Llaves unidas en hardware

Al igual que la mayoría de los software de encriptación de discos y archivos, la encriptación de almacenamiento de Android tradicionalmente se basa en que las claves de encriptación sin procesar estén presentes en la memoria del sistema para que se pueda realizar la encriptación. Incluso cuando la encriptación se realiza por un hardware dedicado y no por software, el software, por lo general, debe administrar las claves de encriptación sin procesar.

Por lo general, esto no se ve como un problema, ya que las claves no estarán presentes. durante un ataque sin conexión, que es el principal tipo de ataque que cómo se protege la encriptación. Sin embargo, se desea proporcionar una mayor protección contra otros tipos de ataques, como los ataques de inicio en frío y los ataques en línea en los que un atacante podría filtrar la memoria del sistema sin vulnerar por completo el dispositivo.

Para resolver este problema, Android 11 introdujo la compatibilidad con llaves empaquetadas en hardware, donde hay compatibilidad con el hardware. Las claves empaquetadas en hardware son claves de almacenamiento que solo se conocen en formato sin procesar para el hardware dedicado. El software solo ve estas claves y funciona con ellas en formato empaquetado (encriptado). Este hardware debe ser capaz de generar e importar claves de almacenamiento, unirlas en formas efímeras y a largo plazo, del usuario, programar directamente una subclave en un motor criptográfico intercalado y mostrar una subclave independiente al software.

Nota: Un motor criptográfico intercalado (o intercalado) hardware de encriptación) se refiere al hardware que encripta/desencripta datos mientras cuando está en camino hacia o desde el dispositivo de almacenamiento. Por lo general, es un host de UFS o eMMC controlador que implemente las extensiones criptográficas definidas por el servicio correspondiente JEDEC.

Diseño

En esta sección, se presenta el diseño de la función de claves unidas en hardware, que incluye lo siguiente: y qué soporte de hardware se necesita. Este análisis se centra en la encriptación basada en archivos (FBE), pero que la solución se aplica a los metadatos encriptación.

Una forma de evitar la necesidad de las claves de encriptación sin procesar en la memoria del sistema sería guardarlas solo en los espacios de claves de un motor de criptografía intercalado. Sin embargo, este enfoque tiene algunos problemas:

• La cantidad de claves de encriptación puede exceder la cantidad de ranuras de claves.
• Los motores criptográficos intercalados solo se pueden usar para encriptar o desencriptar bloques completos de de los datos en el disco. Sin embargo, en el caso de los FBE, el software debe poder hacer otras tareas criptográficas, como la encriptación de nombres de archivo y las claves derivadas identificadores. El software aún necesitaría acceso a las claves FBE sin procesar para realizar esta otra tarea.

Para evitar estos problemas, las claves de almacenamiento se convierten en llaves unidas por hardware, que solo las pueden usar o hardware específico. Esto permite que se admita una cantidad ilimitada de claves. En Además, la jerarquía de claves se modifica y se mueve parcialmente a este hardware, que permite devolver una subclave al software para tareas que no pueden usar una con un motor criptográfico intercalado.

Nota: Técnicamente, es posible implementar "claves empaquetadas en hardware" en software con un TEE (entorno de ejecución confiable) que se ejecuta en el mismo procesador, en lugar de usar hardware dedicado. Sin embargo, actualmente no se recomienda hacerlo, ya que no está claro que esto proporcionaría suficiente beneficio de seguridad para justificar la función. En particular, esto podría no brindar protección contra los ataques de inicio en frío.

Una implementación en el firmware es aceptable, siempre y cuando el hardware en que ejecuta el firmware es lo suficientemente independiente del procesador principal.

Jerarquía de claves

Las claves se pueden derivar de otras claves con un KDF (función de derivación de claves), como HKDF. lo que da como resultado una jerarquía de claves.

El siguiente diagrama muestra una típica jerarquía de claves para FBE cuando claves unidas con hardware no se usan:

Figura 1: Jerarquía de claves de FBE (estándar)

La clave de clase FBE es la clave de encriptación sin procesar que Android pasa al kernel de Linux para desbloquear un conjunto particular de directorios encriptados, como el almacenamiento encriptado con credenciales de un usuario de Android en particular. (En el kernel, este se denomina clave maestra de fscrypt). A partir de esta clave, el kernel deriva las siguientes subclaves:

• Es el identificador de la clave. No se usa para la encriptación, sino que es un valor que se usa para identificar la clave con la que se protege un archivo o directorio en particular.
• La clave de encriptación del contenido del archivo
• La clave de encriptación del nombre de archivo

Nota: Lo anterior supone el uso de uno de los parámetros de configuración de encriptación que está optimizado para usarse con un motor de criptografía intercalado (inlinecrypt_optimized o emmc_optimized). Si no se usa uno de estos parámetros de configuración, hay muchos contenidos de archivos y claves de encriptación de nombres de archivos derivados de la clave de clase FBE (una por archivo o directorio), en lugar de solo una de cada una.

