pro spuštění těchto akcí se nastavují různé řetězce vlastnosti vold.decrypt. k ukončení a opětovnému spuštění služeb slouží příkazy init:

• class_reset: Zastaví službu, ale umožní její opětovné spuštění pomocí class_start.
• class_start: Restartuje službu.
• class_stop: Zastaví službu a přidá příznak SVC_DISABLED. Zastavené služby neodpovídají na class_start.

Toky

Pro šifrované zařízení existují čtyři toky. Zařízení je zašifrováno pouze jednoua poté následuje normální spouštěcí tok.

• Zašifrovat dříve nezašifrované zařízení:
  • Zašifrujte nové zařízení pomocí forceencrypt: Povinné šifrování při prvním spuštění (počínaje systémem Android L).
  • Zašifrovat existující zařízení:
  • Zašifrovat existující zařízení:
  • Zašifrovat existující zařízení: Šifrování z podnětu uživatele (Android K a starší).
• Zavedení zašifrovaného zařízení:
  • Spuštění šifrovaného zařízení bez hesla: Spuštění šifrovaného zařízení, které nemá nastavené heslo (relevantní pro zařízení se systémem Android 5.0 a novějším).
  • Spuštění šifrovaného zařízení s heslem: Spuštění šifrovaného zařízení, které má nastavené heslo.

Kromě těchto toků se může stát, že se zařízení nepodaří zašifrovat /data. každý z toků je podrobně vysvětlen níže.

Zašifrování nového zařízení pomocí forceencrypt

Toto je normální první spuštění pro systém Android 5.0.0 zařízení.

1. Detekce nešifrovaného souborového systému s příznakem forceencrypt

   /data není šifrován, ale musí být, protože to nařizuje příznak forceencrypt. odpojení /data.

2. Spustit šifrování /data

   vold.decrypt = "trigger_encryption" spustí init.rc,což způsobí, že vold zašifruje /data bez hesla (nastaveno žádné, protože by se mělo jednat o nové zařízení.)

3. Mount tmpfs

   vold připojí tmpfs /data (pomocí volby tmpfs zro.crypto.tmpfs_options) a nastaví vlastnost vold.encrypt_progress na 0.vold předpřipraví tmpfs /data pro zavedení šifrovaného systému a nastaví vlastnost vold.decrypt na: trigger_restart_min_framework

4. Vyvolá rámec pro zobrazení průběhu

   Protože zařízení nemá prakticky žádná data k šifrování, ukazatel průběhu se často ve skutečnosti nezobrazí, protože šifrování probíhá velmi rychle. Více podrobností o uživatelském rozhraní průběhu naleznete v částiŠifrování existujícího zařízení.

5. Když je /data zašifrováno, sejměte framework

   vold nastaví vold.decrypt natrigger_default_encryption, čímž se spustí službadefaultcrypto. (Tím se spustí níže uvedený tok pro připojování adefaultně zašifrovaných uživatelských dat.) trigger_default_encryption kontroluje typ šifrování, aby zjistil, zda je /data zašifrován s heslem nebo bez hesla. Protože zařízení se systémem Android 5.0 jsou při prvním spuštění šifrována, nemělo by být nastaveno žádné heslo; proto dešifrujeme a připojíme /data.

6. Mount /data

   init pak připojí /data na tmpfs RAMDisk pomocíparametrů, které převezme od ro.crypto.tmpfs_options, který je nastaven v init.rc.

7. Spustí framework

   Nastaví vold na trigger_restart_framework, kterýpokračuje v obvyklém zaváděcím procesu.

Šifrování existujícího zařízení

Toto se stane, když zašifrujete nešifrované zařízení se systémem Android K nebo starším, které bylo převedeno na systém L.

Tento proces je iniciován uživatelem a v kódu se označuje jako „šifrování na místě“. Když uživatel zvolí šifrování zařízení, uživatelské rozhraní se ujistí, že je baterie plně nabitá a síťový adaptér je připojen, aby byl dostatek energie pro dokončení procesu šifrování.

