Módulo criptográfico de GKI certificado con FIPS 140-3

El kernel de GKI incluye un módulo de kernel de Linux llamado fips140.ko que cumple con los requisitos de FIPS 140-3 para los módulos de software de criptografía. Este módulo se puede enviar para la certificación FIPS si el producto que ejecuta el kernel de GKI lo requiere.

En particular, se deben cumplir los siguientes requisitos del FIPS 140-3 antes de que se puedan usar las rutinas de criptografía:

  • El módulo debe verificar su propia integridad antes de poner a disposición los algoritmos criptográficos.
  • El módulo debe ejercitar y verificar sus algoritmos de criptografía aprobados con autopruebas con respuestas conocidas antes de ponerlos a disposición.

Por qué se usa un módulo de kernel independiente

La validación de FIPS 140-3 se basa en la idea de que, una vez que se certifica un módulo basado en software o hardware, nunca se cambia. Si se cambia, se debe volver a certificar. Esto no coincide fácilmente con los procesos de desarrollo de software que se usan en la actualidad y, como resultado de este requisito, los módulos de software de FIPS suelen diseñarse para enfocarse lo más posible en los componentes criptográficos, a fin de garantizar que los cambios que no estén relacionados con la criptografía no requieran una nueva evaluación de esta.

El kernel de GKI se diseñó para actualizarse con regularidad durante todo su ciclo de vida compatible. Esto hace que sea inviable que todo el kernel esté dentro del límite del módulo FIPS, ya que ese módulo debería volver a certificarse en cada actualización del kernel. Definir el "módulo FIPS" como un subconjunto de la imagen del kernel mitigaría este problema, pero no lo resolvería, ya que el contenido binario del "módulo FIPS" seguiría cambiando con mucha más frecuencia de la necesaria.

Antes de la versión 6.1 de kernel, también se debía tener en cuenta que GKI se compiló con la LTO (optimización del tiempo de vinculación) habilitada, ya que LTO era un requisito previo para la Integridad del flujo de control, que es una importante función de seguridad.

Por lo tanto, todo el código que está cubierto por los requisitos del FIPS 140-3 se empaqueta en un módulo de kernel fips140.ko independiente que solo se basa en interfaces estables expuestas por la fuente del kernel de GKI a partir de la cual se compiló. Esto significa que el módulo se puede usar con diferentes versiones de GKI de la misma generación y que se debe actualizar y volver a enviar para su certificación solo si se corrigieron problemas en el código que lleva el módulo.

Cuándo usar el módulo

El kernel de GKI lleva un código que depende de las rutinas de criptografía que también se empaquetan en el módulo de kernel FIPS 140-3. Por lo tanto, las rutinas de criptografía integradas no se quitan del kernel de GKI, sino que se copian en el módulo. Cuando se carga el módulo, las rutinas de criptografía integradas se desregistran de la CryptoAPI de Linux y se reemplazan por las que lleva el módulo.

Esto significa que el módulo fips140.ko es completamente opcional y solo tiene sentido implementarlo si la certificación FIPS 140-3 es un requisito. Además, el módulo no proporciona capacidades adicionales, y cargarlo innecesariamente solo puede afectar el tiempo de inicio, sin proporcionar ningún beneficio.

Cómo implementar el módulo

El módulo se puede incorporar en la compilación de Android siguiendo estos pasos:

  • Agrega el nombre del módulo a BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES. Esto hace que el módulo se copie en el ramdisk del proveedor.
  • Agrega el nombre del módulo a BOARD_VENDOR_RAMDISK_KERNEL_MODULES_LOAD. De esta manera, el nombre del módulo se agrega a modules.load en el destino. modules.load contiene la lista de módulos que carga init cuando se inicia el dispositivo.

La autoverificación de integridad

El módulo de kernel FIPS 140-3 toma el resumen HMAC-SHA256 de sus propias secciones .code y .rodata en el momento de la carga del módulo y lo compara con el resumen registrado en el módulo. Esto ocurre después de que el cargador de módulos de Linux ya realizó las modificaciones habituales, como el procesamiento de reasignación de ELF y los parches alternativos para las erratas de la CPU en esas secciones. Se siguen los siguientes pasos adicionales para garantizar que el resumen se pueda reproducir correctamente:

  • Las reubicaciones de ELF se conservan dentro del módulo para que se puedan aplicar de forma inversa a la entrada del HMAC.
  • El módulo invierte cualquier parche de código que haya hecho el kernel para la pila de llamadas de sombra dinámica. Específicamente, el módulo reemplaza cualquier instrucción que inserte o quite de la pila de llamadas en la sombra con las instrucciones de código de autenticación de punteros (PAC) que estaban presentes originalmente.
  • Se inhabilitan todos los demás parches de código para el módulo, incluidas las claves estáticas y, por lo tanto, los puntos de seguimiento, así como los hooks de proveedores.

