Kunci yang digabungkan dengan hardware

Seperti sebagian besar software enkripsi disk dan file, enkripsi penyimpanan Android secara tradisional mengandalkan kunci enkripsi mentah yang ada di memori sistem sehingga enkripsi dapat dilakukan. Meskipun enkripsi dilakukan oleh hardware khusus, bukan oleh software, software umumnya masih perlu mengelola kunci enkripsi mentah.

Hal ini biasanya tidak dianggap sebagai masalah karena kunci tidak akan ada selama serangan offline, yang merupakan jenis serangan utama yang ingin dilindungi oleh enkripsi penyimpanan. Namun, ada keinginan untuk memberikan peningkatan perlindungan terhadap jenis serangan lainnya, seperti serangan cold boot, dan serangan online yang memungkinkan penyerang membocorkan memori sistem tanpa membahayakan perangkat sepenuhnya.

Untuk mengatasi masalah ini, Android 11 memperkenalkan dukungan untuk kunci yang digabungkan dengan hardware, jika dukungan hardware tersedia. Kunci yang dibungkus {i>hardware<i} adalah kunci penyimpanan yang hanya dikenal dalam bentuk mentah untuk perangkat keras khusus; perangkat lunak hanya melihat dan bekerja dengan kunci-kunci ini yang digabungkan (dienkripsi). Hardware ini harus dapat membuat dan mengimpor kunci penyimpanan, menggabungkan kunci penyimpanan dalam bentuk sementara dan jangka panjang, memperoleh subkunci, memprogram satu subkunci secara langsung ke dalam mesin kripto inline, dan menampilkan subkunci terpisah ke software.

Catatan: Inline crypto engine (atau inline encryption hardware) mengacu pada hardware yang mengenkripsi/mendekode data saat data sedang dalam perjalanan ke/dari perangkat penyimpanan. Biasanya ini adalah pengontrol host UFS atau eMMC yang mengimplementasikan ekstensi kripto yang ditentukan oleh spesifikasi JEDEC yang sesuai.

Desain

Bagian ini menyajikan desain fitur kunci yang digabungkan dengan hardware, termasuk dukungan hardware yang diperlukan untuk fitur tersebut. Diskusi ini berfokus pada enkripsi berbasis file (FBE), tetapi solusi ini juga berlaku untuk enkripsi metadata.

Salah satu cara untuk menghindari kebutuhan kunci enkripsi dalam memori sistem adalah dengan menyimpannya hanya di slot kunci sebuah mesin kripto {i>inline<i}. Namun, pendekatan ini mengalami beberapa masalah:

• Jumlah kunci enkripsi dapat melebihi jumlah slot kunci.
• Mesin kripto{i> inline<i} hanya dapat digunakan untuk mengenkripsi/mendekripsi blok penuh data pada {i>disk<i}. Namun, dalam kasus FBE, perangkat lunak masih harus dapat melakukan pekerjaan kriptografi lainnya seperti enkripsi nama file dan mendapatkan kunci pengenal. Software masih memerlukan akses ke kunci FBE mentah untuk melakukan pekerjaan lain ini.

Untuk menghindari masalah ini, kunci penyimpanan dibuat menjadi kunci yang digabungkan dengan hardware, yang hanya dapat dibuka lapisannya dan digunakan oleh hardware khusus. Hal ini memungkinkan kunci dalam jumlah tak terbatas untuk didukung. Di beberapa Selain itu, hierarki kunci dimodifikasi dan sebagian dipindahkan ke perangkat keras ini, yang memungkinkan sub-kunci dikembalikan ke perangkat lunak untuk tugas-tugas yang tidak dapat menggunakan mesin kripto inline.

Catatan: Secara teknis, Anda dapat menerapkan "tombol yang digabungkan dengan hardware" dalam perangkat lunak menggunakan TEE (Trusted Execution) ) yang berjalan di prosesor yang sama, bukan menggunakan perangkat keras. Namun, tindakan ini saat ini tidak direkomendasikan, karena tidak jelas apakah tindakan ini akan memberikan manfaat keamanan yang cukup untuk membenarkan fitur tersebut. Secara khusus, cara ini tidak melindungi dari serangan cold boot.