Upozornění: Pokud se zařízení vybije a vypne se před dokončením šifrování, data souborů zůstanou v částečně zašifrovaném stavu. Zařízení musíbýt obnoveno do továrního nastavení a všechna data jsou ztracena.

Pro zapnutí šifrování na místě vold spustí smyčku pro čtení každéhosektoru reálného blokového zařízení a následný zápis do kryptografického blokového zařízení. vold Před čtením a zápisem kontroluje, zda je sektor používán, což značně urychluje šifrování na novém zařízení, které má málo nebo žádná data.

Stav zařízení: Nastavte ro.crypto.state = "unencrypted"a proveďte spouštěč on nonencrypted init pro pokračování zavádění.

1. Zkontrolujte heslo

   Uživatelské rozhraní zavolá vold s příkazem cryptfs enablecrypto inplacekde passwd je heslo uživatele k zamykací obrazovce.

2. Sundejte framework

   vold kontroluje chyby, vrátí -1, pokud nemůže šifrovat, a vypíše důvod do protokolu. Pokud může šifrovat, nastaví vlastnost vold.decryptna trigger_shutdown_framework. To způsobí, že init.rc zastaví služby ve třídách late_start a main.

3. Vytvoří kryptografickou patičku
4. Vytvoří drobečkový soubor
5. Restartuje
6. Zjistí drobečkový soubor
7. Spustí šifrování /data

   vold pak nastaví kryptografické mapování, které vytvoří virtuální kryptografické blokové zařízení, které se mapuje na skutečné blokové zařízení, ale šifruje každý sektor při zápisu a dešifruje každý sektor při čtení. vold pak vytvoří a vypíše kryptografická metadata.

8. Během šifrování připojí tmpfs

   vold tmpfs /data (pomocí volby tmpfsz ro.crypto.tmpfs_options) a nastaví vlastnostvold.encrypt_progress na 0. vold připraví tmpfs/data pro zavedení šifrovaného systému a nastaví vlastnostvold.decrypt na: trigger_restart_min_framework

9. Vyvolá framework pro zobrazení průběhu

   trigger_restart_min_framework způsobí, že init.rc spustí třídu služeb main. Když framework vidí, že vold.encrypt_progress je nastaven na 0, vyvolá rozhraní progress barUI, které se každých pět sekund dotazuje na tuto vlastnost a aktualizuje ukazatel průběhu.šifrovací smyčka aktualizuje vold.encrypt_progress pokaždé, když zašifruje další procento oddílu.

10. Když je /data zašifrován, aktualizuje kryptografickou patičku

    Když je /data úspěšně zašifrován, vold zruší příznak ENCRYPTION_IN_PROGRESS v metadatech.

    Když je zařízení úspěšně odemčeno, heslo je poté použito k zašifrování hlavního klíče a je aktualizována kryptografická patička.

    Pokud se restart z nějakého důvodu nezdaří, vold nastaví vlastnostvold.encrypt_progress na error_reboot_failed a uživatelské rozhraní by mělo zobrazit zprávu vyzývající uživatele ke stisknutí tlačítka pro restart. Neočekává se, že by k tomu někdy došlo.

Spuštění zašifrovaného zařízení s výchozím šifrováním

Toto se stane, když spustíte zašifrované zařízení bez hesla. protože zařízení se systémem Android 5.0 jsou při prvním spuštění zašifrována, nemělo by být nastaveno žádné heslo, a proto je toto výchozí stav šifrování.

1. Detekovat šifrované /databez hesla

   Zjistí, že zařízení se systémem Android je šifrované, protože /datanelze připojit a je nastaven jeden z příznaků encryptable neboforceencrypt.

   vold nastaví vold.decrypt natrigger_default_encryption, čímž se spustí službadefaultcrypto. trigger_default_encryption zkontroluje typ šifrování a zjistí, zda je /data šifrováno s heslem nebo bez hesla.

2. Dešifruje /data

   Vytvoří zařízení dm-crypt nad blokovým zařízením, takže zařízeníje připraveno k použití.

