Clés encapsulées dans le matériel

Comme la plupart des logiciels de chiffrement de disque et de fichiers, le chiffrement du stockage d'Android repose traditionnellement sur les clés de chiffrement brutes présentes dans la mémoire système afin de pouvoir effectuer le chiffrement. Même lorsque le chiffrement est effectué par du matériel dédié plutôt que par un logiciel, le logiciel doit généralement toujours gérer les clés de chiffrement brutes.

Cela n'est généralement pas considéré comme un problème, car les clés ne sont pas présentes lors d'une attaque hors connexion, qui est le principal type d'attaque contre lequel le chiffrement de stockage est censé protéger. Toutefois, il est souhaitable de renforcer la protection contre d'autres types d'attaques, telles que les attaques par démarrage à froid et les attaques en ligne, où un pirate informatique peut être en mesure de provoquer une fuite de mémoire système sans compromettre complètement l'appareil.

Pour résoudre ce problème, Android 11 a introduit la prise en charge des clés encapsulées matériellement, lorsque la prise en charge matérielle est disponible. Les clés encapsulées matériellement sont des clés de stockage connues uniquement sous forme brute pour du matériel dédié, le logiciel ne voit et fonctionne que ces clés encapsulées (chiffré). Ce matériel doit être capable de générer et d'importer des clés de stockage, d'encapsuler des clés de stockage sous forme éphémère et à long terme, de dériver des sous-clés, de programmer directement une sous-clé dans un moteur de cryptographie intégré et de renvoyer une sous-clé distincte au logiciel.

Remarque : Un moteur de cryptographie en ligne (ou matériel de chiffrement en ligne) désigne un matériel qui chiffre/déchiffre les données lorsqu'elles sont en transit vers ou depuis l'appareil de stockage. Il s'agit généralement d'un contrôleur hôte UFS ou eMMC qui implémente les extensions de cryptographie définies par la spécification JEDEC correspondante.

Conception

Cette section présente la conception de la fonctionnalité de clés encapsulées matériellement, y compris l'assistance matérielle requise. Cet article porte sur le chiffrement basé sur les fichiers (FBE), s'applique aux métadonnées le chiffrement.

Une façon d'éviter d'avoir besoin des clés de chiffrement brutes dans la mémoire système consisterait à ne les conserve que dans les fentes d’un moteur de chiffrement intégré. Toutefois, rencontre quelques problèmes:

• Le nombre de clés de chiffrement peut dépasser le nombre de clés.
• Les moteurs de cryptographie intégrés ne peuvent être utilisés que pour chiffrer/déchiffrer des blocs de données entiers sur le disque. Toutefois, dans le cas de FBE, le logiciel doit toujours être capable effectuer d'autres tâches cryptographiques telles que le chiffrement des noms de fichiers et la dérivation des clés les identifiants. Le logiciel aurait toujours besoin d'accéder aux clés FBE brutes pour effectuer cette autre tâche.

Pour éviter ces problèmes, les clés de stockage sont plutôt clés encapsulées dans le matériel, qui ne peuvent être désencapsulées et utilisées que par du matériel dédié. Cela permet de prendre en charge un nombre illimité de clés. De plus, la hiérarchie des clés est modifiée et partiellement déplacée vers ce matériel, ce qui permet de renvoyer une sous-clé au logiciel pour les tâches qui ne peuvent pas utiliser un moteur de cryptographie intégré.

Remarque:Il est techniquement possible d'implémenter "clés encapsulées par le matériel" à l'aide d'un TEE (Trusted Execution environnement) s'exécutant sur le même processeur, au lieu d'utiliser des matériel. Toutefois, cette pratique n'est pas recommandée pour le moment, qu'elle offrirait suffisamment d'avantages en termes de sécurité pour justifier . En particulier, cela peut ne pas protéger contre les attaques de démarrage à froid.

Une implémentation dans le micrologiciel peut être acceptable, à condition que le matériel présent sur exécuté par le micrologiciel est suffisamment séparé du processeur principal.

