安全性

為避免在 pVM 中執行任意酬載，Android 虛擬化架構 (AVF) 採用分層安全性做法，每個層級都會加入額外執行機制。以下列出 AVF 安全層：

  • Android 會確保只有具備 pVM 權限的應用程式，才能建立或檢查 pVM。

  • 引導程式：引導程式可確保只有 Google 或裝置供應商簽署的 pVM 映像檔才能啟動，並遵循 Android 驗證啟動程序。這個架構表示執行 pVM 的應用程式無法內含自己的核心。

  • pVM 可為在 pVM 中執行的酬載提供深入防護，例如 SELinux。深層防禦機制不允許將資料對應為可執行檔 (neverallow execmem)，並確保 W^X 可用於所有檔案類型。

安全性模型

機密性、完整性和可用性 (CIA 三要素) 是一種用於制定資訊安全政策的模型：

  • 機密性是一組限制資訊存取權的規則。
  • 完整性：確保資訊可信且準確。
  • 可用性：保證授權實體可可靠地存取資訊。

機密性和完整性

機密性源自 pKVM 虛擬機器管理程序強制執行的記憶體隔離屬性。pKVM 會追蹤個別實體記憶體頁面的記憶體擁有權，以及擁有者要求共用頁面的任何要求。pKVM 會確保只有獲授權的 pVM (主機和訪客) 在其階段 2 頁面表格中對應特定頁面，而這些表格由虛擬機器管理程序控制。在這個架構中，除非擁有者明確與其他 pVM 共用，否則 pVM 擁有的記憶體內容會保持私密。

為了維護機密性，系統中代表 pVM 執行記憶體存取作業的任何實體也適用這些限制，也就是支援 DMA 的裝置和在較高權限層級執行的服務。晶片系統 (SoC) 供應商必須滿足一套新規定，才能支援 pKVM。否則無法提供保密性。

完整性適用於記憶體中的資料和運算。pVM 無法：

  • 未經同意即修改彼此的記憶體。
  • 影響彼此的 CPU 狀態。

這些規定是由管理程序強制執行。不過，如果必須套用其他解決方案 (例如 dm-verity 或 AuthFS)，虛擬資料儲存空間也會發生資料完整性問題。

這些原則與 Linux 提供的程序隔離機制沒有什麼不同，在 Linux 中，記憶體頁面的存取權會透過階段 1 頁面表和程序間的 kernel 情境切換控制。不過，與整個 Linux 核心相比，負責強制執行這些屬性的 pKVM 的 EL2 部分，攻擊面小了三個數量級 (約 1 萬行，相較於 2 千萬行程式碼)，因此可為依賴程序隔離功能的用途提供更強的安全保障。

由於 pKVM 的大小，因此適合進行正式驗證。我們正積極支援學術研究，目的是在實際的 pKVM 二進位檔上正式證明這些特性。

本頁的其餘部分將說明 pKVM 周圍各個元件提供的機密性和完整性保證。

管理程序

pKVM 是一種以 KVM 為基礎的管理程序，可將 pVM 和 Android 隔離至互不信任的執行環境。這些屬性會在任何 pVM (包括主機) 遭到入侵時保留。符合 AVF 的其他管理程序需要提供類似的屬性。

  • 除非網頁擁有者明確分享，否則 pVM 無法存取屬於其他實體 (例如 pVM 或輔助虛擬機) 的網頁。此規則包含主機 pVM，並適用於 CPU 和 DMA 存取。

  • 在 pVM 使用的網頁傳回主機之前 (例如在 pVM 遭到銷毀時)，系統會清除該網頁。

  • 在作業系統啟動載入程式在後續裝置啟動時執行前，所有 pVM 的記憶體和裝置啟動時的 pVM 韌體都會清除。

  • 當連結硬體偵錯工具 (例如 SJTAG) 時，pVM 就無法存取先前鑄造的金鑰。

  • 如果無法驗證初始映像檔，pVM 韌體就不會啟動。

  • 如果 instance.img 的完整性遭到破壞，pVM 韌體就不會啟動。

  • 提供給 pVM 執行個體的 DICE 憑證鏈和複合裝置 ID (CDI)，只能由該特定執行個體衍生。

訪客 OS

Microdroid 是 pVM 中執行的 OS 範例。Microdroid 包含以 U-boot 為基礎的引導程式、GKI、部分 Android 使用者空間，以及酬載啟動器。這些屬性會在任何 pVM (包括主機) 遭到入侵時保留。在 pVM 中執行的其他作業系統應提供類似的屬性。