3. Připojí /data

   vold pak připojí dešifrovaný skutečný oddíl /dataa poté připraví nový oddíl. Nastaví vlastnostvold.post_fs_data_done na 0 a poté nastaví vold.decryptna trigger_post_fs_data. To způsobí, že init.rc spustí své příkazy post-fs-data. Ty vytvoří všechny potřebné adresářenebo odkazy a pak nastaví vold.post_fs_data_done na 1.

   Jakmile vold uvidí v této vlastnosti 1, nastaví vlastnostvold.decrypt na: trigger_restart_framework. To způsobí, že init.rc znovu spustí služby ve třídě maina také poprvé od zavedení systému spustí služby ve třídě late_start.

4. Spustit framework

   Nyní framework spustí všechny své služby pomocí dešifrovaného /data a systém je připraven k použití.

Spuštění šifrovaného zařízení bez výchozího šifrování

Toto se stane, když spustíte šifrované zařízení, které má nastavenéheslo. Heslem zařízení může být pin, vzor nebo heslo.

1. Detekce šifrovaného zařízení s heslem

   Zjistí, že zařízení se systémem Android je šifrované, protože příznakro.crypto.state = "encrypted"

   vold nastaví vold.decrypt natrigger_restart_min_framework, protože /data jezašifrované s heslem.

2. Připojení tmpfs

   init nastaví pět vlastností pro uložení počátečních možností připojení daných pro /data s parametry předanými z init.rc.vold používá tyto vlastnosti k nastavení kryptografického mapování:

   1. ro.crypto.fs_type
   2. ro.crypto.fs_real_blkdev
   3. ro.crypto.fs_mnt_point
   4. ro.crypto.fs_options
   5. ro.crypto.fs_flags (ASCII osmimístné šestnáctkové číslo, kterému předchází 0x)
3. Spustí framework, aby se zeptal na heslo

   Spustí se framework a vidí, že vold.decrypt je nastaveno natrigger_restart_min_framework. To frameworku říká, že se spouští na disku tmpfs /data a potřebuje získat uživatelské heslo.

   Nejprve se však musí ujistit, že disk byl správně zašifrován. Odešle příkaz cryptfs cryptocomplete na vold. vold vrátí 0, pokud bylo šifrování úspěšně dokončeno, -1 při vnitřní chybě nebo-2, pokud šifrování nebylo úspěšně dokončeno. Příkaz vold to zjistí tak, že v kryptografických metadatech vyhledá příznak CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS. Pokud je nastaven, proces šifrování byl přerušen a na zařízení jsou nousable data. Pokud vold vrátí chybu, uživatelské rozhraní by mělo zobrazit zprávu pro uživatele, aby restartoval a obnovil tovární nastavení zařízení, a dát uživateli tlačítko, které má za tímto účelem stisknout.

4. Dešifrování dat pomocí hesla

   Pokud je cryptfs cryptocomplete úspěšné, rámec zobrazí uživatelské rozhraní s dotazem na heslo disku. Uživatelské rozhraní zkontroluje heslo odesláním příkazu cryptfs checkpw na vold. Pokud je heslo správné (což se zjistí úspěšným připojením dešifrovaného /data na dočasné místo a jeho následným odmontováním),vold uloží název dešifrovaného blokového zařízení do vlastnostiro.crypto.fs_crypto_blkdev a vrátí uživatelskému rozhraní stav 0. Pokud je heslo nesprávné, vrátí uživatelskému rozhraní stav -1.

5. Zastavit framework

   Uživatelské rozhraní zobrazí grafiku zavádění šifrování a poté zavolá vold s příkazem cryptfs restart. Příkaz vold nastaví vlastnostvold.decrypt na trigger_reset_main, což způsobí, žeinit.rc provede class_reset main. Tím se zastaví všechny službyv hlavní třídě, což umožní odmountovat tmpfs /data.