Hiérarchie des clés

Les clés peuvent être dérivées d'autres clés à l'aide d'une fonction de dérivation de clé (KDF, Key Derivation Function) telle que HKDF, ce qui donne une hiérarchie de clés.

Le schéma suivant illustre une hiérarchie de clés typique pour FBE quand les clés encapsulées matériellement ne sont pas utilisées:

Image 1. Hiérarchie des clés FBE (standard)

La clé de classe FBE est la clé de chiffrement brute qu'Android transmet au système pour déverrouiller un ensemble particulier de répertoires chiffrés, le stockage chiffré par identifiants pour un utilisateur Android donné. (Dans le noyau, cette clé est appelée clé maître fscrypt.) À partir de cette clé, le noyau dérive les sous-clés suivantes :

• Identifiant de clé. Il ne s'agit pas d'un chiffrement, mais d'une valeur utilisée pour identifier la clé avec laquelle un fichier ou un répertoire particulier est protégé.
• Clé de chiffrement du contenu du fichier
• Clé de chiffrement des noms de fichiers

Remarque:La procédure ci-dessus suppose l'utilisation de l'un des protocoles de chiffrement paramètres optimisés pour une utilisation avec un moteur de chiffrement intégré (inlinecrypt_optimized ou emmc_optimized). Si l'une des valeurs suivantes ces paramètres ne sont pas utilisés, alors il y a beaucoup de contenus de fichiers et des noms de fichiers clés de chiffrement dérivées de la clé de classe FBE (une par fichier ou ), plutôt qu'un seul de chaque type.

En revanche, le schéma suivant illustre la hiérarchie des clés pour FBE quand sont utilisées:

Figure 2 : Hiérarchie des clés FBE (avec clé encapsulée matériellement)

Par rapport au cas précédent, un niveau supplémentaire a été ajouté à la hiérarchie des clés, et la clé de chiffrement du contenu du fichier a été déplacée. La racine représente toujours la clé qu'Android transmet à Linux pour déverrouiller des répertoires chiffrés. Cependant, cette clé est maintenant encapsulée de manière éphémère. Pour être utilisée, elle doit être transmise à du matériel dédié. Ce matériel doit implémenter deux interfaces utilisant une clé encapsulée de manière éphémère:

• Une interface pour dériver inline_encryption_key et la programmer directement dans un emplacement de clé du moteur de cryptographie intégré. Cela permet de chiffrer/déchiffrer le contenu des fichiers sans que le logiciel n'ait accès à la clé brute. Dans les noyaux communs Android, cette interface correspond à l'opération blk_crypto_ll_ops::keyslot_program, qui doit être implémentée par le pilote de stockage.
• Une interface pour obtenir et renvoyer sw_secret ("logiciel secret également appelé "secret brut", à certains endroits), qui est la clé Linux utilise pour dériver les sous-clés pour tout autre chose que le contenu des fichiers le chiffrement. Dans les noyaux communs Android, cette interface correspond à l'opération blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret, qui doit être implémentée par le pilote de stockage.

Pour obtenir inline_encryption_key et sw_secret à partir de la clé de stockage brute, le matériel doit utiliser un KDF sécurisé de manière cryptographique. Ce KDF doit respecter les bonnes pratiques de cryptographie. Il doit avoir une sécurité d'au moins 256 bits, ce qui est suffisant pour tout algorithme utilisé ultérieurement. Il doit également utiliser une chaîne distincte d'étiquette, de contexte et d'informations spécifiques à l'application lorsque dériver chaque type de sous-clé afin de garantir que les sous-clés qui en résultent sont isolés de manière cryptographique, c'est-à-dire que la connaissance de l'un d'entre eux ne révèle aucune autre. Aucun étirement de clé n'est requis, car la clé de stockage brute est déjà de manière uniformément aléatoire.

