Kitkat 的磁盘加密功能分析
说明
参考英文文章： http://source.android.com/tech/encryption/android_crypto_implementation.html
参考翻译：http://blog.sina.com.cn/s/blog_70753a4801012i4b.html
参考书籍《Android安全机制解析与应用实践》第7章 Android加密文件系统
分析的源代码使用 Android4.4.3
个人对加密的算法没有什么研究，本文只分析Kitkat的磁盘加密功能的流程分析。
Kitkat上的磁盘加密
如果你想在Kitkat设备上打开加密功能，那么需要：
/data文件系统必须基于块设备，eMMC是首选。这是因为磁盘加密功能使用kernel的dm-crypt模块，工作在块设备层。
system/vold/cryptfs.c中的 get_fs_size()函数会假定/data的文件系统是ext4，异常检查确定文件系统没有使用分区上最后16Kbytes，因为 cryptofooter将会保持到该存储空间。对开发人员而言是有用的，因为它的大小会变化，但是无法释放它。如果你使用的不是ext4文件系统，要么删除这个函数及其调用，要么改造它以适用你的文件系统。
大部分控制临时framework装载和卸载的代码都是在通常与设备无关的代码文件中。但是init.<device>.rc文件需要一些修改。所有的services必须属于三个类中的一个：core，main或late_start。Core类中的所有Services在临时 framework 获得磁盘密码时不会关闭或重启。main类中的Services会在真正的framwork重启时重启，late_start中的Services直到临时 framework被重启后才会被启动，放在late_start中的Services在临时framework获得磁盘密码的过程中不会运行。
需要在/data目录下创建的所有目录都是需要写在post-fs-data的Action中，并且在该Action中必须用命令"setpropvold.post_fs_data_done1"来结束。如果你的init.<device>.rc文件没有post-fs-data Action，那么主init.rc的post-fs-data Action结束时必须执行"setpropvold.post_fs_data_done1"，三星的manta设备的init.manta.rc文件中的代码如下所示。
/KitKat/device/samsung/manta/init.manta.rc
on post-fs-data
mkdir /data/media 0770 media_rw media_rw
setprop vold.post_fs_data_done 1
| 备注： tmpfs是一种虚拟内存的文件系统，典型的tmpfs文件系统完全驻留在RAM中，读写速度远快于内存或硬盘文件系统。 vold会在停止main class服务后将/data 挂载为tmpfs，然后触发post-fs-data action的操作并等待"setprop vold.post_fs_data_done 1"，然后继续启动临时framework并开始加密过程。如果 init.rc中不执行"setprop vold.post_fs_data_done 1"，那么vold会认为异常从而重启整个系统。 |
Android加密如何工作
Android的磁盘加密基于linux kernel的dm-crypt模块，它是一个linux kernel的一个工作于块设备上的功能。因为YAFFS它会直接访问原始NAND Flash芯片，所以在基于YAFFS文件系统不起作用，但是可以工作在被linux kernel识别为块设备的eMMC及其相似的 Flash设备上。尽管ext4文件系统与设备加密与否无关，但对于加密设备来说推荐使用的ext4文件系统。
实际上加密功能是linux kernel的标准功能，在Android设备上开启加密功能，会有些小问题。Android系统试图尽量避免包含GPL成分，所以不能使用cryptsetup命令并且libdevmapper不是可选功能。所以使用 ioctl(2)通知内核是最好的选择。Android的Vold已经支持了移动应用到SD卡的功能，所以利用它进行整个磁盘的加密。实际用于文件系统加密的首先是128AES 算法，CBC模式和ESSIV:SHA256算法。主键通过调用openssl库使用128bit AES加密。
一旦决定将这个加密功能添加到vold模块中，我们要做的事情就十分明显了：
将一个名字为 cryptfs的新模块添加到Vold中. 并仿照Vold的命令方式，添加相应的加密相关命令，并使用相同的调用方式。在Kitkat中加密相关的命令有 checkpw , restart, enablecrypto, changepw 和cryptocomplete, verifypw, getfield ,setfield . 下面会详细说明。
另外的一个重要问题是如何在boot阶段得到密码. 最初设计在ramdisk实现一个能够被init调用的轻量级UI，并且初始化解密功能和mount/data。然而，UI工程师认为这种做法，工作量太大，并建议在init初始化启动时，通知framework来弹出 password输入对话框，获得密码，然后关闭framework并重新启动真正的framework。这个方案的确定引出下面的设计。详细点说，init通过设置property来告诉framework进入密码输入模式，同时使用properties 在vold，init和framework之间作为平台进行更多通信。详细描述如下所示：