Implementasi dalam firmware dapat diterima, asalkan hardware tempat firmware berjalan cukup terpisah dari prosesor utama.

Hierarki kunci

Kunci dapat diperoleh dari kunci lain menggunakan KDF (fungsi derivasi kunci) seperti HKDF, yang menghasilkan hierarki kunci.

Diagram berikut menggambarkan hierarki kunci yang umum untuk FBE ketika kunci yang digabungkan dengan hardware tidak digunakan:

Gambar 1. Hierarki kunci FBE (standar)

Kunci class FBE adalah kunci enkripsi mentah yang diteruskan Android ke Linux {i>kernel<i} untuk membuka kunci kumpulan direktori terenkripsi tertentu, seperti penyimpanan yang dienkripsi dengan kredensial untuk pengguna Android tertentu. (Pada {i>kernel<i}, kunci tersebut disebut kunci master fscrypt.) Dari kunci ini, {i>kernel<i} memperoleh sub-kunci berikut:

• ID kunci. Ini tidak digunakan untuk enkripsi, namun merupakan nilai digunakan untuk mengidentifikasi kunci yang digunakan untuk file atau direktori tertentu terlindungi.
• Kunci enkripsi isi file
• Kunci enkripsi nama file

Catatan: Hal di atas mengasumsikan penggunaan salah satu setelan enkripsi yang dioptimalkan untuk digunakan dengan mesin crypto inline (inlinecrypt_optimized atau emmc_optimized). Jika salah satu setelan ini tidak digunakan, akan ada banyak konten file dan kunci enkripsi nama file yang berasal dari kunci class FBE (satu per file atau direktori), bukan hanya satu dari setiap kunci.

Sebaliknya, diagram berikut menggambarkan hierarki kunci untuk FBE ketika kunci yang digabungkan secara hardware:

Gambar 2. Hierarki kunci FBE (dengan kunci yang digabungkan dengan hardware)

Dibandingkan dengan kasus sebelumnya, tingkat tambahan telah ditambahkan ke hierarki kunci, dan kunci enkripsi konten file telah dipindahkan. Node root masih mewakili kunci yang diteruskan Android ke Linux untuk membuka kunci kumpulan direktori terenkripsi. Namun, sekarang kunci itu ada dalam bentuk yang singkat, dan agar dapat digunakan harus diteruskan ke perangkat keras khusus. Perangkat keras ini harus menerapkan dua antarmuka yang mengambil kunci yang digabungkan secara efemeral:

• Satu antarmuka untuk mendapatkan inline_encryption_key dan langsung memprogramnya ke dalam slot kunci mesin crypto inline. Hal ini memungkinkan file untuk dienkripsi/didekripsi tanpa perangkat lunak memiliki akses ke tombol. Dalam kernel umum Android, antarmuka ini sesuai dengan operasi blk_crypto_ll_ops::keyslot_program, yang harus diterapkan oleh driver penyimpanan.
• Satu antarmuka untuk mendapatkan dan menampilkan sw_secret ("software rahasia" -- juga disebut "rahasia mentah" di beberapa tempat), yang merupakan kunci yang Linux digunakan untuk memperoleh sub-kunci untuk segala hal selain isi file enkripsi. Dalam kernel umum Android, antarmuka ini sesuai dengan operasi blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret, yang harus diterapkan oleh driver penyimpanan.

Untuk mendapatkan inline_encryption_key dan sw_secret dari kunci penyimpanan mentah, hardware harus menggunakan KDF yang kuat secara kriptografis. KDF ini harus mengikuti praktik terbaik kriptografi; KDF harus memiliki kekuatan keamanan setidaknya 256 bit, yaitu cukup untuk algoritma apa pun yang digunakan nanti. Subkunci juga harus menggunakan label, konteks, dan string informasi khusus aplikasi yang berbeda saat menghasilkan setiap jenis subkunci untuk menjamin bahwa subkunci yang dihasilkan diisolasi secara kriptografis, yaitu, pengetahuan tentang salah satunya tidak mengungkapkan subkunci lainnya. Peregangan kunci tidak diperlukan, karena kunci penyimpanan mentah sudah merupakan kunci acak yang seragam.

