linux的全盤加密與文件系統加密在android中的應用

1、本文檔簡述

1.1、定義:

Full-disk encryption (FDE) 全盤加密android4.0引入

File-based encryption (FBE) 文件級加密 android7.0引入

1.2、學習目標:

1、熟悉android加密流程，掛載。

2、格式化加密userdata的部分數據。

3、假如user版本設備剛進入system就死機/重啓，無法dump關鍵數據和信息進行分析。是否能夠dump userdata分區並解密掛載分析。如果不能，爲什麼？（待深入研究）

 

2、預備知識

2.1、加密技術

https://www.cnblogs.com/redcoatjk/p/3822585.html按作用不同，文件加密和數字簽名技術主要分爲數據傳輸、數據存儲、數據完整性的鑑別以及密鑰管理技術4種。

1、數據傳輸加密技術是對傳輸中的數據流加密，常用的方法有線路加密和端對端加密兩種。

2、數據存儲加密技術目的是防止在存儲環節上的數據失密，可分爲密文存儲和存取控制兩種。

3、數據完整性鑑別技術是對介入信息的傳送、存取、處理的人的身份和相關數據內容進行驗證，達到保密的要求。

4、密鑰管理技術是數據的加密技術通常是運用密鑰對數據進行加密，這就涉及到了密鑰的管理問題。

2.2、典型加密算法

2.2.1、基於“消息摘要”的主要算法

MD5、sha.1，主要特點密文固定長度、稍有改變密文完全不同、無法數據還原。所以用於驗證數據的完整性。android中的使用例子OTA包傳輸使用的MD5，OTA差分升級使用的SHA256，DM-verity使用的HASH算法。

MD5算法原理https://blog.csdn.net/sinat_27933301/article/details/79538169

2.2.2、“對稱/非對稱密鑰”加密算法

對稱算法：DES算法，RC算法，AES算法，主要特點加密可逆，加密解密使用相同密鑰。全盤加密，文件級加密使用的一般是AES算法。

非對稱算法：RSA算法，主要特點是加密解密使用不同密鑰。

公鑰加密，私鑰解密（加密傳輸）；私鑰簽名，公鑰驗籤（確認發送方，也可驗證完整性，可以用於OTA包簽名，secure boot，Verify boot，應用簽名）。

https://www.jianshu.com/p/3331467d139f

簽名、加密、證書的基本原理和理解

https://www.cnblogs.com/Caersi/p/6720789.html

AES算法原理https://blog.csdn.net/gulang03/article/details/81175854

RSA算法原理https://blog.csdn.net/u014044812/article/details/80866759

2.3、Linux加密工具

2.3.1對稱算法

全盤加密

全盤加密工具使用https://blog.csdn.net/zhongbeida_xue/article/details/78550712#t18

示例

fallocate -l 64G /root/luks.vol   //創建大文件

cryptsetup --cipher aes-xts-plain64 --key-size 512 --hash sha512 --iter-time 10000 luksFormat /root/luks.vol //加密

cryptsetup luksOpen /root/luks.vol xxx //創建解密映射連接

ls /dev/mapper/

mkfs.ext4 /dev/mapper/xxx //給該塊/文件創建文件系統

mkdir /mnt/xxx

mount /dev/mapper/xxx /mnt/xxx //掛載文件系統

df -hT

修改文件

umount /mnt/xxx //卸載

cryptsetup close xxx //關閉映射連接

 

文件系統加密

原理https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/fscrypt.html

文件級加密工具使用https://blog.csdn.net/zm_jack/article/details/78894980

示例3-2、dump dm-0後，使用該文件塊直接掛載。 -

sudo apt-get install ecryptfs-utils //安裝控件

sudo mount -t ecryptfs real_path ecryptfs_mounted_path //以文件加密方式掛載文件

修改文件

sudo umount -t ecryptfs ecryptfs_test //卸載

以不同方式再掛載並修改文件

sudo mount -t ecryptfs real_path ecryptfs_mounted_path //以文件加密方式掛載文件

1. 文件名加密的空間概念，
2. 密鑰管理機制，
3. 疊加加密。

查看keys

cat /proc/keys | grep 【sig】

 