6. Mount /data

   vold pak připojí dešifrovaný skutečný oddíl /dataa připraví nový oddíl (který nemusel být nikdy připraven, pokud byl šifrován pomocí volby wipe, která není v první verzi podporována). Nastaví vlastnost vold.post_fs_data_done na 0 a poté nastaví vold.decrypt na trigger_post_fs_data. To způsobí, že init.rc spustí své příkazy post-fs-data. Ty vytvoří všechny potřebné adresáře nebo odkazy a poté nastaví hodnotuvold.post_fs_data_done na 1. Jakmile vold uvidí v této vlastnosti 1, nastaví vlastnost vold.decrypt natrigger_restart_framework. To způsobí, že init.rc znovu spustí služby ve třídě main a také poprvé od zavedení systému spustí služby ve třídělate_start.

7. Spustit celý framework

   Nyní framework spustí všechny své služby pomocí dešifrovaného /datasouborového systému a systém je připraven k použití.

Závada

Zařízení, kterému se nedaří dešifrovat, může mít několik důvodů. Zařízení začíná běžnou sérií kroků pro spuštění:

1. Detekovat zašifrované zařízení s heslem
2. Mountovat tmpfs
3. Spustit framework a vyzvat k zadání hesla

Ale po otevření frameworku může zařízení narazit na některé chyby:

• Heslo odpovídá, ale nelze dešifrovat data
• Uživatel zadá 30krát špatné heslo

Pokud se tyto chyby nevyřeší, vyzve uživatele k továrnímu vymazání:

Pokud vold zjistí chybu během procesu šifrování a pokud ještě nebyla zničena žádná data a framework je spuštěn, vold nastaví vlastnost vold.encrypt_progress na error_not_encrypted.Uživatelské rozhraní vyzve uživatele k restartu a upozorní ho, že proces šifrovánínebyl nikdy zahájen. Pokud k chybě dojde až poté, co byl framework stržen, ale ještě předtím, než se zobrazí uživatelské rozhraní s ukazatelem průběhu, vold restartuje systém. Pokud se restart nepodaří, nastaví vold.encrypt_progress naerror_shutting_down a vrátí -1; nebude však nic, co by chybu zachytilo. To se neočekává.

Pokud vold zjistí chybu během procesu šifrování, nastavívold.encrypt_progress na error_partially_encrypteda vrátí -1. V případě, že vold zjistí chybu během procesu šifrování, nastaví vold.encrypt_progress na error_partially_encrypteda vrátí -1. Uživatelské rozhraní by pak mělo zobrazit zprávu, že se šifrování nezdařilo, a poskytnout uživateli tlačítko pro obnovení továrního nastavení zařízení.

Uložení šifrovacího klíče

Šifrovací klíč je uložen v kryptografických metadatech. Hardwarové zálohování jeimplementováno pomocí podepisovací schopnosti prostředí Trusted Execution Environment (TEE). dříve jsme hlavní klíč šifrovali klíčem vygenerovaným aplikací scrypt na heslo uživatele a uloženou sůl. Aby byl klíč odolný proti útokům mimo schránku, rozšířili jsme tento algoritmus o podepisování výsledného klíče uloženým klíčem TEE. Výsledný podpis se pak ještě jednou aplikací scryptu změní na klíč vhodné délky. Tento klíč je pak použit k zašifrování a dešifrování hlavního klíče. Uložení tohoto klíče:

1. Vygenerujte náhodný 16bajtový šifrovací klíč disku (DEK) a 16bajtovou sůl.
2. Aplikujte scrypt na uživatelské heslo a sůl a vytvořte 32bajtový meziklíč 1 (IK1).
3. Podložíme IK1 nulou bajtů do velikosti hardwarově vázaného soukromého klíče (HBK). konkrétně podložíme jako: 00 || IK1 || 00..00; jeden nulový bajt, 32 bajtů IK1, 223nulových bajtů.
4. Podložením IK1 pomocí HBK vznikne 256bajtový IK2.
5. Použijeme scrypt na IK2 a sůl (stejná sůl jako v kroku 2) a vytvoříme 32bajtový IK3.
6. Prvních 16 bajtů IK3 použijte jako KEK a posledních 16 bajtů jako IV.
7. Šifrujte DEK pomocí AES_CBC s klíčem KEK a inicializačním vektorem IV.