Por el contrario, el siguiente diagrama muestra la jerarquía de claves de FBE cuando claves unidas con hardware:

Figura 2: Jerarquía de claves de FBE (con clave unida al hardware)

En comparación con el caso anterior, se agregó un nivel adicional a la clave y la clave de encriptación del contenido del archivo se reubica. El nodo raíz sigue representando la clave que Android pasa a Linux para desbloquear un conjunto de directorios encriptados. Sin embargo, ahora esa clave está en forma de unión efímera y, para usarse, se debe pasar al hardware dedicado. Este hardware debe implementar dos interfaces que tomen una clave unida de forma efímera:

• Una interfaz para derivar inline_encryption_key y programarlo en una ranura del motor criptográfico intercalado. Esto permite que el contenido de los archivos se encripte o desencripte sin que el software tenga acceso a la clave sin procesar. En los kernels comunes de Android, esta interfaz corresponde a la operación blk_crypto_ll_ops::keyslot_program, que el controlador de almacenamiento debe implementar.
• Una interfaz para derivar y mostrar sw_secret ("software Secret" también denominado "Secreto sin procesar" en algunos lugares), que es la clave que Linux los usa para derivar las subclaves de todo lo que no sea el contenido del archivo. la encriptación. En los kernels comunes de Android, esta interfaz corresponde a la operación blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret, que el controlador de almacenamiento debe implementar.

Para derivar inline_encryption_key y sw_secret de la sin procesar, el hardware debe usar un KDF seguro a nivel criptográfico. Este KDF debe seguir las prácticas recomendadas de criptografía y tener una seguridad de al menos 256 bits, es decir, suficiente para cualquier algoritmo que se use más adelante. También debe usar una etiqueta, un contexto y una cadena de información específica de la app distinta cuando derive cada tipo de subclave para garantizar que las subclaves resultantes estén aisladas criptográficamente, es decir, que el conocimiento de una de ellas no revele ninguna otra. No es necesario extender la clave, dado que la clave de almacenamiento sin procesar ya es un uniformemente aleatoria.

Técnicamente, se puede usar cualquier KDF que cumpla con los requisitos de seguridad. Sin embargo, para realizar pruebas, es necesario volver a implementar el mismo KDF en código de prueba. Actualmente, se revisó y se implementó un KDF. se puede encontrar en el código fuente de vts_kernel_encryption_test. Se recomienda que el hardware use este KDF, que usa NIST SP 800-108 "KDF en modo contador" con AES-256-CMAC como PRF. Ten en cuenta que, para ser compatibles, todas partes del algoritmo deben ser idénticas, incluida la elección de contextos de KDF y etiquetas para cada subclave.

Unión de claves

Para cumplir con los objetivos de seguridad de las claves unidas con hardware, hay dos tipos de unión de claves están definidos:

• Unión efímera: El hardware encripta la clave sin procesar con una clave que se genera de forma aleatoria en cada inicio y que no se expone directamente fuera del hardware.
• Unión a largo plazo: el hardware encripta la clave sin procesar con un una clave única y persistente integrada en el hardware que no está directamente expuestas por fuera del hardware.

Todas las claves que se pasan al kernel de Linux para desbloquear el almacenamiento se unen de forma efímera. Esto garantiza que si un atacante puede extraer clave en uso de la memoria del sistema, esta quedará inutilizable no solo sino también en el dispositivo después de reiniciarlo.

Al mismo tiempo, Android aún debe poder almacenar una versión encriptada de las claves en el disco para que se puedan desbloquear en primer lugar. Las claves sin procesar funcionarían para este propósito. Sin embargo, es conveniente que las claves sin procesar nunca estén presentes en la memoria del sistema para que nunca se puedan extraer y usar fuera del dispositivo, incluso si se extraen durante el inicio. Por este motivo, se define el concepto de vinculación a largo plazo.

Nota: Todas las claves de encriptación de almacenamiento que Android almacena en el disco están protegidas por una capa independiente de unión de claves que vincula la capacidad de desbloquear la clave al estado de inicio verificado del dispositivo, así como al factor de conocimiento de la pantalla de bloqueo del usuario (por ejemplo, el PIN) cuando corresponda. Esta capa de claves la unión es independiente de la unión de clave a largo plazo mencionada anteriormente. Por lo tanto, cuando se usan claves unidas en hardware, las que almacena Android del disco se une dos veces: una con la clave a largo plazo del hardware unión y, nuevamente, con la unión de claves estándar de Android.