個人總結全盤加密和文件系統加密區別：

1、全盤加密只有一個密碼，該密碼正確解密後纔可使用。文件級加密密碼或參數不正確時也能掛載，如果之前加密的keyring存在，則可以讀取文件，不存在則不能讀取；寫入時以新參數加密方式寫入；

2、全盤加密磁盤上是已加密數據，看不到文件系統的，流程上是就需要先創建解密映射，然後掛載出文件系統（如果該磁盤不存在文件系統，只是bin文件就不需要再掛載了）。文件級加密已經存在文件系統，直接映射解密。

3、全盤加密與文件級加密都是透明加密，用戶感覺不到加密；但文件級加密管理keyring，已經存在的解密keyring可以解密其它掛載地方；

4、文件級加密當使用Enable filename encryption (y/n) [n]: y可以達到使用不同空間的效果

5、文件級加密可以疊加加密。Ecryptfs工具可以疊加6次；

2.3.2 非對稱算法

簽名加密工具 openssl https://www.jianshu.com/p/2ac9ae269920

生成私鑰

openssl genrsa -out privkey.pem 2048

生成公鑰

openssl rsa -in privkey.pem -pubout -out pubkey.pem

 

echo [email protected] > info.txt

 

公鑰加密/私鑰解密

使用公鑰對明文進行加密

直接使用公鑰加密

openssl rsautl -encrypt -in info.txt -inkey pubkey.pem -pubin -out info.txt.enc

使用證書中的公鑰加密

openssl rsautl -encrypt -in info.txt -inkey pubkey.pem -certin -out info.txt.enc

使用私鑰解密

openssl rsautl -decrypt -in info.txt.enc -inkey privkey.pem -out info_decrypt.txt

 

私鑰簽名/公鑰驗籤

使用私鑰對明文進行簽名

openssl rsautl -sign -in info.txt -inkey privkey.pem -out info.txt.sign

使用公鑰驗簽得到明文

openssl rsautl -verify -in info.txt.sign -inkey pubkey.pem -pubin -out info_verify.txt

 

3、Android 系統的加密應用

3.1、原理與流程

高通原理流程文檔

80-PN330-9 Rev. A  、 80-NU861-1 J

3.2、FDE加密流程理解

Google官方文檔

https://source.android.com/security/encryption/full-disk

若要加密、解密或清除 /data，/data 不得處於裝載狀態。但若要顯示任何界面，框架都必須啓動，而框架需要 /data 才能運行。爲了解決這一衝突，/data 上會裝載一個臨時文件系統。通過該文件系統，Android 可以提示輸入密碼、顯示進度或根據需要建議清除數據。

四種情況的流程：

A、使用 forceencrypt 加密新設備：首次啓動時強制加密（從 Android L 開始）。

B、加密現有設備：由用戶啓動加密（Android K 及更低版本）。

C、啓動無密碼的已加密設備：啓動未設置密碼的已加密設備（適用於運行 Android 5.0 及更高版本的設備）。

D、啓動設有密碼的已加密設備：啓動設置了密碼的已加密設備。

 

圖表 全盤加密流程圖

流程關鍵點：

1. 未解密時最小框架需要 /data 才能運行，所以tmpfs臨時掛載；
2. 未解密時不能裝載/data，需要最小框架顯示界面；UI主要作用是顯示加密進度、輸入密碼、提示恢復出廠，因此其必須包括keymaster，恢復出廠，輸入法，UI，加密庫等東西。
3. vold通過設置vold.decrypt狀態，來觸發init各類操作;vold 和 init 之間通過設置屬性進行通信，vold.decrypt的狀態如下:
   trigger_encryption
   trigger_restart_min_framework
   trigger_default_encryption
   trigger_shutdown_framework
   trigger_post_fs_data
   trigger_restart_framework
   trigger_reset_main
4. vold.encrypt_progress加密進度。加密出錯情況可通過此屬性查看狀態;
5. 加密/解密工具，使用的密鑰，密鑰的存儲。

主要函數system/vold/cryptfs.cpp/cryptfs_enable_internal(加密類型，密碼，是否有UI)

decrypt_master_key //解密主鑰

create_crypto_blk_dev //創建映射

create_encrypted_random_key   //創建主鑰

encrypt_master_key //加密主鑰

put_crypt_ftr_and_key //放置密鑰

init_empty_persist_data //初始化數據

save_persistent_data //保存

3.3、FBE加密流程與理解

FBE加密

https://source.android.com/security/encryption/file-based.html#fscrypt-encryption

