驗證啓動（Verified Boot）是Android一個重要的安全功能，主要是爲了訪問啓動鏡像被篡改，提高系統的抗攻擊能力，簡單描述做法就是在啓動過程中增加一條校驗鏈，即 ROM code 校驗 BootLoader，確保 BootLoader 的合法性和完整性，BootLoader 則需要校驗 boot image，確保 Kernel 啓動所需 image 的合法性和完整性，而 Kernel 則負責校驗 System 分區和 vendor 分區。
由於 ROM code 和 BootLoader 通常都是由設備廠商 OEM 提供，而各家實際做法和研發能力不盡相同，爲了讓設備廠商更方便的引入 Verified boot 功能，Google 在 Android O上推出了一個統一的驗證啓動框架 Android verified boot 2.0，好處是既保證了基於該框架開發的verified boot 功能能夠滿足 CDD 要求，也保留了各家 OEM 定製啓動校驗流程的彈性。
由於 ROM code 校驗 BootLoader 的功能通常與 IC的設計相關，所以 AVB 2.0 關注的重點在 BootLoader 之後的校驗流程。BootLoader 之後系統啓動所涉及的關鍵鏡像通常包括 boot.img，system.img，Android O 的 treble Project 還引入了 dtbo 和 vendor.img。這些 image 挨個校驗可以說費時費力，而 AVB 2.0 的做法事實上十分簡單，引入一個新的分區：vbmeta.img（verified boot metadata），然後把所有需要校驗的內容在編譯時就計算好打包到這個分區，那麼啓動過程中 BootLoader 只需要校驗 vbmeta.img，就能確認 vbmeta 內的數據是否可信。再用 vbmeta 中的數據去比對 bootimg，dtbo，system,img，vendor.img 即可。至於 OEM 是還需要放什麼其他東西到 vbmeta 中，則可以由 OEM 自由定製，可以說保留了很好的客製化空間。
除了最基本的驗證啓動之外，AVB 2.0 還提供防止回滾的功能和對AB分區備份的支持，AVB 2.0 的詳細文檔可以參考：Android Verified Boot 2.0
無論是驗證啓動還是防止回滾，vbmeta 都是很重要的數據結構，下面對最簡單的 vbmeta struct 做一個分析說明。
下面是 vbmeta struct 的結構圖示：
以上 vbmeta 所包含的數據可以分成兩個大的Block：紫色色塊部分爲 Authentication data block 和 其他爲 Auxiliary data block。當 BOARD_AVB_ALGORITHM 定義爲 SHA256_RSA2048 時，默認編譯出的 vbmeta.img 通常爲 4KB。vbmeta.img 組成如下：
------------------------------------------------------------------------------
| Header | Authentication Data | Auxiliary Data |
------------------------------------------------------------------------------
其中 Header 的固定長度爲 0x100 個字節，Authentication data 和 Auxiliary data 的長度存儲在 Header 中。
下面分別對這三個部分進行分析、
Header 解析
Header 的數據結構爲：typedef struct AvbVBMetaImageHeader
用 UE 打開 vbmeta.img，前 0x100 個字節信息如下：
根據 struct AvbVBMetaImageHeader，上圖中的 Header 信息解析如下：
Authentication data block 解析
Authentication data block 用於校驗 vbmeta.img 的合法性和完整性，包含兩部分內容：Hash data 和 signature data。
通過分析avbtool 的 Python 腳本，即可瞭解 hash data 和 signature data 的生成過程。
Hash data 的生成
hash data 是對 vbmeta 的 header 和 auxiliary data block 的 hash 計算，所以是先生成了 auxiliary data block，然後生成的 authentication data block，使用的算法由 header 中的 algorithm_type 指定，本文使用 SHA256，計算出的 hash data 長度爲 0x20。截取 avbtool 的腳本代碼如下：
# Calculate the hash.
ha = hashlib.new(alg.hash_name)
ha.update(header_data_blob)
ha.update(aux_data_blob)
binary_hash.extend(ha.digest())
signature data 的生成
signature data 是對 上文計算出的 hash data 做 padding 之後的簽名，使用的算法同樣由 header 中的 algorithm_type 指定，本文使用 RSA2048，計算出的 signature data 長度爲 0x100。截取 avbtool 的腳本代碼如下：
# Calculate the signature.
padding_and_hash = str(bytearray(alg.padding)) + binary_hash
binary_signature.extend(raw_sign(signing_helper, signing_helper_with_files, algorithm_name, alg.signature_num_bytes, key_path, padding_and_hash))
有一個需要注意的地方是，hash data 和 signature data 的總長加在一起爲0x120，但header 中的 authentication data block size 卻爲 0x140，這是因爲 image 對齊需要，0x120 不能被 64 整除，所以用 0x0 填充到長度爲 0x140。
Auxiliary data block 解析
Auxiliary data block 的內容則十分豐富，總得來說分爲兩個大類：AvbDescriptor 和 RSA public key。
AvbDescriptor 的生成
根據 avbtool make_vbmeta_image 命令支持的參數，OEM 可以自由的定製一些需要打包到 vbmeta.img 的數據，這樣一段一段的二進制數據都按照AvbDescriptor 的數據結構打包進 auxiliary data block。AvbDescriptor 按照不同的 tag 分爲以下幾種：
typedef enum {
AVB_DESCRIPTOR_TAG_PROPERTY,
AVB_DESCRIPTOR_TAG_HASHTREE,
AVB_DESCRIPTOR_TAG_HASH,
AVB_DESCRIPTOR_TAG_KERNEL_CMDLINE,
AVB_DESCRIPTOR_TAG_CHAIN_PARTITION,
} AvbDescriptorTag;
最常用的參數 ---include_descriptor_from_image 可以將 boot.img，dtbo，recovery.img，system.img，vendor.img 的 descriptor 打包到 Auxiliary data block 中。這些 descriptors 在 BootLoader 確認 vbmeta.img 的合法性和完整性後，可以直接被用來校驗 boot.img，dtbo，recovery.img，system.img，vendor.img。
RSA public key的生成
除了這些 descriptor 之外，auxiliary data block 中還有一個重要的信息，就是 RSA public key。這個 public key 將被用來校驗 authentication data block 中的 signature data。
在 avbtool make_vbmeta_image 時，必須用--key參數來指定生成 signature data 的 RSA private key，AOSP external/avb/test/data 目錄下有各種供測試使用 RSA private key，格式爲 PEM。avbtool 會根據 RSA private key 提取 public key 並加上 RSA key 的 header 打包進 auxiliary data block。
可以通過avbtool extract_public_key --key [priv_key_path] --output [outpubk_path] 來查看生成的 public key 信息。
其中 RSA key header 格式如下：
typedef struct AvbRSAPublicKeyHeader {
uint32_t key_num_bits;
uint32_t n0inv;
} AVB_ATTR_PACKED AvbRSAPublicKeyHeader;
前文中所描述 header 中的 public key size 爲 0x208，即 0x8 個字節的 AvbRSAPublicKeyHeader 長度，加上 0x200個字節即 2048位 的 public key 長度。
以上就是 vbmeta 除 padding 填充 0x0 之外，主要的數據信息。
作者：SmartEmily
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來源：簡書
著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。
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