最后，涉及的问题围绕在杀掉服务和重启哪些服务，在进行这些操作过程中，可能会导致/data分区的卸载和重新挂载。启动一个临时framework来获得密码，需要/data挂载tmpfs临时文件系统，否则framework无法启动。但是当卸载/data临时文件系统tmpfs，挂载真正的/data加密文件系统时，所有在/data临时文件系统tmpfs上打开文件的进程会被kill掉，并在真正/data文件系统上重新启动。
这个魔术需要所有属于core, main, late_start三组中的一组Services来完成。 Core Services一旦启动，就不会被关闭，main Services会先关闭，并在输入完磁盘密码后重新启动，late_start Services直到/data挂载并解密后才会启动。
这个魔术去触发Actioin是通过设置vold.decrypt属性的各种字符串来实现，这些字符串在接下来的内容中会说明。
同时，一个新的init命令"class_reset"被发明，作用是停止一个服务，但允许它调用"class_start"命令重启服务。如果用"class_stop"替代"class_reset"命令，则会将SVC_DISABLED标志添加到该已经停止服务的状态中，无论这个服务时什么类型的，这意味着当服务所属class使用class_start时，它也不会被启动。
引导加密系统
当init 挂载/data失败时，它假定文件系统已经加密，并设置几个properties：
ro.crypto.state = "encrypted" vold.decrypt = 1
这意味着/data被挂载为tmpfs ramdisk.
如果init能够正常挂载/data，会设置.
ro.crypto.state ="unencrypted"
framework启动时会检查 vold.decrypt的值，如果值成"1"，说明此时 /data 被挂载为tmpfs，必须获得用户密码。 首先，需要先要确定disk是否已经加密。该操作是通过给vold 发送命令 "cryptfscryptocomplete"，vold 返回0 表示成功加密完毕，返回 -1 表示内部错误，-2 表示加密没操作有完成。Vold 通过crypto footer的CRYPTO_ENCRYPTION_IN_PROGRESS标志来确定“cryptfs cryptocomplete”的返回值。如果它被设置了，那么表示加密过程被中断了，同时存储设备上没有有用的数据。当vold 返回一个错误时，UI界面应该弹出提示消息框，通知用户需要重启并将设备进行恢复出厂设置，用户只能通过点击提示框中的按钮来被强制进行此操作。
假设"cryptfs cryptocomplete"命令返回成功，那么framework应该弹出UI询问用户磁盘密码，这个UI会发送命令"cryptfs checkpw " 给vold，如果密码正确(密码正确与否是由是否可以成功挂载已解密磁盘到临时路径，然后再卸载它决定的), vold 保存解密块设备的名字到ro.crypto.fs_crypto_blkdev，然后返回状态0 给 UI，如果密码错误，则返回 -1 给UI。
UI显示一个加密启动画面，然后调用"cryptfs restart"，vold设置property
调用cryptfs.c的cryptfs_restart(void)函数设置的该值。
这个操作会导致init.rc 执行"class_reset main"操作。
system/core/rootdir/init.rc
/* The init files are setup to stop the class main when vold.decrypt is
* set to trigger_reset_main.
*/
property_set("vold.decrypt", "trigger_reset_main");
class_reset main
该操作会导致停止所有属于main class的 Services，
接着执行cryptfs_restart()函数，开始调用wait_and_unmount()方法卸载/data挂载的文件系统：
<pre name="code" class="cpp">#define DATA_MNT_POINT "/data"
if (! (rc = wait_and_unmount(DATA_MNT_POINT)) ) {
/* If that succeeded, then mount the decrypted filesystem */
fs_mgr_do_mount(fstab, DATA_MNT_POINT, crypto_blkdev, 0)
卸载tmpfs的/data文件系统，如果卸载成功，则调用fs_mgr_do_mount()方法，vold会挂载解密的真实/data分区，然后准备一个新的分区(如果通过wipe选项加密，可能永远不会准备这个新的分区。首次发布的加密功能的版本中时不包含wipe功能的)。
接着调用如下方法，来加载系统的properties，这里不赘述：
property_set("vold.decrypt", "trigger_load_persist_props");
从下面代码的注释可以看出，是在/data分区中创建一些必须的目录：
/* Create necessary paths on /data */
if (prep_data_fs()) {
return -1;
}
调用的prep_data_fs()函数的代码如下：
static int prep_data_fs(void)
{
……
property_set("vold.post_fs_data_done", "0");
property_set("vold.decrypt", "trigger_post_fs_data");
SLOGD("Just triggered post_fs_data\n");
…….
