扩展Linux完整性度量IMA/EVM到Android

１. 完整性度量概述

• 运行时的系统完整性由系统的访问控制机制保证，如DAC(Discrete Access Control, 间接访问控制)/MAC（Mandatory Access Control, 强制访问控制，如SELinux, Smack）。
• DAC/MAC无法检测文件的离线修改；加密文件系统可以保护非法访问，但开销大，效率相对较低。
• 完整性度量，将文件内容和文件的属性/扩展属性，通过加密哈希生成对应的ima/evm串，以扩展属性方式保存在文件系统节点中；系统运行时在文件被访问前，内核IMA/EVM模块通过校验文件的ima/evm串，判断文件是否被离线非法篡改过；如果有，返回非法结果给selinux，从而阻止访问或运行该文件。

Linux的完整性子系统（引自Dmitry的PPT）：

IMA

• 对文件内容做加密哈希（HMAC），将结果存在文件的扩展属性security.ima，并以此校验文件内容是否被非法篡改过。
• 创建并自动更新一个所有被访问文件的完整性度量表（/sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements），远程或本地读取该表可以判断哪些文件被改过。
• 如果系统中有TPM硬件模块，IMA会将度量表扩展到TPM中，以保证度量表本身无法被篡改。
• 支持本地评估(IMA Appraisal)，即系统运行时在文件被访问前，内核IMA模块通过校验文件的ima串，判断文件是否被离线篡改过。

EVM

• EVM用来检测文件的属性（ino/uid/gid/mode）/扩展属性（security.ima/selinux/smack64）是否被离线篡改过。
• 被保护的属性，被EVM模块以加密哈希(HMAC)的形式依次加密，最终保存成security.evm。
• EVM串支持HMAC或数字签名两种方式生成。

2. 将IMA/EVM扩展到Android

要在Android上支持完整性度量IMA/EVM，以实现对文件级的篡改检测和访问控制，主要包括以下几部分：

• 内核中使能IMA/IMA-Appraise/EVM
• 编译时，生成system.img前，随机生成一对RSA密钥对，将私钥存在编译目录下以备后面签名使用，将公钥放到system根文件系统特定目录下（每次开机时用以验证系统文件的ima/evm签名）。
• 集成开源的EVMCTL，一个用来生成IMA/EVM签名的工具。
• 集成开源的attr，至少将其中的getfattr和setfattr交叉编译进来。
• 修改system/extras/ext4_utils/make_ext4fs.c，使得在build_directory_structure时，用RSA私钥+EVMCTL，为所有system分区下的文件生成ima/evm签名，并将签名写入文件的扩展属性security.ima/.evm。
• 加载system分区前，内核要先获得EVM key（无论是从TEE生成并获取，或从文件系统中读取指定的）和RSA的公钥，以便验证IMA/EVM的HMAC或签名。
• TEE中由device ID派生evm key，好处是key会每个设备唯一。可以使用device ID + 固定字符串，通过加密哈希生成的串作为密钥。
• 内核evm module中，加入从TEE读取evm key的代码，key读出后可以存为全局变量，即运行时只存在于内存中。
• 联合调试

3. 调试总结

这里只列出调试过程中，一些需要注意的点：

• ima/evm使能后，通过getfattr工具，可以读取文件的扩展属性（getfattr -m . -d filename）：

              短的是HMAC生成的串，长的是签名生成的串。

• 完整性度量表可以读出（cat /sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements)，在文件变化后，度量表会自动更新。格式类似于：

• 开始时，IMA/EVM所需密钥可以放到文件系统中，明文读取出来用做加密哈希HMAC的密钥，先调通IMA/EVM基本功能；后续可以实现从TEE获取EVM密钥，而IMA/EVM签名可以使用RSA非对称密钥，分别在编译时私钥签名，启动时内核使用公钥校验签名文件。

• 内核的IMA/EVM模块，可以自动识别IMA/EVM串是HMAC还是签名，因为串的前半部分，包含有type串。

• EVM模块对ino/uid/gid/mode/security.ima/security.evm/security.selinux/security.capability这些字段做HMAC校验的顺序，一定要与EVMCTL生成签名时做HMAC的顺序一致，否则签名校验会出错；还有很重要的一点，一定要注意32位/64位的区别，因为这会影响以上字段的HMAC结果，也很容易导致签名验证失败。

• 签名时用到EVMCTL，需要对这个命令的参数非常了解，比如如何指定密钥，如何指定32/64位，等等；而且，也需要对这个工具做一些修改，比如支持使用传入的ino、uid、gid、mode、security.selinux/.ima/.evm等。

• ima_appraise有三种模式：off, enforce, fix。开发时先设为fix模式，如果度量出错，能在kernel log里看到error。开发完成后，设为enforce模式，如果系统能起来，并且kernel log中没有error，表示使能成功。

4. 最终可以实现

• system只读分区下所有文件受签名保护，enforce模式下被离线篡改的文件无法被执行和访问。注：离线篡改可以用setfattr来模拟测试。
• data可读写分区下所有文件受HMAC保护，enforce模式下离线篡改的文件无法被访问和执行；运行时变化的文件，在下次被访问前，ima/evm串会自动更新。
• 完整性度量表可以读出，文件变化时，内核会随时更新度量表。

5. 参考资料

什么是Linux完整性度量： http://events.linuxfoundation.org/sites/events/files/slides/Integrity_Protection_LinuxCon_Europe_2013_0.pdf

如何在桌面Linux上使能IMA/EVM： 

https://sourceforge.net/p/linux-ima/wiki/Home/#extending-trusted-and-secure-boot-to-the-os

https://wiki.gentoo.org/wiki/Integrity_Measurement_Architecture

Tizen上的IMA/EVM：https://wiki.tizen.org/wiki/Security:IntegrityMeasurement

Meego上的IMA/EVM：http://www.webcitation.org/6AqsXTUx0

EVMCTL： https://sourceforge.net/p/linux-ima/ima-evm-utils/ci/master/tree/

ATTR： http://git.savannah.gnu.org/cgit/attr.git