Secara teknis, KDF apa pun yang memenuhi persyaratan keamanan dapat digunakan. Namun, untuk tujuan pengujian, perlu mengimplementasikan kembali KDF yang sama di kode pengujian. Saat ini, satu KDF telah ditinjau dan diterapkan; KDF ini dapat ditemukan dalam kode sumber untuk vts_kernel_encryption_test. Sebaiknya hardware menggunakan KDF ini, yang menggunakan NIST SP 800-108 "KDF in Counter Mode" dengan AES-256-CMAC sebagai PRF. Perhatikan bahwa agar kompatibel, semua bagian algoritma harus identik, termasuk pilihan konteks dan label KDF untuk setiap subkunci.

Penggabungan tombol (key wrapping)

Untuk memenuhi sasaran keamanan kunci yang dibungkus hardware, ada dua jenis didefinisikan:

• Penggabungan sementara: hardware mengenkripsi kunci mentah menggunakan kunci yang dibuat secara acak pada setiap booting dan tidak diekspos secara langsung di luar hardware.
• Penggabungan jangka panjang: hardware mengenkripsi kunci mentah menggunakan kunci unik dan persisten yang terintegrasi dalam hardware yang tidak langsung diekspos di luar hardware.

Semua kunci yang diteruskan ke {i>kernel<i} Linux untuk membuka penyimpanan ditampilkan secara singkat. Hal ini memastikan bahwa jika penyerang dapat mengekstrak sebuah yang sedang digunakan dari memori sistem, maka kunci itu tidak hanya bisa digunakan, mati pada perangkat, tetapi juga pada perangkat setelah {i>reboot<i}.

Pada saat yang sama, Android masih harus bisa menyimpan versi terenkripsi dari kunci pada {i>disk <i}sehingga mereka dapat dibuka kuncinya. Kunci mentah akan berfungsi untuk tujuan ini. Namun, sebaiknya jangan pernah memiliki kunci ada dalam memori sistem sehingga tidak akan bisa diekstrak untuk digunakan di luar perangkat, bahkan jika diekstrak pada saat {i>booting<i}. Oleh karena itu, konsep pembungkusan jangka panjang ditentukan.

Catatan: Semua kunci enkripsi penyimpanan yang disimpan Android {i>disk<i} dilindungi oleh lapisan pembungkus kunci terpisah yang mengikat kemampuan untuk membuka kunci ke status Booting Terverifikasi perangkat serta Faktor Pengetahuan Layar Kunci (misalnya, PIN) jika berlaku. Lapisan kunci ini {i>wrapping<i} independen dari {i>key wrapping<i} jangka panjang yang dibahas di atas. Oleh karena itu, saat kunci yang digabungkan dengan hardware sedang digunakan, kunci yang disimpan Android di disk digabungkan dua kali: sekali dengan penggabungan kunci jangka panjang hardware, dan sekali lagi dengan penggabungan kunci standar Android.

Untuk mendukung pengelolaan kunci yang digabungkan dengan dua cara berbeda ini, hardware harus implementasikan antarmuka berikut:

• Antarmuka untuk membuat dan mengimpor kunci penyimpanan, yang mengembalikannya ke yang digabungkan dalam jangka panjang. Antarmuka ini diakses secara tidak langsung melalui KeyMint, dan sesuai dengan tag KeyMint TAG_STORAGE_KEY. Kemampuan "generate" digunakan oleh vold untuk membuat kunci penyimpanan baru yang akan digunakan oleh Android, sedangkan kemampuan "import" digunakan oleh vts_kernel_encryption_test untuk mengimpor kunci pengujian.
• Antarmuka untuk mengonversi kunci penyimpanan gabungan jangka panjang menjadi kunci penyimpanan yang dibungkus secara efemeral. Ini sesuai dengan metode KeyMint convertStorageKeyToEphemeral. Metode ini digunakan oleh vold dan vts_kernel_encryption_test untuk membuka kunci penyimpanan.

Algoritma penggabungan kunci adalah detail implementasi, tetapi harus menggunakan AEAD yang kuat seperti AES-256-GCM dengan IV acak.

Diperlukan perubahan software

AOSP sudah memiliki framework dasar untuk mendukung kunci yang digabungkan dengan hardware. Ini menyertakan dukungan dalam komponen userspace seperti vold, serta sebagai dukungan kernel Linux pada blk-crypto, fscrypt, dan kunci-default-dm.

