การเข้ารหัสข้อมูลเมตา

Android 7.0 ขึ้นไปรองรับ การเข้ารหัสตามไฟล์ (FBE) FBE ทำให้ไฟล์ต่างๆ เข้ารหัสได้ด้วยคีย์ต่างๆ ที่ปลดล็อกได้ ได้อย่างอิสระ คีย์เหล่านี้ใช้ในการเข้ารหัสทั้งเนื้อหาและชื่อไฟล์ เมื่อใช้ FBE ข้อมูลอื่นๆ เช่น เลย์เอาต์ไดเรกทอรี ขนาดไฟล์ สิทธิ์ และเวลาในการสร้าง/แก้ไขจะไม่มีการเข้ารหัส รวมกัน ข้อมูลนี้เรียกว่าข้อมูลเมตาของระบบไฟล์

Android 9 เพิ่มการรองรับการเข้ารหัสข้อมูลเมตา เมื่อใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตา จะมีคีย์เดียวปรากฏขึ้นในเวลาบูตจะเข้ารหัส เนื้อหาไม่ได้รับการเข้ารหัสโดย FBE คีย์นี้ได้รับการปกป้องโดย Keymaster ซึ่งจะ เปิดการป้องกันโดยการเปิดเครื่องที่ได้รับการยืนยัน

การเข้ารหัสข้อมูลเมตาจะเปิดใช้เสมอในพื้นที่เก็บข้อมูลที่สามารถนำมาใช้ได้เมื่อใดก็ตามที่เปิดใช้ FBE นอกจากนี้ยังเปิดใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตาบนที่จัดเก็บข้อมูลภายในได้ด้วย เปิดตัวอุปกรณ์แล้ว สำหรับ Android 11 ขึ้นไปต้องมีการเข้ารหัสข้อมูลเมตา เปิดที่จัดเก็บข้อมูลภายในไว้

การใช้งานกับที่จัดเก็บข้อมูลภายใน

คุณสามารถตั้งค่าการเข้ารหัสข้อมูลเมตาในที่จัดเก็บข้อมูลภายในของอุปกรณ์ใหม่ได้โดยดำเนินการดังนี้ ตั้งค่าระบบไฟล์ metadata เปลี่ยนลำดับ init และ เปิดใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตาในไฟล์ fstab ของอุปกรณ์

สิ่งที่ต้องมีก่อน

ตั้งค่าการเข้ารหัสข้อมูลเมตาได้ก็ต่อเมื่อพาร์ติชันข้อมูลสร้างขึ้นเป็นครั้งแรก ฟอร์แมตแล้ว ด้วยเหตุนี้ ฟีเจอร์นี้จึงมีไว้สำหรับอุปกรณ์ใหม่เท่านั้น ไม่ใช่ สิ่งที่ OTA ควรเปลี่ยน

การเข้ารหัสข้อมูลเมตากำหนดให้โมดูล dm-default-key ต้องเป็น เปิดใช้ในเคอร์เนลแล้ว ใน Android 11 ขึ้นไป dm-default-key ได้รับการสนับสนุนโดยเคอร์เนลทั่วไปของ Android เวอร์ชัน 4.14 ขึ้นไป dm-default-key เวอร์ชันนี้ใช้ฮาร์ดแวร์และ เฟรมเวิร์กการเข้ารหัสแบบอิสระจากผู้ให้บริการซึ่งเรียกว่า blk-crypto

หากต้องการเปิดใช้ dm-default-key ให้ใช้ 

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION=y
CONFIG_FS_ENCRYPTION_INLINE_CRYPT=y
CONFIG_DM_DEFAULT_KEY=y

dm-default-key ใช้ฮาร์ดแวร์การเข้ารหัสแบบอินไลน์ (ฮาร์ดแวร์ที่ เข้ารหัส/ถอดรหัสข้อมูลระหว่างทางไปยัง/จากอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล) เมื่อ พร้อมใช้งาน หากคุณไม่จะใช้ฮาร์ดแวร์การเข้ารหัสแบบอินไลน์ ที่จำเป็นต่อการเปิดใช้งานทางเลือกสำหรับ API การเข้ารหัสของเคอร์เนลด้วย 

CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y

เมื่อไม่ได้ใช้ฮาร์ดแวร์การเข้ารหัสแบบอินไลน์ คุณควรเปิดใช้ความพร้อมใช้งาน การเร่งความเร็วตาม CPU ตามที่แนะนำในเอกสารประกอบเกี่ยวกับ FBE

ใน Android 10 และต่ำกว่า dm-default-key ไม่ได้รับการสนับสนุนโดยเคอร์เนลทั่วไปของ Android ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับผู้ให้บริการ เพื่อติดตั้งใช้งาน dm-default-key

ตั้งค่าระบบไฟล์ข้อมูลเมตา

เนื่องจากไม่มีสิ่งใดในพาร์ติชันข้อมูลผู้ใช้ที่อ่านได้จนกว่าข้อมูลเมตา มีคีย์การเข้ารหัส ตารางพาร์ติชันต้องแยก ที่เรียกว่า "พาร์ติชันข้อมูลเมตา" สำหรับจัดเก็บ BLOB ของคีย์มาสเตอร์ที่ ปกป้องกุญแจนี้ พาร์ติชันข้อมูลเมตาควรมีขนาด 16 MB

fstab.hardware ต้องมีรายการสำหรับระบบไฟล์ข้อมูลเมตา ที่อยู่บนพาร์ติชันนั้นให้ต่อเชื่อมที่ /metadata ซึ่งรวมถึง แฟล็ก formattable เพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดรูปแบบเมื่อเปิดเครื่อง ระบบไฟล์ f2fs ไม่ทำงานบนพาร์ติชันขนาดเล็ก เราขอแนะนำให้ใช้ ext4 แทน เช่น 

/dev/block/bootdevice/by-name/metadata              /metadata          ext4        noatime,nosuid,nodev,discard                          wait,check,formattable

เพิ่มบรรทัดต่อไปนี้เพื่อให้แน่ใจว่ามีจุดต่อเชื่อม /metadata อยู่ ถึง BoardConfig-common.mk: 

BOARD_USES_METADATA_PARTITION := true

การเปลี่ยนแปลงลำดับ init

เมื่อใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตา ต้องทำงาน vold ก่อน ต่อเชื่อม /data แล้ว เพื่อให้มั่นใจว่าคุณจะเริ่มต้นเร็วพอ ให้เพิ่ม ข้อความต่อไปนี้ถึง init.hardware.rc: 

# We need vold early for metadata encryption
on early-fs
    start vold

Keymaster ต้องทำงานอยู่และพร้อมใช้งานก่อนที่ Init จะพยายามต่อเชื่อม /data

init.hardware.rc ควรมี mount_all อยู่แล้ว คำสั่งที่ต่อเชื่อม /data ในข้อความ on late-fs ก่อนบรรทัดนี้ ให้เพิ่มคำสั่งเพื่อดำเนินการคำสั่ง บริการ wait_for_keymaster: 

on late-fs
   … 
    # Wait for keymaster
    exec_start wait_for_keymaster

    # Mount RW partitions which need run fsck
    mount_all /vendor/etc/fstab.${ro.boot.hardware.platform} --late

การเปิดการเข้ารหัสข้อมูลเมตา

สุดท้ายให้เพิ่ม keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption ลงใน คอลัมน์ fs_mgr_flags ของรายการ fstab สำหรับ userdata ตัวอย่างเช่น บรรทัด fstab แบบเต็มอาจมีลักษณะดังนี้ 

/dev/block/bootdevice/by-name/userdata              /data              f2fs        noatime,nosuid,nodev,discard,inlinecrypt latemount,wait,check,fileencryption=aes-256-xts:aes-256-cts:inlinecrypt_optimized,keydirectory=/metadata/vold/metadata_encryption,quota,formattable