Para admitir la administración de claves unidas de estas dos formas diferentes, el hardware debe implementa las siguientes interfaces:

• Interfaces para generar e importar claves de almacenamiento, que las devuelven en formato integrado a largo plazo. Se accede a estas interfaces indirectamente KeyMint y corresponden a la etiqueta de KeyMint TAG_STORAGE_KEY. La columna "generate" vold usa la función para generar nuevo almacenamiento claves para usar en Android, mientras que el comando "import" la capacidad se usa por vts_kernel_encryption_test para importar claves de prueba.
• Una interfaz para convertir una clave de almacenamiento unido a largo plazo en un una clave de almacenamiento unida de forma efímera. Esto corresponde al método KeyMint convertStorageKeyToEphemeral. vold y vts_kernel_encryption_test usan este método para desbloquear el almacenamiento.

El algoritmo de unión de claves es un detalle de implementación, pero debe usar un AEAD sólido, como AES-256-GCM con IVs aleatorios.

Se requieren cambios en el software

AOSP ya tiene un framework básico para admitir claves empaquetadas en hardware. Esto incluye la compatibilidad con componentes del espacio de usuario, como vold, así como la compatibilidad con el kernel de Linux en blk-crypto, fscrypt y dm-default-key.

Sin embargo, se requieren algunos cambios específicos de la implementación.

Cambios en KeyMint

La implementación de KeyMint del dispositivo debe modificarse para admitir TAG_STORAGE_KEY e implementar el método convertStorageKeyToEphemeral.

En Keymaster, se usó exportKey en lugar de convertStorageKeyToEphemeral.

Cambios en el kernel de Linux

Se debe modificar el controlador de kernel de Linux para el motor de criptografía intercalado del dispositivo para admitir claves empaquetadas en hardware.

Para kernels android14 y versiones posteriores, establecer BLK_CRYPTO_KEY_TYPE_HW_WRAPPED en blk_crypto_profile::key_types_supported, marca blk_crypto_ll_ops::keyslot_program y blk_crypto_ll_ops::keyslot_evict admitir la programación y la expulsión de claves unidas a hardware, y, luego, implementar blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret.

Para los kernels android12 y android13, establecer BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS en blk_keyslot_manager::features, marca blk_ksm_ll_ops::keyslot_program y blk_ksm_ll_ops::keyslot_evict admitir la programación y la expulsión de claves unidas a hardware, y, luego, implementar blk_ksm_ll_ops::derive_raw_secret.

Para los kernels android11, establecer BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS en keyslot_manager::features, marca keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_program y keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_evict admitir la programación y la expulsión de claves unidas a hardware, y, luego, implementar keyslot_mgmt_ll_ops::derive_raw_secret.

Prueba

Aunque la encriptación con claves unidas en hardware es más difícil de probar que la encriptación con claves estándar, es posible realizar pruebas importando una clave de prueba y o volver a implementar la derivación de claves que hace el hardware. Esto se implementa en vts_kernel_encryption_test. Para ejecutar esta prueba, ejecuta lo siguiente:

atest -v vts_kernel_encryption_test

Lee el registro de prueba y verifica que no se hayan omitido los casos de prueba de claves empaquetadas en hardware (por ejemplo, FBEPolicyTest.TestAesInlineCryptOptimizedHwWrappedKeyPolicy y DmDefaultKeyTest.TestHwWrappedKey) debido a que no se detectó la compatibilidad con las claves empaquetadas en hardware, ya que los resultados de la prueba aún se "aprueban" en ese caso.

Nota: Para que se aprueben estos casos de prueba, se realiza la derivación de claves. que brinda el hardware debe coincidir exactamente con la que espera la prueba. Además, el uso de AES-256-XTS por parte del motor de criptografía intercalado debe ser correcto; es decir, cada bloque de datos encriptados en el disco debe encriptarse con la clave y el IV (vector de inicialización) esperados, incluido el orden de bytes correcto para la clave y el IV, y el importe de incremento de IV correcto de un bloque al siguiente.

Si el hardware usa un KDF diferente (no se recomienda), cambiar la prueba para admitir el KDF wis requerido.

Habilita las teclas

Una vez que la compatibilidad de la clave unida en hardware del dispositivo funcione correctamente, puedes haz los siguientes cambios en el archivo fstab del dispositivo Android lo usa para la encriptación de metadatos y FBE:

• FBE: agrega la marca wrappedkey_v0 al Parámetro fileencryption. Por ejemplo, usa fileencryption=::inlinecrypt_optimized+wrappedkey_v0. Para más detalles, consulta la FBE documentación.
• Encriptación de metadatos: Agrega la marca wrappedkey_v0 al parámetro metadata_encryption. Por ejemplo, usa metadata_encryption=:wrappedkey_v0 Para obtener más detalles, consulta la metadatos documentación de encriptación.

Nota: Las claves unidas por hardware solo se pueden usar en dispositivos de almacenamiento, no en el almacenamiento adoptable.