Namun, beberapa perubahan khusus implementasi diperlukan.

Perubahan KeyMint

Penerapan KeyMint perangkat harus diubah untuk mendukung TAG_STORAGE_KEY dan menerapkan metode convertStorageKeyToEphemeral.

Di Keymaster, exportKey digunakan sebagai pengganti convertStorageKeyToEphemeral.

Perubahan kernel Linux

Driver kernel Linux untuk mesin kripto inline perangkat harus dimodifikasi untuk mendukung kunci yang digabungkan dengan hardware.

Untuk kernel android14 dan yang lebih tinggi, tetapkan BLK_CRYPTO_KEY_TYPE_HW_WRAPPED di blk_crypto_profile::key_types_supported, buat blk_crypto_ll_ops::keyslot_program dan blk_crypto_ll_ops::keyslot_evict mendukung pemrograman/penghapusan kunci yang digabungkan dengan hardware, dan terapkan blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret.

Untuk kernel android12 dan android13, setel BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS di blk_keyslot_manager::features, buat blk_ksm_ll_ops::keyslot_program dan blk_ksm_ll_ops::keyslot_evict mendukung pemrograman/penghapusan kunci yang digabungkan dengan hardware, dan terapkan blk_ksm_ll_ops::derive_raw_secret.

Untuk kernel android11, tetapkan BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS di keyslot_manager::features, buat keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_program dan keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_evict mendukung pemrograman/penghapusan kunci yang digabungkan dengan hardware, dan terapkan keyslot_mgmt_ll_ops::derive_raw_secret.

Pengujian

Meskipun enkripsi dengan kunci yang digabungkan dengan hardware lebih sulit untuk diuji daripada enkripsi dengan kunci standar, masih mungkin untuk menguji dengan mengimpor kunci pengujian dan menerapkan kembali turunan kunci yang dilakukan oleh perangkat keras. Hal ini diterapkan di vts_kernel_encryption_test. Untuk menjalankan pengujian ini, jalankan:

atest -v vts_kernel_encryption_test

Baca log pengujian dan pastikan bahwa kasus pengujian kunci yang digabungkan dengan hardware (misalnya, FBEPolicyTest.TestAesInlineCryptOptimizedHwWrappedKeyPolicy dan DmDefaultKeyTest.TestHwWrappedKey) tidak dilewati karena dukungan untuk kunci yang digabungkan dengan hardware tidak terdeteksi, karena hasil pengujian masih "lulus" dalam kasus tersebut.

Catatan: Agar kasus pengujian ini lulus, turunan kunci yang dilakukan oleh hardware harus sama persis dengan yang diharapkan pengujian. Selain itu, penggunaan AES-256-XTS oleh mesin kripto inline harus benar; yaitu, setiap blok data terenkripsi di disk harus dienkripsi menggunakan kunci yang diharapkan dan IV (vektor inisialisasi), termasuk menggunakan endian yang benar untuk kunci dan IV, serta jumlah penambahan IV yang benar dari satu blok ke blok berikutnya.

Jika perangkat keras menggunakan KDF yang berbeda (tidak disarankan), maka ubah pengujian untuk mendukung akses yang diperlukan jaringan KDF.

Aktifkan tombol

Setelah dukungan kunci yang digabungkan dengan hardware perangkat berfungsi dengan benar, Anda dapat melakukan perubahan berikut pada file fstab perangkat agar Android menggunakannya untuk FBE dan enkripsi metadata:

• FBE: tambahkan flag wrappedkey_v0 ke Parameter fileencryption. Misalnya, gunakan fileencryption=::inlinecrypt_optimized+wrappedkey_v0. Untuk mengetahui detail selengkapnya, lihat dokumentasi FBE.
• Enkripsi metadata: tambahkan flag wrappedkey_v0 ke Parameter metadata_encryption. Misalnya, gunakan metadata_encryption=:wrappedkey_v0. Untuk mengetahui detail selengkapnya, lihat metadata dokumentasi enkripsi.

Catatan: Kunci yang digabungkan dengan hardware hanya dapat digunakan di penyimpanan internal, bukan di penyimpanan yang dapat diadopsi.