โดยค่าเริ่มต้น อัลกอริทึมการเข้ารหัสข้อมูลเมตาบนที่จัดเก็บข้อมูลภายในคือ AES-256-XTS ซึ่งสามารถลบล้างได้โดยการตั้งค่า ตัวเลือก metadata_encryption และในส่วน คอลัมน์ fs_mgr_flags

  • ในอุปกรณ์ที่ไม่มีการเร่งความเร็ว AES ระบบอาจการเข้ารหัส Adiantum เปิดใช้โดยการตั้งค่า metadata_encryption=adiantum
  • ในอุปกรณ์ที่รองรับคีย์ที่ห่อด้วยฮาร์ดแวร์ คีย์การเข้ารหัสข้อมูลเมตาสามารถทำให้เป็นแบบห่อฮาร์ดแวร์ได้ด้วยการตั้งค่า metadata_encryption=aes-256-xts:wrappedkey_v0 (หรือ เทียบเท่ากับ metadata_encryption=:wrappedkey_v0 โดย aes-256-xts คืออัลกอริทึมเริ่มต้น)

เนื่องจากอินเทอร์เฟซเคอร์เนลใน dm-default-key มีการเปลี่ยนแปลงใน Android 11 คุณต้องตรวจสอบว่าได้ตั้งค่า ค่าที่ถูกต้องสำหรับ PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL ใน device.mk เช่น ถ้าอุปกรณ์เปิดด้วย Android 11 (API ระดับ 30) device.mk ควร ประกอบด้วย: 

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

นอกจากนี้ คุณยังสามารถตั้งค่าพร็อพเพอร์ตี้ของระบบต่อไปนี้เพื่อบังคับใช้ dm-default-key API โดยไม่คำนึงถึงระดับ API การจัดส่ง 

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.crypto.dm_default_key.options_format.version=2

การตรวจสอบความถูกต้อง

หากต้องการยืนยันว่าเปิดใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตาแล้วและทำงานได้อย่างถูกต้อง ให้เรียกใช้ การทดสอบที่อธิบายไว้ด้านล่าง และควรคำนึงถึง ปัญหาที่อธิบายไว้ด้านล่าง

การทดสอบ

เริ่มต้นด้วยการเรียกใช้คำสั่งต่อไปนี้เพื่อยืนยันว่าการเข้ารหัสข้อมูลเมตา เปิดใช้งานบนที่จัดเก็บข้อมูลภายในแล้ว: 

adb root
adb shell dmctl table userdata

ผลลัพธ์ควรมีลักษณะดังนี้

Targets in the device-mapper table for userdata:
0-4194304: default-key, aes-xts-plain64 - 0 252:2 0 3 allow_discards sector_size:4096 iv_large_sectors

หากคุณลบล้างการตั้งค่าการเข้ารหัสเริ่มต้นโดยการตั้งค่า ตัวเลือก metadata_encryption ในfstabของอุปกรณ์ จากนั้น ผลลัพธ์จะแตกต่างจากข้างต้นเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น หากคุณเปิดใช้การเข้ารหัส Adiantum วิธีที่ 3 จะเป็น xchacha12,aes-adiantum-plain64 แทนที่จะเป็น aes-xts-plain64

จากนั้นเรียกใช้ vts_kernel_encryption_test เพื่อยืนยันความถูกต้องของการเข้ารหัสข้อมูลเมตาและ FBE ให้ทำดังนี้ 

