安卓设备数据存储安全研究之安卓全磁盘加密技术解读

2007年，谷歌公司发布基于Linux系统内核的开源智能手机操作系统“安卓（Android）”。经过近八年的发展，安卓系统已经从最初的智能手机领域进入汽车、教育、电视、平板电脑等行业。根据市场研究公司Strategy Analytics（SA）最新的报告，2014年智能手机总出货量为13亿台，其中安卓系统占有率达81.2%。
尽管安卓设备用户的数量庞大，其安全意识却有待增强。美国在年度《消费者报告》（Consumer Reports）中指出，在美国有近40%的手机用户没有采取适当的安全措施。同时，用户个人数据泄露问题也日益突出：手机丢失或被窃导致手机上存储的个人信息泄露；用户淘汰旧手机时，即使删除全部数据，手机中的部分数据也可以恢复；恶意软件利用系统漏洞也可能非法获取用户的个人数据。
为提高数据存储的安全性，谷歌从Android 3.0开始，在安卓系统上提供了可选的磁盘加密解决方案，但由于加密性能等原因，并未被普遍采用。2015年9月底发布的Android 6.0中，谷歌提出了更高级别的全盘加密要求，要求厂商在新推出的设备上启用全盘加密（即使在没有设置屏幕解锁密码的情况下也需要全盘加密），同时达到了良好的性能要求。全盘加密提供了离线数据保护功能，增强了安卓设备的安全性。
全盘加密技术（Full Disk Encryption，FDE）属于动态加密，安卓全盘加密基于 Linux系统的设备映射框架dmcrypt实现∫对用户数据分区的透明加密存储。启用全盘加密功能后，所有写入到磁盘的内容都会在提交写入之前被自动加密，而所有从磁盘读取的数据在交给应用程序前会自动解密。
在安卓设备中，由于“/system”目录是只读的，不能存储用户个人数据，而数据分区（data）和T-Flash卡存储了大量可读写的用户数据，所以谷歌提出的全盘加密只针对这两部分进行。当应用程序需要读取某一文件时，首先调用操作系统提供的应用程序接口（Application Program Interface，APD），操作系统调用磁盘加密模块，将设备中存储的加密数据读取到内存中，内存中的数据解密后返回给操作系统，操作系统再将数据返回给应用程序。同样，当应用程序需要写入一段数据时，将数据提交给操作系统，由磁盘加密模块在内存中对数据进行加密，再写入到磁盘中。数据的加密与解密过程对于应用程序是完全透明的。
从Android 3.0到Android 6.0，谷歌不断改进其全盘加密技术，不断提高加密强度和性能。Android 5.0中默认启用全盘加密功能，但由于性能问题，各厂家的缺省设置中并未启用；Android 5.1中，全盘加密没有默认开启，而是标明“强烈推荐”；Android 6.0中，谷歌强制要求新设备默认开启全盘加密功能，而现有设备系统升级到Android 6.0之后没有要求默认开启。
安卓全盘加密使用AES-CBC加密算法，数据分区的每个扇区都被分别加密，AES密钥的安全性十分重要。在安卓磁盘加密中，用于加密磁盘的主密钥是随机生成的，由锁屏密码或PIN码（Personal Identification Number，SIM卡的个人识别密码）进行保护，主密钥经过加密后保存在元数据分区中。

（1）Android 3.0-4.3的全盘加密
从Android 3.0到Android 4.3中，均使用crypto footer结构保存加密的参数国，它在 Linux系统内核中LUKS结构的基础上进行了一些简化：LUKS支持多个密钥，并允许多个密钥同时进行加密解密，而crypto footer只存储一个密钥；LUKS中包含一个主密钥校验和，不用解密任何磁盘的数据即可检查输入密钥是否正确，而crypto footer不包括校验和，必须用输入密钥解密数据分区，获得匹配结果后才能验证密钥（锁屏密码或PIN码）正确与否。
安卓全盘加密功能初始化的过程中，系统首先随机生成一个128位的主密钥和一个16位的值（salt value），然后由用户输入的密码或者PIN码与值结合，使用 PBKDF2（Password-Based Key Derivation Function2，基于密码的密钥派生功能）将其迭代2000次后得到一个128位的密钥加密密钥（Key Encryption Key，KEK），主密钥则由这个密钥通过AES算法进行加密。PBKDE2迭代过程同时会产生一个初始向量，作为AES-CBC算法的初始向量，用于加密主密钥。Crypto footer将加密后的主密钥与盐值保存到元数据分区。
