Android P 如何挂载system镜像到根目录

Android O/P 版本以来，谷歌加入了A/B system的特性，此时ramdisk和system是一起放在同一个system.img镜像中的。而系统起来之后也就不存在system分区了，而是直接把system镜像挂载到/根目录上。那么这个操作是怎么进行的呢？
system.img默认是需要使能dm-verity来挂载的，那么这就涉及到如何使能dm-verity来挂载/根分区。还有一个重要的点，如果我们想要禁用dm-verity功能又要如何操作，这又涉及更深的层次，如果可配置/根分区的挂载方式为dm-verity或者非dm-verity方式。带着这些问题，我们进行逐步的深入研究。

vbmeta

Android P 中有一个vbmeta分区，这是一个主要起检验作用的分区，存放有各个分区的校验数据以及签名和其他信息。主要分三个部分：Vbmeta Header（头部）/Authentication Data（校验数据）/Auxiliary Data（其他附加信息）。我们可以使用android在带的avbtool对vbmeta.img进行解析：

avbtool info_image --image vbmeta.img > vbmeta.img.info

解析出来的结果实例如下：

 Minimum libavb version:   1.0
 Header Block:             256 bytes
 Authentication Block:     576 bytes
 Auxiliary Block:          3456 bytes
 Algorithm:                SHA256_RSA4096
 Rollback Index:           0
 Flags:                    0
 Release String:           'avbtool 1.1.0'
 Descriptors:
     Chain Partition descriptor:
       Partition Name:          system
       Rollback Index Location: 2
       Public key (sha1):       cdbb77177f731920bbe0a0f94f84d9038ae0617d
     Chain Partition descriptor:
       Partition Name:          recovery
       Rollback Index Location: 1
       Public key (sha1):       2597c218aae470a130f61162feaae70afd97f011
     Hash descriptor:
       Image Size:            35553280 bytes
       Hash Algorithm:        sha256
       Partition Name:        boot
       Salt:                  baa1ce5d7db69d1b3943a78b5b142ae4d77b4ed60b9885c8661e845172b29a13
       Digest:                ec7cb1ad89fed3104a03191434d5487b5b4acc78e6bfeb84d7178af40df7db75
       Flags:                 0
     Hashtree descriptor:
       Version of dm-verity:  1
       Image Size:            1056714752 bytes
       Tree Offset:           1056714752
       Tree Size:             8327168 bytes
       Data Block Size:       4096 bytes
       Hash Block Size:       4096 bytes
       FEC num roots:         2
       FEC offset:            1065041920
       FEC size:              8421376 bytes
       Hash Algorithm:        sha1
       Partition Name:        vendor
       Salt:                  abbf0829ed7bc08913b83f9a994a37ad2a85b5e9
       Root Digest:           39a22a035ebff2d339dc682603adedb91da01374
       Flags:                 0
     Hash descriptor:
       Image Size:            176641 bytes
       Hash Algorithm:        sha256
       Partition Name:        dtbo
       Salt:                  386837807aa5a7d9cbe51e7f768009f4e5fca5190af4b3e856a7c96a96c33e0a
       Digest:                dabdbe5be19c38a3428efd046182d215f8522ab7cd3804e84f196fe73e9052f7
       Flags:                 0

• Vbmeta Header

在Android自带的Library/avb/libavb/avb_vbmeta_image.h中可以找到该结构体的定义：

typedef struct AvbVBMetaImageHeader {
	...
/* 120: Flags from the AvbVBMetaImageFlags enumeration. This must be
 * set to zero if the vbmeta image is not a top-level image.
 */
uint32_t flags;
	...
}AVB_ATTR_PACKED AvbVBMetaImageHeader;

这里我们仅仅截取关键的部分 flags，这个成员标志着是否要使能dm-verity或者verification。

 typedef enum {
   AVB_VBMETA_IMAGE_FLAGS_HASHTREE_DISABLED = (1 << 0),
   AVB_VBMETA_IMAGE_FLAGS_VERIFICATION_DISABLED = (1 << 1)
 } AvbVBMetaImageFlags;

这个也就是今天要解说的重点了，刚刚我们提到system image使用dm-verity挂载应该是一个可配置选项，那这个可配置功能就是利用这个flag中的AVB_VBMETA_IMAGE_FLAGS_HASHTREE_DISABLED位。如果我们利用adb disable-verity命令操作了设备，设备就会去重写vbmeta分区中对应的该bit位为1，这样在后续的bootloader加载时就会做这个flag的判断，由此确定是否使能dm-verity去挂载system镜像。