Las autopruebas de respuesta conocida

Todos los algoritmos implementados que estén cubiertos por los requisitos del estándar FIPS 140-3 deben realizar una autoprueba de respuesta conocida antes de usarse. Según la Guía de implementación de FIPS 140-3, sección 10.3.A, un solo vector de prueba por algoritmo que use cualquiera de las longitudes de clave admitidas es suficiente para los algoritmos de cifrado, siempre que se prueben tanto la encriptación como la desencriptación.

La CryptoAPI de Linux tiene una noción de prioridades de algoritmos, en la que pueden coexistir varias implementaciones (como una que usa instrucciones de criptografía especiales y un resguardo para CPUs que no implementan esas instrucciones) del mismo algoritmo. Por lo tanto, es necesario probar todas las implementaciones del mismo algoritmo. Esto es necesario porque la CryptoAPI de Linux permite que se evite la selección basada en la prioridad y que se seleccione un algoritmo de menor prioridad en su lugar.

Algoritmos incluidos en el módulo

Todos los algoritmos que se incluyen en el módulo FIPS 140-3 se enumeran a continuación. Esto se aplica a las ramas de kernel android12-5.10, android13-5.10, android13-5.15, android14-5.15, android14-6.1 y android15-6.6, aunque las diferencias entre las versiones de kernel se indican cuando corresponda.

Algoritmo Implementaciones Aprobable Definición
aes aes-generic, aes-arm64, aes-ce, biblioteca AES Sí Cifrado por bloques AES simple, sin modo de operación: se admiten todos los tamaños de clave (128 bits, 192 bits y 256 bits). Todas las implementaciones, excepto la implementación de la biblioteca, se pueden componer con un modo de operación a través de una plantilla.
cmac(aes) cmac (plantilla), cmac-aes-neon, cmac-aes-ce Sí AES-CMAC: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla cmac se puede componer con cualquier implementación de aes con cmac(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
ecb(aes) ecb (plantilla), ecb-aes-neon, ecb-aes-neonbs, ecb-aes-ce Sí AES-ECB: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla ecb se puede componer con cualquier implementación de aes con ecb(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
cbc(aes) cbc (plantilla), cbc-aes-neon, cbc-aes-neonbs, cbc-aes-ce Sí AES-CBC: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla cbc se puede componer con cualquier implementación de aes con ctr(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
cts(cbc(aes)) cts (plantilla), cts-cbc-aes-neon, cts-cbc-aes-ce Sí AES-CBC-CTS o AES-CBC con robo de texto cifrado: La convención utilizada es CS3; los dos últimos bloques de texto cifrado se intercambian de forma incondicional. Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla cts se puede componer con cualquier implementación de cbc con cts(<cbc(aes)-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
ctr(aes) ctr (plantilla), ctr-aes-neon, ctr-aes-neonbs, ctr-aes-ce Sí AES-CTR: Se admiten todos los tamaños de clave AES. La plantilla ctr se puede componer con cualquier implementación de aes con ctr(<aes-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
xts(aes) xts (plantilla), xts-aes-neon, xts-aes-neonbs, xts-aes-ce Sí AES-XTS: En la versión 6.1 del kernel y versiones anteriores, se admiten todos los tamaños de clave AES. En la versión 6.6 del kernel y versiones posteriores, solo se admiten AES-128 y AES-256. La plantilla xts se puede componer con cualquier implementación de ecb(aes) con xts(<ecb(aes)-impl>). Las otras implementaciones son independientes. Todas las implementaciones implementan la verificación de claves débiles que requiere el FIPS; es decir, se rechazan las claves XTS cuya primera y segunda mitad son iguales.
gcm(aes) gcm (plantilla), gcm-aes-ce No1 AES-GCM: Se admiten todos los tamaños de clave AES. Solo se admiten IV de 96 bits. Al igual que con todos los demás modos AES de este módulo, el llamador es responsable de proporcionar los IV. La plantilla gcm se puede componer con cualquier implementación de ctr(aes) y ghash con gcm_base(<ctr(aes)-impl>,<ghash-impl>). Las otras implementaciones son independientes.
sha1 sha1-generic, sha1-ce Sí Función de hash de criptografía SHA-1
sha224 sha224-generic, sha224-arm64 y sha224-ce Sí Función hash criptográfica SHA-224: El código se comparte con SHA-256.
sha256 sha256-generic, sha256-arm64, sha256-ce, biblioteca SHA-256 Sí Función hash criptográfica SHA-256: Se proporciona una interfaz de biblioteca a SHA-256, además de la interfaz estándar de CryptoAPI. Esta interfaz de biblioteca usa una implementación diferente.
sha384 sha384-generic, sha384-arm64 y sha384-ce Sí Función de hash de criptografía SHA-384: El código se comparte con SHA-512.
sha512 sha512-generic, sha512-arm64 y sha512-ce Sí Función hash criptográfica SHA-512
sha3-224 sha3-224-generic Sí Función hash criptográfica SHA3-224. Solo está presente en la versión de kernel 6.6 y versiones posteriores.
sha3-256 sha3-256-generic Sí Igual que el anterior, pero con una longitud de resumen de 256 bits (SHA3-256). Todas las longitudes de resumen usan la misma implementación de Keccak.
sha3-384 sha3-384-generic Sí Igual que el anterior, pero con una longitud de resumen de 384 bits (SHA3-384). Todas las longitudes de resumen usan la misma implementación de Keccak.
sha3-512 sha3-512-generic Sí Igual que el anterior, pero con una longitud de resumen de 512 bits (SHA3-512). Todas las longitudes de resumen usan la misma implementación de Keccak.
hmac hmac (plantilla) Sí HMAC (código de autenticación de mensajes en clave hash): La plantilla hmac se puede componer con cualquier algoritmo o implementación de SHA con hmac(<sha-alg>) o hmac(<sha-impl>).
stdrng drbg_pr_hmac_sha1, drbg_pr_hmac_sha256, drbg_pr_hmac_sha384, drbg_pr_hmac_sha512 Sí Se creó una instancia de HMAC_DRBG con la función hash con nombre y con la resistencia a la predicción habilitada: Se incluyen las verificaciones de estado. Los usuarios de esta interfaz obtienen sus propias instancias de DRBG.
stdrng drbg_nopr_hmac_sha1, drbg_nopr_hmac_sha256, drbg_nopr_hmac_sha384, drbg_nopr_hmac_sha512 Sí Es igual que los algoritmos drbg_pr_*, pero con la resistencia a la predicción inhabilitada. El código se comparte con la variante resistente a las predicciones. En la versión 5.10 del kernel, el DRBG de prioridad más alta es drbg_nopr_hmac_sha256. En la versión de kernel 5.15 y posteriores, es drbg_pr_hmac_sha512.
jitterentropy_rng jitterentropy_rng No El Jitter RNG, ya sea la versión 2.2.0 (versión del kernel 6.1 y anteriores) o la versión 3.4.0 (versión del kernel 6.6 y posteriores) Los usuarios de esta interfaz obtienen sus propias instancias de Jitter RNG. No reutilizan las instancias que usan los DRBG.
xcbc(aes) xcbc-aes-neon, xcbc-aes-ce No
xctr(aes) xctr-aes-neon, xctr-aes-ce No Solo está presente en el kernel 5.15 y versiones posteriores.
cbcmac(aes) cbcmac-aes-neon, cbcmac-aes-ce No
essiv(cbc(aes),sha256) essiv-cbc-aes-sha256-neon, essiv-cbc-aes-sha256-ce No