安卓设备启动时，系统读取crypto footer中的盐值，结合用户输入的PIN码或密码，使用PBKDF2迭代得到加密主密钥的密钥和初始向量，解密获得主密钥，提交给dmcrypt，解密数据分区。在安卓系统中，锁屏PIN码或密码最大长度为16个字符。多数情况下，用户锁屏密码设置得比较简单，全盘加密能够被破解。加密后的主密钥和盐值存储在磁盘的元数据分区上。破解者可以读取到盐值，尝试穷举所有的PIN码或密码，用PBKDE2算法得到主密钥的加密密钥的所有密钥值。再分别用这些密钥值解密主密钥，尝试解密磁盘。由于手机平台计算能力有限，还可以将手机数据分区和存储crypto footer的元数据分区拷贝到性能更强大的PC机上，去尝试破解密码。在这种方案中，4位的PIN码极易被破解，因此需要设置更长的锁屏密码来保证全盘加密的安全性。
（2）Android 4.4的全盘加密
在Android 4.4中，谷歌对全盘加密进行了改进，主要是用新的密钥推导函数Scrypt替换了原有的PBKDE2算法。Scrypt在计算时需要大量的内存，不适合使用GPU进行破解。Santoku是一个基于Linux系统的Python脚本，能够实现对Android 4.4全盘加密的破解，在酷睿i7 CPU上暴力破解4位PIN码大约花费30分钟。因此，Scrypt方案与BKDF2方案相比，大大提高了破解难度。
（3）Android 5.0的全盘加密
在Android 5.0中，谷歌对全盘加密功能添加了硬件关联，引人了可信执行环境（Trusted Execution Environment，TEE）签名。为了让主密钥能够抵抗离线攻击，扩展了主密钥加密算法，增加了使用可信执行环境密钥对AES加密密钥的签名过程。以这种新的加密方式产生的加密主密钥，几乎无法使用暴力破解。可信执行环境是智能手机CPU中的一块安全区域，它确保隐秘的数据能够在独立的、可信赖的环境中存储、处理并受到保护。可信执行环境能够为受信任的应用程序提供独立安全的执行空间，通过强制保护认证代码的执行来保障端到端的安全，并且具有机密性、真实性、隐私性、系统完整性以及数据访问权限等特点。此外，可信执行环境还提供高速计算能力和内存访问控制。
Android 5.0中密钥生成的过程为：
1. 随机生成16字节的磁盘加密密钥（DEK，即主密钥）和16字节的盐值。
2. 将用户输入的密码和盐值作为Scrypt的输入，产生一个32字节的临时密钥IK1。
3. 将临时密钥IK1及“0”填充到硬件私钥中。例如，硬件使用RSA加密算法，其私钥大小为2048位，IK1表示为：00 || IK1 || 00···00，即1字节的“0”、32字节的IK1、233字节的“0”，一共256字节，2048位。
4. 可信执行环境对填充的IK1进行签名，得到256字节的临时密钥IK2。
5. 将IK2和盐值作为Scrypt 的输入，产生32字节的临时密钥IK3。
6. 将IK3的前16字节作为AES-CBC算法的加密密钥，IK3的后16字节作为初始向量 （Initialization Vector，IV）。
7. 使用AES-CBC算法对主密钥进行加密。
显然，在获得crypto footer的情况下，由于可信执行环境的硬件签名功能，使得破解者无法从PIN码的计算中得到加密密钥，因此这种破解方式不再可行。
（4）Android 6.0全盘加密
一般观点认为，安卓系统在隐私保护上与iOS相比处于劣势，iOS已经对用户数据强制进行了离线加密，声称苹果公司或是政府机构也不能直接恢复这些数据。随着Android 6.0的发布，谷歌在安卓兼容性定义文档（Compatibility Definition Document，CDD）中将全盘加密作为要求，而不是建议。对于内存容量大于512MB的设备，如果它支持安全锁屏，那么也必须支持全盘加密。此外，如果设备的AES加密性能高于50MB/s，必须默认启用全盘加密功能。该文件还规定了必须使用128位或更长的AES密钥，不允许将加密密钥写入存储区域等。可以预见，这一举措使得执法人员对安卓设备的取证变得更加困难。