• Authentication Data

校验数据主要包含了hash摘要和签名，这是为了AVB启动准备的，不再本文讨论范围内，不做深入讲解。

• Auxiliary Data

附加数据在system挂载时是需要讲解的，附加数据包含了三类信息：描述符/公钥/公钥元数据。主要介绍描述符，上面的实例可以看到，在Descriptors:一项的后面有很多内容，描述符包括很多类型的描述符，其中有一个与system挂载有关，那就是cmdline descriptor，当然这个并不在vbmeta.img中有体现，因为vbmeta并不需要挂载，这个描述符只会存在于需要被kernel挂载的分区中。

cmdline

这里需要提到一些背景，我们知道system.img现在已经和ramdisk打包在一起了，那么system.img就不是挂载到/system的地方了，而是需要直接挂载在/根目录上，以往的版本，对于system的挂载都是由init来完成的，我们只需要修改fstab即可完成对system的挂载，但是现在不同了，根目录的挂载必须要由kernel去完成了。因为根目录挂载是先于init的运行的，没有根目录就不会有init。那么如何由kernel去挂载system.img镜像呢？
首先我们解析出来system.img中的vbmeta校验数据：

avbtool info_image --image system.img > system.img.info

解析出来的结果实例如下：

Footer version:           1.0
Image size:               3221225472 bytes
Original image size:      3170316288 bytes
VBMeta offset:            3220549632
VBMeta size:              1856 bytes
--
Minimum libavb version:   1.0 (Sparse)
Header Block:             256 bytes
Authentication Block:     320 bytes
Auxiliary Block:          1280 bytes
Algorithm:                SHA256_RSA2048
Rollback Index:           0
Flags:                    0
Release String:           'avbtool 1.1.0'
Descriptors:
    Hashtree descriptor:
      Version of dm-verity:  1
      Image Size:            3170316288 bytes
      Tree Offset:           3170316288
      Tree Size:             24969216 bytes
      Data Block Size:       4096 bytes
      Hash Block Size:       4096 bytes
      FEC num roots:         2
      FEC offset:            3195285504
      FEC size:              25264128 bytes
      Hash Algorithm:        sha1
      Partition Name:        system
      Salt:                  1215bb10e3488f3f030d9f412c29dd5f3ca07d5a
      Root Digest:           ac8d587b82748d9128e84e8cfd2c004889ba3fd4
      Flags:                 0
    Kernel Cmdline descriptor:
      Flags:                 1
      Kernel Cmdline:        'dm="1 vroot none ro 1,0 6192024 verity 1 PARTUUID=$(ANDROID_SYSTEM_PARTUUID) PARTUUID=$(ANDROID_SYSTEM_PARTUUID) 4096 4096 774003 774003 sha1 ac8d587b82748d9128e84e8cfd2c0
04889ba3fd4 1215bb10e3488f3f030d9f412c29dd5f3ca07d5a 10 $(ANDROID_VERITY_MODE) ignore_zero_blocks use_fec_from_device PARTUUID=$(ANDROID_SYSTEM_PARTUUID) fec_roots 2 fec_blocks 780099 fec_start 780099"
 root=/dev/dm-0'
    Kernel Cmdline descriptor:
      Flags:                 2
      Kernel Cmdline:        'root=PARTUUID=$(ANDROID_SYSTEM_PARTUUID)'
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

这里我们终于可以看到前文提到的Kernel Cmdline descriptor，但是很奇怪，这里为什么会有两个描述符呢？
还记得前面说的可配置功能吗？原来如此，这里第一个cmdline描述符，是使能dm-verity要使用的cmdline，而第二个cmdline描述符，则是禁止掉dm-verity要使用的cmdline。bootloader中需要根据我们前面vbmeta分区中的flag值来确定使用哪一个描述符。然后把cmdline添加到最终的cmdline中并写回到dtb（内存中的dtb），然后把dtb在ram中的存放地址传递给kernel去启动。

关键的处理流程也是需要libavb的依赖，在avb_slot_verify.c中：

typedef enum {
  AVB_KERNEL_CMDLINE_FLAGS_USE_ONLY_IF_HASHTREE_NOT_DISABLED = (1 << 0),
  AVB_KERNEL_CMDLINE_FLAGS_USE_ONLY_IF_HASHTREE_DISABLED = (1 << 1)
} AvbKernelCmdlineFlags;

 /* Compare the flags for top-level VBMeta struct with flags in
  * the command-line descriptor so command-line snippets only
  * intended for a certain mode (dm-verity enabled/disabled)
  * are skipped if applicable.
  */
 apply_cmdline = true;
 if (toplevel_vbmeta_flags & AVB_VBMETA_IMAGE_FLAGS_HASHTREE_DISABLED) {
   if (kernel_cmdline_desc.flags &
       AVB_KERNEL_CMDLINE_FLAGS_USE_ONLY_IF_HASHTREE_NOT_DISABLED) {
     apply_cmdline = false;
   }
 } else {
   if (kernel_cmdline_desc.flags &
       AVB_KERNEL_CMDLINE_FLAGS_USE_ONLY_IF_HASHTREE_DISABLED) {
     apply_cmdline = false;
   }
 }

上面是轮询描述符的操作，其中的toplevel_vbmeta_flags就是vbmeta.img中header保存的flags，如果其中AVB_VBMETA_IMAGE_FLAGS_HASHTREE_DISABLED被设置为1,那么代表了dm-verity是禁止的，那么会选择cmdline descriptor中的flags为2的作为cmdline，反之选择cmdline descriptor中的flags为1的作为cmdline。

由此我们就通过传入不同的cmdline的方式来启动kernel，进而挂载根目录，也就是system.img镜像。