Techniquement, n'importe quel KDF répondant aux exigences de sécurité peut être utilisé. Toutefois, à des fins de test, il est nécessaire de réimplémenter le même fichier KDF dans code de test. Actuellement, un KDF a été examiné et mis en œuvre. il peut être trouvé dans le code source de vts_kernel_encryption_test. Il est recommandé d'utiliser ce KDF pour le matériel. Celui-ci utilise le document NIST SP 800-108 "KDF in Counter Mode" (KDF en mode compteur) avec l'encodage AES-256-CMAC en tant que PRF. Notez que pour être compatibles, toutes les parties de l'algorithme doivent être identiques, y compris le choix des contextes KDF et des libellés pour chaque sous-clé.

Encapsulation de clé

Pour atteindre les objectifs de sécurité des clés encapsulées matériellement, deux types d'encapsulation de clés sont définis :

• Encapsulation éphémère : le matériel chiffre la clé brute à l'aide d'une clé générée de manière aléatoire à chaque démarrage et qui n'est pas directement exposée en dehors du matériel.
• Encapsulation à long terme : le matériel chiffre la clé brute à l'aide d'une clé unique et persistante intégrée au matériel, qui n'est pas directement exposée en dehors du matériel.

Toutes les clés transmises au noyau Linux pour déverrouiller le stockage sont encapsulées de manière éphémère. Cela garantit que si un pirate informatique parvient à extraire une clé en cours d'utilisation de la mémoire système, cette clé est inutilisable non seulement hors de l'appareil, mais aussi sur l'appareil après un redémarrage.

Dans le même temps, Android doit toujours pouvoir stocker une version chiffrée des clés sur le disque afin qu'elles puissent être déverrouillées en premier lieu. Les données brutes clés fonctionneraient à cet effet. Toutefois, il est souhaitable que les clés brutes ne soient jamais présentes dans la mémoire système afin qu'elles ne puissent jamais être extraites pour être utilisées en dehors de l'appareil, même si elles sont extraites au démarrage. C'est pourquoi le concept d'encapsulation à long terme est défini.

Remarque : Toutes les clés de chiffrement de stockage qu'Android stocke sur disque sont protégées par une couche distincte de chiffrement de clé qui associe la possibilité de déverrouiller la clé à l'état de démarrage validé de l'appareil, ainsi qu'au facteur de connaissance de l'écran de verrouillage de l'utilisateur (par exemple, le code PIN), le cas échéant. Cette couche de chiffrement de clé est indépendante du chiffrement de clé à long terme décrit ci-dessus. Par conséquent, lorsque des clés encapsulées dans le matériel sont utilisées, les clés qu'Android stocke sur le disque est encapsulé deux fois: une fois avec la clé à long terme du matériel l'encapsulation, puis l'encapsulation de clé standard d'Android.

Pour prendre en charge la gestion des clés encapsulées de ces deux manières différentes, le matériel doit implémenter les interfaces suivantes:

• Interfaces permettant de générer et d'importer des clés de stockage, en les renvoyant encapsulée à long terme. Ces interfaces sont accessibles indirectement via KeyMint et correspondent à la balise KeyMint TAG_STORAGE_KEY. La commande "generate" vold utilise cette fonctionnalité pour générer un nouvel espace de stockage pour Android, tandis que la commande "import" la fonctionnalité est utilisée par vts_kernel_encryption_test pour importer des clés de test.
• Interface permettant de convertir une clé de stockage encapsulée à long terme en clé de stockage encapsulée de manière éphémère. Cela correspond à la méthode KeyMint convertStorageKeyToEphemeral. Cette méthode est utilisée par vold et vts_kernel_encryption_test dans l'ordre pour déverrouiller l'espace de stockage.

L'algorithme d'encapsulation de clé est un détail d'implémentation, mais il doit utiliser un AEAD fort comme AES-256-GCM avec des vecteurs d'initialisation aléatoires.

Modifications logicielles requises

AOSP dispose déjà d'un framework de base pour la prise en charge des clés encapsulées dans le matériel. Cela inclut la prise en charge dans les composants d'espace utilisateur tels que vold, ainsi que la prise en charge du noyau Linux dans blk-crypto, fscrypt et dm-default-key.

Toutefois, certaines modifications spécifiques à l'implémentation sont requises.

