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. Bahkan ketika enkripsi dilakukan perangkat keras khusus daripada perangkat lunak, perangkat lunak 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 menyediakan peningkatan perlindungan terhadap jenis serangan lainnya, seperti cold boot serangan online, dan serangan online yang memungkinkan penyerang membocorkan tanpa memengaruhi perangkat secara penuh.

Untuk mengatasi masalah ini, Android 11 memperkenalkan dukungan untuk kunci yang digabungkan dengan hardware, jika dukungan hardware tersedia. Kunci yang digabungkan dengan hardware adalah kunci penyimpanan yang hanya diketahui dalam bentuk mentah untuk hardware khusus; software hanya melihat dan menggunakan kunci ini dalam bentuk 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: Mesin kripto inline (atau inline inline hardware enkripsi) mengacu pada hardware yang mengenkripsi/mendekripsi data sambil 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 mentah di memori sistem adalah dengan menyimpan kunci tersebut hanya di slot kunci mesin kripto inline. 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. Perangkat lunak masih membutuhkan 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. Selain itu, hierarki kunci diubah dan sebagian dipindahkan ke hardware ini, yang memungkinkan subkunci ditampilkan ke software untuk 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, hal ini mungkin 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 berasal dari kunci lain menggunakan KDF (fungsi turunan kunci) seperti HKDF, sehingga menghasilkan hierarki kunci.

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

Gambar 1. Hierarki kunci FBE (standar)

Kunci class FBE adalah kunci enkripsi mentah yang diteruskan Android ke kernel Linux untuk membuka kunci kumpulan direktori terenkripsi tertentu, seperti penyimpanan terenkripsi 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 enkripsi setelan yang dioptimalkan untuk digunakan dengan mesin kripto inline (inlinecrypt_optimized atau emmc_optimized). Jika salah satu dari pengaturan ini tidak digunakan, maka ada banyak isi file dan nama {i>file<i} kunci enkripsi yang berasal dari kunci kelas FBE (satu per file atau direktori), bukan hanya satu saja.

Sebaliknya, diagram berikut menggambarkan hierarki kunci untuk FBE saat kunci yang digabungkan dengan hardware digunakan:

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 tersebut dalam bentuk yang digabungkan secara singkat, dan agar dapat digunakan, kunci tersebut harus diteruskan ke hardware khusus. Perangkat keras ini harus menerapkan dua antarmuka yang mengambil kunci yang digabungkan secara efemeral:

• Satu antarmuka untuk mendapatkan inline_encryption_key dan secara langsung memprogramnya ke dalam slot kunci dari mesin kripto {i>inline<i}. Hal ini memungkinkan konten file dienkripsi/didekripsi tanpa software yang memiliki akses ke kunci mentah. 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 ("rahasia software" -- juga disebut "rahasia mentah" di beberapa tempat), yang merupakan kunci yang digunakan Linux untuk mendapatkan subkunci untuk semua hal selain enkripsi konten file. Dalam {i>kernel<i} umum Android, antarmuka ini berhubungan dengan blk_crypto_ll_ops::derive_sw_secret, yang harus yang diterapkan oleh {i>driver<i} penyimpanan.

Untuk mendapatkan inline_encryption_key dan sw_secret dari kunci penyimpanan mentah, perangkat keras itu 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. Pelebaran kunci tidak diperlukan, karena kunci penyimpanan mentah sudah menggunakan kunci acak yang sama.

Secara teknis, KDF apa pun yang memenuhi persyaratan keamanan dapat digunakan. Namun, untuk tujuan pengujian, Anda harus menerapkan kembali KDF yang sama dalam kode pengujian. Saat ini, satu KDF telah ditinjau dan diimplementasikan; lokasi 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 kunci

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. Data mentah {i>key<i} 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}. Karena alasan ini, konsep {i>long-term wrapping <i}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 penggabungan kunci ini tidak bergantung pada penggabungan kunci jangka panjang yang dibahas di atas. Karena itu, saat kunci yang digabungkan dengan hardware sedang digunakan, kunci yang disimpan Android pada {i>disk<i} dibungkus dua kali: sekali dengan kunci jangka panjang {i>wrapping<i}, dan sekali lagi dengan pembungkusan tombol 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 menampilkannya dalam bentuk gabungan 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 gabungan sementara. Hal ini sesuai dengan Metode KeyMint convertStorageKeyToEphemeral. Metode ini digunakan oleh vold dan vts_kernel_encryption_test secara berurutan untuk membuka 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. Hal ini mencakup dukungan dalam komponen ruang pengguna seperti vold, serta dukungan kernel Linux di blk-crypto, fscrypt, dan dm-default-key.

Namun, beberapa perubahan khusus penerapan diperlukan.

Perubahan KeyMint

Implementasi KeyMint perangkat harus dimodifikasi untuk mendukung TAG_STORAGE_KEY dan terapkan metode Metode convertStorageKeyToEphemeral.

Di Keymaster, exportKey digunakan sebagai pengganti convertStorageKeyToEphemeral.

Perubahan kernel Linux

Driver kernel Linux untuk mesin kripto inline perangkat harus diubah 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 diuji daripada enkripsi dengan kunci standar, enkripsi ini masih dapat diuji dengan mengimpor kunci pengujian dan menerapkan kembali derivasi kunci yang dilakukan hardware. Hal ini diterapkan di vts_kernel_encryption_test. Untuk menjalankan pengujian ini, jalankan:

atest -v vts_kernel_encryption_test

Membaca log pengujian dan memverifikasi bahwa kasus pengujian utama 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 hardware menggunakan KDF yang berbeda (tidak direkomendasikan), Anda harus mengubah pengujian untuk mendukung KDF tersebut.

Aktifkan tombol

Setelah dukungan kunci yang digabungkan perangkat keras pada perangkat bekerja dengan benar, Anda dapat buat perubahan berikut pada file fstab perangkat untuk membuat Android menggunakannya untuk FBE dan enkripsi metadata:

• FBE: tambahkan flag wrappedkey_v0 ke Parameter fileencryption. Misalnya, gunakan fileencryption=::inlinecrypt_optimized+wrappedkey_v0. Sebagai detail selengkapnya, lihat FBE dokumentasi tambahan.
• Enkripsi metadata: tambahkan tanda 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 pada perangkat internal penyimpanan, bukan pada penyimpanan yang dapat diadopsi.