 

Andorid 使用的是fscrypt文件系統加密工具。該工具最詳細使用在github中。

https://github.com/google/fscrypt#getting-encryption-not-enabled-on-an-ext4-filesystem 但是還是資料太少，個人使用依然不方便。
Fscrypt使用需要注意:

1、sudo apt installl fscrypt libpam-fscrypt安裝的沒有lock命令，最好下載編譯；

2、三種加密方式（隨用戶登陸，新密碼，密鑰文件），同時也有/proc/keys管理證書；在多用戶情況，/proc/keys內有相關管理證書即可透明訪問；

3、在目錄底下會創建.fscrypt文件夾保存policies和protectors信息；

4、不用掛載映射，但只能加密空目錄，開機方便了開機。（假如已有文件，需要重新去寫入。或存在參數我還是不知道）；

android文件系統加密流程關鍵在fscrypt工具的理解，這裏還是建議使用ecryptfs來理解文件系統加密，雖然ecryptfs 目前沒有再維護，但資料比較多，使用方便，在理解文件系統加密方面更好用。

而android的調用流程起點是init.rc裏的init_user0，調用vold的load_all_de_keys加載DE密鑰，fscrypt_unlock_user_key加載CE密鑰。

FBE優點

能夠直接掛載使用/data，DE密鑰啓動前就加入，可以直接啓動
利用空間概念支持多位用戶，並且能夠互動

3.4、Android 加密的使用

3.4.1、查看設備加密方式:

        FDE：ro.crypto.state = encrypted 和ro.crypto.type = block

        FBE：ro.crypto.state = encrypted 和ro.crypto.type = file

3.4.2、源碼配置:

MTK參考文檔
[FAQ22664] [Encryption] How to configure FDE/FBE/FDE_TO_FBE
MTK相關變量

MTK_ENCRYPTION_DEFAULT_OFF

MTK_ENCRYPTION_FDE_TO_FBE

MTK_ENCRYPTION_TYPE_FILE

 

3.4.3、掛載表屬性

fileencryption=contents_encryption_mode[:filenames_encryption_mode[:flags]]

//文件加密格式 內容加密方式，文件名加密方式 密鑰標記

/dev/block/by-name/userdata /data f2fs nodev,noatime,nosuid,errors=panic,inlinecrypt wait,fileencryption=aes-256-xts:aes-256-cts:inlinecrypt_optimized

forceencrypt=footer //FDE加密

fileencryption=ice //FBE加密 指定使用FSCRYPT_MODE_PRIVATE，文件內容加密模式，供應商實現。

fileencryption=adiantum

inlinecrypt_optimized //用戶標記僅爲每個 CE 或 DE 密鑰派生一個文件內容加密密鑰

inlinecrypt  //裝載選項

 

4、調試

問題1、已解

 

問題2、格式化加密userdata的部分數據

FDE

在解密後，裝載/data前進行清除userdata的部分數據。最好在最小框架有個UI顯示確認和進度。

FBE

該問題不存在難度，只需要在開機時刪除目錄，清除密鑰。

 

問題3、是否能夠dump userdata分區並解密掛載分析。如果不能，爲什麼？假如user版本設備剛進入system就死機/重啓，無法dump關鍵數據和信息進行分析。（待深入研究）

FDE

3-1、嘗試直接使用cryptsetup 和密碼解密。-------失敗  

cryptsetup luksOpen userdata userdata失敗， 可能加密類型與方式，加密工具，以及密鑰問題。是否必須要keymaster？

3-2、dump dm-0後，使用該文件塊直接掛載。 ----------成功   

但是設備必須能夠使用adb，必須root（當確定是userdata問題，可刷入userdebug版本來dump userdata分區），並且設備不會重啓來打斷dump（userdebug版本設置在adb和/data掛載後，定個停止啓動）。

 

FBE

如果DE與CE策略搞混，高概率出問題。

再就是硬件加密的話碰到該問題無解。Proc/keys都是臨時密鑰，取出來也不能用。