atest vts_kernel_encryption_test

หรือ

vts-tradefed run vts -m vts_kernel_encryption_test

ปัญหาทั่วไป

ระหว่างการเรียกใช้ mount_all ซึ่งจะต่อเชื่อมข้อมูลเมตาที่เข้ารหัส พาร์ติชัน /data init เรียกใช้เครื่องมือ vdc VDC เครื่องมือเชื่อมต่อกับ vold ผ่าน binder เพื่อตั้งค่า อุปกรณ์ที่เข้ารหัสข้อมูลเมตาแล้วต่อเชื่อมพาร์ติชัน ในช่วงระยะเวลานี้ การโทร init ถูกบล็อก และพยายามอ่านหรือตั้งค่า พร็อพเพอร์ตี้ init รายการจะบล็อกจนกว่าจะเสร็จสิ้น mount_all รายการ หากในขั้นตอนนี้ ส่วนหนึ่งในผลงานของ vold เป็นงานโดยตรง หรือ การติดตายจะนำไปสู่การติดตายที่ถูกบล็อกโดยอ้อมในการอ่านหรือการตั้งค่าพร็อพเพอร์ตี้ ใช่เลย เพื่อให้มั่นใจว่า vold จะอ่านค่า การโต้ตอบกับ Keymaster และการต่อเชื่อมไดเรกทอรีข้อมูลโดยไม่มี โต้ตอบกับ init ได้มากขึ้น

หาก Keymaster ยังไม่เริ่มต้นโดยสมบูรณ์เมื่อ mount_all ทำงาน จะไม่เริ่มต้น ตอบสนองต่อ vold จนกว่าจะอ่านพร็อพเพอร์ตี้บางอย่างจาก init ซึ่งส่งผลให้มีการติดตายตามที่อธิบายไว้ การวาง exec_start wait_for_keymaster สูงกว่าความเกี่ยวข้อง การเรียกใช้ mount_all ตามที่กำหนดไว้ช่วยให้ Keymaster สมบูรณ์ ทำงานล่วงหน้าและเพื่อหลีกเลี่ยงการติดตายนี้

การกําหนดค่าพื้นที่เก็บข้อมูลแบบนํามาใช้ได้

ตั้งแต่ Android 9 การเข้ารหัสข้อมูลเมตารูปแบบหนึ่งคือ เปิดใช้เสมอในพื้นที่เก็บข้อมูลที่ปรับได้ เมื่อใดก็ตามที่เปิดใช้ FBE แม้ว่าจะไม่ได้เปิดใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตา ที่จัดเก็บข้อมูลภายใน

ใน AOSP มีการใช้การเข้ารหัสข้อมูลเมตา 2 แบบกับ พื้นที่เก็บข้อมูล: แบบที่เลิกใช้งานแล้วโดยอิงตาม dm-crypt และอีกพื้นที่เก็บข้อมูลที่ใหม่กว่าอิงตาม ในวันที่ dm-default-key เพื่อให้มั่นใจว่าการติดตั้งใช้งานถูกต้อง สำหรับอุปกรณ์ของคุณ ให้ตรวจสอบว่าคุณได้กำหนดค่าที่ถูกต้องสำหรับ PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL ใน device.mk ตัวอย่างเช่น หากอุปกรณ์เปิดตัวด้วย Android 11 (API ระดับ 30) device.mk ควรมี 

PRODUCT_SHIPPING_API_LEVEL := 30

นอกจากนี้ คุณยังสามารถตั้งค่าพร็อพเพอร์ตี้ของระบบต่อไปนี้เพื่อบังคับใช้ วิธีการเข้ารหัสข้อมูลเมตาของวอลุ่ม (และนโยบาย FBE เวอร์ชันเริ่มต้นใหม่) โดยไม่คำนึงถึงระดับ API การจัดส่ง 

PRODUCT_PROPERTY_OVERRIDES += \
    ro.crypto.volume.metadata.method=dm-default-key \
    ro.crypto.dm_default_key.options_format.version=2 \
    ro.crypto.volume.options=::v2

วิธีการปัจจุบัน

สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ Android 11 ขึ้นไป การเข้ารหัสข้อมูลเมตาในพื้นที่เก็บข้อมูลแบบหน่วยความจำจะใช้ dm-default-key โมดูลเคอร์เนล เช่นเดียวกับในที่จัดเก็บข้อมูลภายใน โปรดดูข้อกำหนดเบื้องต้นด้านบนสำหรับการกำหนดค่าเคอร์เนล ตัวเลือกเปิดใช้งาน โปรดทราบว่าฮาร์ดแวร์การเข้ารหัสแบบอินไลน์ซึ่งทำงานบน ที่จัดเก็บข้อมูลภายในของอุปกรณ์อาจไม่มีอยู่ในพื้นที่เก็บข้อมูลแบบนํามาใช้ได้ จึงทำให้ อาจต้องใช้ CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK=y