Změna hesla

Když se uživatel rozhodne změnit nebo odstranit své heslo v nastavení, uživatelské rozhraní odešle příkaz cryptfs changepw na vold avold znovu zašifruje hlavní klíč disku s novým heslem.

Vlastnosti šifrování

vold a init spolu komunikují nastavením vlastností. Zde je seznam dostupných vlastností pro šifrování.

Vlastnosti

Vlastnost	Popis
vold.decrypt trigger_encryption	Šifrování disku bez hesla.
vold.decrypt trigger_default_encryption	Zkontrolujte, zda je jednotka zašifrovaná bez hesla. pokud ano, dešifrujte ji a připojte, jinak nastavte vold.decrypt na hodnotu trigger_restart_min_framework.
vold.decrypt trigger_reset_main	Nastaví vold na vypnutí uživatelského rozhraní s dotazem na heslo disku.
vold.decrypt trigger_post_fs_data	Nastaví vold na přípravu /data s potřebnými adresáři atd.
vold.decrypt trigger_restart_framework	Nastaví vold, aby spustil skutečný framework a všechny služby.
vold.decrypt trigger_shutdown_framework	Nastaví vold, aby vypnul celý framework a spustil šifrování.
vold.decrypt trigger_restart_min_framework	Nastaví vold pro spuštění uživatelského rozhraní lišty průběhu šifrování nebo výzvy k zadání hesla, v závislosti na hodnotě ro.crypto.state.
vold.encrypt_progress	Při spuštění frameworku,pokud je tato vlastnost nastavena, vstoupí do režimu uživatelského rozhraní progress baru.
vold.encrypt_progress 0 to 100	Uživatelské rozhraní progress baru by mělo zobrazovat nastavenou procentuální hodnotu.
vold.encrypt_progress error_partially_encrypted	Uživatelské rozhraní s ukazatelem průběhu by mělo zobrazit zprávu, že se šifrování nezdařilo, a poskytnout uživateli možnost továrního obnovení zařízení.
vold.encrypt_progress error_reboot_failed	Uživatelské rozhraní s ukazatelem průběhu by mělo zobrazit zprávu, že šifrování bylo dokončeno, a poskytnout uživateli tlačítko pro restart zařízení. Tato chyba se neočekává.
vold.encrypt_progress error_not_encrypted	Uživatelské rozhraní panelu průběhu by mělozobrazit zprávu, že došlo k chybě, nebyla zašifrována ani ztracena žádná data, a dát uživateli tlačítko pro restartování systému.
vold.encrypt_progress error_shutting_down	Uživatelské rozhraní panelu průběhu neběží, takže není jasné, kdo bude na tuto chybu reagovat. A stejně by k ní nemělo nikdy dojít.
vold.post_fs_data_done 0	Nastaveno vold těsně před nastavením vold.decrypt na trigger_post_fs_data.
vold.post_fs_data_done 1	Nastaveno init.rc nebo init.rc těsně po dokončení úlohy post-fs-data.

init vlastnosti

Vlastnosti	Popis
ro.crypto.fs_crypto_blkdev	Nastavuje se příkazem vold checkpw pro pozdější použití příkazem vold restart.
ro.crypto.state unencrypted	Nastaveno pomocí init pro sdělení, že tento systém běží s nešifrovaným /data ro.crypto.state encrypted. Nastaveno init, aby říkalo, že tento systém běží se zašifrovaným /data.
ro.crypto.fs_type ro.crypto.fs_real_blkdev ro.crypto.fs_mnt_point ro.crypto.fs_options ro.crypto.fs_flags	Těchto pět vlastností nastaví init, když se pokusí připojit /data s parametry předanými z init.rc. Používá je vold k nastavení kryptografického mapování.
ro.crypto.tmpfs_options	Nastavuje je init.rc s parametry, které má init použít při připojování souborového systému tmpfs /data.

Akce init

.