  • 如果無法驗證 boot.img、super.img、vbmeta.img 或 vbmeta\_system.img，MicroDroid 就無法啟動。

  • 如果 APK 驗證失敗，Microdroid 就不會啟動。

  • 即使 APK 已更新，同一個 Microdroid 例項仍無法啟動。

  • 如果任何 APEX 無法通過驗證，Microdroid 就不會啟動。

  • 如果在客體 pVM 外部修改 instance.img，Microdroid 就不會啟動 (或會以清除的初始狀態啟動)。

  • Microdroid 會為啟動鏈提供認證。

  • 對與訪客 pVM 共用的磁碟映像檔進行任何 (未簽署) 修改，都會導致 pVM 端發生 I/O 錯誤。

  • 提供給 pVM 執行個體的 DICE 憑證鏈和 CDIs，只能由該特定執行個體衍生。

  • 寫入加密儲存空間磁碟區的資料屬於機密資料，但在加密區塊的細節層級，並未提供復原保護機制。此外，其他任意外部竄改資料區塊的行為，會導致該區塊對 Microdroid 而言看起來像是垃圾，而非明確偵測為 I/O 錯誤。

Android

以下是 Android 在擔任主機時維護的屬性，但在主機遭到入侵時，這些屬性就不再適用：

  • 訪客 pVM 無法直接與其他訪客 pVM 互動 (例如建立 vsock 連線)。

  • 只有主機 pVM 中的 VirtualizationService 可以建立與 pVM 的通訊管道。

  • 只有使用平台金鑰簽署的應用程式，才能要求建立、擁有或與 pVM 互動的權限。

  • 在主機 pVM 執行時，系統不會重複使用用於設定主機和 pVM 之間 vsock 連線的 ID (稱為內容 ID)。舉例來說，您無法將執行中的 pVM 替換為其他 pVM。

適用地區

在 pVM 的情況下，「可用性」是指主機將足夠的資源分配給邀請對象，讓邀請對象執行其應執行的工作。

主機的職責包括為 pVM 的虛擬 CPU 排程。與傳統的 Type-1 管理程序 (例如 Xen) 不同，KVM 會明確做出設計決策，將工作負載排程委派給主機核心。考量目前排程器的大小和複雜度，這個設計決策可大幅縮減信任運算基礎 (TCB) 的大小，並讓主機做出更明智的排程決策，以便提升效能。不過，惡意房主可以選擇永不安排房客。

同樣地，pKVM 也會將實體中斷處理工作委派給主機核心，以降低管理程序的複雜度，並讓主機負責排程。我們會盡力確保轉送訪客中斷的結果只會導致服務拒絕 (中斷太少、太多或誤導中斷)。

最後，主機的虛擬機器監視器 (VMM) 程序負責分配記憶體，並提供網路卡等虛擬裝置。惡意 VMM 可能會扣留訪客的資源。

雖然 pKVM 不會向訪客提供可用性，但設計可保護主機免受惡意訪客影響，因為主機隨時可以搶先或終止訪客，並回收其資源。

安全啟動

資料會與 pVM 的執行個體綁定，安全啟動功能可確保對執行個體資料的存取權。執行個體首次啟動時，系統會隨機為 pVM 產生密碼鹽值，並從已載入的映像檔中擷取詳細資料 (例如驗證公開金鑰和雜湊)，藉此佈建執行個體。這項資訊會用於驗證 pVM 例項的後續啟動作業，並確保例項的機密資訊只會發布給通過驗證的映像檔。這個程序會在 pVM 中的每個載入階段執行：pVM 韌體、pVM ABL、Microdroid 等等。

DICE 會為每個載入階段提供認證金鑰組，其中公開部分會在該階段的 DICE 憑證中認證。這個金鑰組合可以在啟動期間變更，因此也會產生密封的祕密，這個祕密可在 VM 例項重新啟動時保持穩定，因此適合用於保護持續性狀態。密封密鑰對 VM 非常重要，因此不應直接使用。相反地，封存金鑰應從封存密鑰衍生，而封存密鑰應盡早銷毀。

每個階段都會將以確定方式編碼的 CBOR 物件交給下一個階段。這個物件包含機密和 DICE 憑證鏈結，其中包含累積的狀態資訊，例如上一個階段是否已安全載入。

已解鎖的裝置

使用 fastboot oem unlock 解鎖裝置時，系統會清除使用者資料。這項程序可防止使用者資料遭到未經授權的存取。當裝置解鎖時，pVM 的私人資料也會失效。

解鎖後，裝置擁有者就能自由重新刷新通常受驗證開機程序保護的分割區，包括包含 pKVM 實作項目的分割區。因此，在未解鎖的裝置上，pKVM 不會受到信任，無法維持安全性模型。

遠端使用者可以檢查金鑰認證憑證中的裝置已驗證的啟動狀態，觀察這項可能不安全的狀態。