โดยค่าเริ่มต้น วิธีการเข้ารหัสข้อมูลเมตาของวอลุ่ม dm-default-key ใช้อัลกอริทึมการเข้ารหัส AES-256-XTS กับภาคคริปโตขนาด 4096 ไบต์ สามารถลบล้างอัลกอริทึมได้โดยการตั้งค่า พร็อพเพอร์ตี้ของระบบ ro.crypto.volume.metadata.encryption รายการ ช่วงเวลานี้ ค่าของพร็อพเพอร์ตี้มีไวยากรณ์เดียวกันกับ metadata_encryption ตัวเลือก fstab ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น เช่น ในอุปกรณ์ที่ไม่มี AES การเร่งความเร็ว การเข้ารหัส Adiantum สามารถเปิดใช้ได้โดยการตั้งค่า ro.crypto.volume.metadata.encryption=adiantum

วิธีเดิม

ข้อมูลเมตาสำหรับอุปกรณ์ที่เปิดตัวด้วย Android 10 หรือต่ำกว่า การเข้ารหัสในพื้นที่เก็บข้อมูลแบบนํามาใช้ได้จะใช้โมดูลเคอร์เนล dm-crypt แทนที่จะเป็น dm-default-key: 

CONFIG_DM_CRYPT=y

ซึ่งต่างจากเมธอด dm-default-key แต่เมธอด dm-crypt ทำให้เนื้อหาไฟล์ได้รับการเข้ารหัส 2 ครั้ง คือ ครั้งแรกด้วยคีย์ FBE และอีกครั้งใช้กับ คีย์การเข้ารหัสข้อมูลเมตา การเข้ารหัสแบบคู่นี้จะลดประสิทธิภาพและ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านความปลอดภัยของการเข้ารหัสข้อมูลเมตา เนื่องจาก Android เพื่อให้มั่นใจว่าคีย์ FBE มีความเสี่ยงที่ต่ำเทียบเท่ากับข้อมูลเมตาเป็นอย่างน้อย คีย์การเข้ารหัส ผู้ให้บริการสามารถปรับแต่งเคอร์เนลเพื่อหลีกเลี่ยง โดยเฉพาะอย่างยิ่งด้วยการใช้ ตัวเลือก allow_encrypt_override ที่ Android จะส่งไปถึง dm-crypt เมื่อพร็อพเพอร์ตี้ระบบ ตั้งค่า ro.crypto.allow_encrypt_override เป็น true เคอร์เนลทั่วไปของ Android ไม่รองรับการปรับแต่งเหล่านี้

โดยค่าเริ่มต้น วิธีการเข้ารหัสข้อมูลเมตาของวอลุ่ม dm-crypt จะใช้ อัลกอริทึมการเข้ารหัส AES-128-CBC พร้อม ESSIV และภาคคริปโตขนาด 512 ไบต์ ช่วงเวลานี้ สามารถลบล้างได้โดยการตั้งค่าพร็อพเพอร์ตี้ของระบบต่อไปนี้ (ซึ่งรวมถึง ที่ใช้สำหรับ FDE)

  • ro.crypto.fde_algorithm เลือกการเข้ารหัสข้อมูลเมตา อัลกอริทึม ตัวเลือกที่มีคือ aes-128-cbc และ adiantum ใช้ Adiantum ได้เฉพาะในกรณีที่ อุปกรณ์ไม่มีความเร่ง AES
  • ro.crypto.fde_sector_size เลือกขนาดกลุ่มคริปโต ตัวเลือกได้แก่ 512, 1024, 2048 และ 4096 สำหรับการเข้ารหัส Adiantum ให้ใช้ 4096