Compila el módulo desde el código fuente

En el caso de Android 14 y versiones posteriores (incluida android-mainline), compila el módulo fips140.ko desde la fuente con los siguientes comandos.

  • Compila con Bazel:

    tools/bazel run //common:fips140_dist

  • Compila con build.sh (heredado):

    BUILD_CONFIG=common/build.config.gki.aarch64.fips140 build/build.sh

Estos comandos realizan una compilación completa que incluye el kernel y el módulo fips140.ko con el contenido de resumen HMAC-SHA256 incorporado.

Orientación para el usuario final

Orientación para el oficial de criptografía

Para operar el módulo del kernel, el sistema operativo debe restringirse a un modo de operación de operador único. Android lo controla automáticamente con hardware de administración de memoria en el procesador.

El módulo del kernel no se puede instalar por separado, ya que se incluye como parte del firmware del dispositivo y se carga automáticamente durante el inicio. Solo funciona en un modo de operación aprobado.

El encargado de criptografía puede reiniciar el dispositivo para que se ejecuten las autopruebas en cualquier momento.

Orientación para el usuario

El usuario del módulo del kernel son otros componentes del kernel que deben usar algoritmos de criptografía. El módulo del kernel no proporciona lógica adicional en el uso de los algoritmos ni almacena ningún parámetro más allá del tiempo necesario para realizar una operación criptográfica.

El uso de los algoritmos para el cumplimiento de FIPS se limita a los algoritmos aprobados. Para satisfacer el requisito de “indicador de servicio” del FIPS 140-3, el módulo proporciona una función fips140_is_approved_service que indica si se aprobó un algoritmo.

Errores de autoprueba

En el caso de una falla en la autoprueba, el módulo del kernel provoca el pánico y el dispositivo no continúa con el proceso de inicio. Si reiniciar el dispositivo no resuelve el problema, este debe iniciarse en el modo de recuperación para corregir el problema volviendo a escribir en la memoria flash del dispositivo.

  1. Se espera que las implementaciones de AES-GCM del módulo puedan ser "aprobadas por el algoritmo", pero no "aprobadas por el módulo". Se pueden validar, pero AES-GCM no se puede considerar un algoritmo aprobado desde el punto de vista de un módulo FIPS. Esto se debe a que los requisitos del módulo FIPS para GCM son incompatibles con las implementaciones de GCM que no generan sus propios IV. ↩