Modifications apportées à KeyMint

L'implémentation KeyMint de l'appareil doit être modifiée afin de prendre en charge TAG_STORAGE_KEY et implémenter la convertStorageKeyToEphemeral.

Dans Keymaster, exportKey a été utilisé au lieu de convertStorageKeyToEphemeral

Modifications du noyau Linux

Le pilote du noyau Linux pour le moteur de chiffrement intégré de l'appareil doit être modifié pour prendre en charge les clés encapsulées dans le matériel.

Pour les noyaux android14 et versions ultérieures, définissez BLK_CRYPTO_KEY_TYPE_HW_WRAPPED dans blk_crypto_profile::key_types_supported, faites en sorte que blk_crypto_ll_ops::keyslot_program et blk_crypto_ll_ops::keyslot_evict acceptent la programmation/l'éviction des clés encapsulées matériellement, et implémentez blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret.

Pour les noyaux android12 et android13, définissez BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS dans blk_keyslot_manager::features, faites en sorte que blk_ksm_ll_ops::keyslot_program et blk_ksm_ll_ops::keyslot_evict prennent en charge la programmation/l'éviction des clés encapsulées matériellement, et implémentez blk_ksm_ll_ops::derive_raw_secret.

Pour les noyaux android11, définissez BLK_CRYPTO_FEATURE_WRAPPED_KEYS dans keyslot_manager::features, faites en sorte que keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_program et keyslot_mgmt_ll_ops::keyslot_evict prennent en charge la programmation/l'éviction des clés encapsulées matériellement, et implémentez keyslot_mgmt_ll_ops::derive_raw_secret.

Tests

Bien que le chiffrement à l'aide de clés encapsulées dans le matériel soit plus difficile à tester que le chiffrement avec des clés standards, il est toujours possible d'effectuer un test en important une clé de test la dérivation des clés effectuée par le matériel. Elle est implémentée dans vts_kernel_encryption_test. Pour exécuter ce test, exécutez la commande suivante :

atest -v vts_kernel_encryption_test

Lisez le journal de test et vérifiez que les cas de test de clé encapsulée matériellement (par exemple, FBEPolicyTest.TestAesInlineCryptOptimizedHwWrappedKeyPolicy et DmDefaultKeyTest.TestHwWrappedKey) n'ont pas été ignorés en raison de la non-détection de la prise en charge des clés encapsulées matériellement, car les résultats des tests sont toujours "passés" dans ce cas.

Remarque : Pour que ces cas de test soient acceptés, la dérivation de clé effectuée par le matériel doit correspondre exactement à celle attendue par le test. De plus, l'utilisation d'AES-256-XTS par le moteur de cryptographie intégré doit être correcte. Autrement dit, chaque bloc de données chiffrées sur le disque doit être chiffré à l'aide de la clé et de l'IV (vecteur d'initialisation) attendus, y compris en utilisant l'endianité correcte pour la clé et l'IV, ainsi que la valeur d'incrément de l'IV correcte d'un bloc à l'autre.

Si le matériel utilise un KDF différent (non recommandé), il est nécessaire de modifier le test pour qu'il prenne en charge ce KDF.

Activer les touches

Une fois que la prise en charge des clés encapsulées matériellement de l'appareil fonctionne correctement, vous pouvez apporter les modifications suivantes au fichier fstab de l'appareil pour qu'Android l'utilise pour le chiffrement FBE et des métadonnées :

• FBE: ajoutez l'indicateur wrappedkey_v0 au Paramètre fileencryption. Par exemple, utilisez fileencryption=::inlinecrypt_optimized+wrappedkey_v0. Pour pour en savoir plus, consultez les documentation.
• Chiffrement des métadonnées: ajoutez l'option wrappedkey_v0 au Paramètre metadata_encryption. Par exemple, utilisez metadata_encryption=:wrappedkey_v0. Pour en savoir plus, consultez les métadonnées sur le chiffrement.

Remarque:Les clés encapsulées matériellement ne peuvent être utilisées que sur des appareils et non sur un espace de stockage adoptable.