}
首先设置vold.post_fs_data_done 为字符串“0”，同时设置 vold.decrypt 为"trigger_post_fs_data"，
on property:vold.decrypt=trigger_post_fs_data
trigger post-fs-data
它导致init.rc和init.<device>.rc执行post-fs-data命令，创建必要的目录、连接及设置vold.post_fs_data_done 为"1"。
在prep_data_fs()函数中使用了一个for循环来等待vold.post_fs_data_done 被设置为"1"，代码如下：
static int prep_data_fs(void)
{
……
/* Wait a max of 50 seconds, hopefully it takes much less */
for (i=0; i<DATA_PREP_TIMEOUT; i++) {
char p[PROPERTY_VALUE_MAX];
property_get("vold.post_fs_data_done", p, "0");
if (*p == '1') {
break;
} else {
usleep(250000);
}
}
…….
}
当终于将vold.post_fs_data_done 被设置为"1"，则prep_data_fs()执行完毕，返回，接着执行cryptfs_restart()函数：
/* startup service classes main and late_start */
property_set("vold.decrypt", "trigger_restart_framework");
最后 vold 设置vold.decrypt 为"trigger_restart_framework"，
on property:vold.decrypt=trigger_restart_framework
class_start main
class_start late_start
通知 init.rc 启动main class和从系统启动后首次启动late_startclass所属services。
现在，framework已经使用解密的/data文件系统启动完成，并准备好可以使用了。
在设备上启用加密
首次发布时，我们只支持inplace加密，要求framework关闭，/data 卸载，然后加密每个区块，以上操作需要reboot设备之后开始执行。详细如下：
用户从UI选择加密设备，UI确认电池电量充足并且插入电源， 以确保有足够电量完成加密过程，因为如果设备在加密过程完成前因为没电而关机，数据会停留在一个不完整的加密状态，设备必须进行恢复出厂设置(所有数据将丢失)。
一旦用户按下按钮开始加密设备，UI将通过给vold发送命令 "cryptfs enable cryptoinplace "，密码使用用户锁屏密码。
Vold接到命令，经过处理会调用cryptfs_enable()函数来进行加密的处理操作。
vold会进行一些错误检查，返回 -1代表不能加密并输出包含原因到log中，如果确定可以加密，执行如下语句：
/* The init files are setup to stop the class main and late start when
* vold sets trigger_shutdown_framework.
*/
property_set("vold.decrypt", "trigger_shutdown_framework");
它会设置vold.decrypt为"trigger_shutdown_framework"字符串，
on property:vold.decrypt=trigger_shutdown_framework
class_reset late_start
class_reset main
此操作会触发init.rc关闭late_start和main的所属Services。
if (vold_unmountAllAsecs()) {
/* Just report the error. If any are left mounted,
* umounting /data below will fail and handle the error.
*/
SLOGE("Error unmounting internal asecs");
}
调用vold_unmountAllAsecs()函数，卸载/mnt/secure/asec和/data/app-asec目录下的文件系统。system/vold/VolumeManager.cpp
extern "C" int vold_unmountAllAsecs(void) {
int rc;
VolumeManager *vm = VolumeManager::Instance();
rc = vm->unmountAllAsecsInDir(Volume::SEC_ASECDIR_EXT);
if (vm->unmountAllAsecsInDir(Volume::SEC_ASECDIR_INT)) {
rc = -1;
}
return rc;
}
获取ro.crypto.fuse_sdcard的值，看系统是否使用fuse模式的存储管理模式，代码如下：
property_get("ro.crypto.fuse_sdcard", fuse_sdcard, "");
if (!strcmp(fuse_sdcard, "true")) {
/* This is a device using the fuse layer to emulate the sdcard semantics
* on top of the userdata partition. vold does not manage it, it is managed
* by the sdcard service. The sdcard service was killed by the property trigger
* above, so just unmount it now. We must do this _AFTER_ killing the framework,
* unlike the case for vold managed devices above.
*/
if (wait_and_unmount(sd_mnt_point)) {
goto error_shutting_down;
}
}
如果不是fuse模式，则调用wait_and_unmount()方法卸载SD卡。
接着调统一个方法卸载/data文件系统，源码如下所示：
/* Now unmount the /data partition. */
if (wait_and_unmount(DATA_MNT_POINT)) {
goto error_shutting_down;
}
至此，已经卸载/mnt/sdcard 和 /data文件系统。
/* Now unmount the /data partition. */
if (wait_and_unmount(DATA_MNT_POINT)) {
goto error_shutting_down;
}
如果进行一个inplace类型的加密，即how 的值为CRYPTO_ENABLE_INPLACE，此时则会调用fs_mgr_do_tmpfs_mount()方法，让 vold将tmpfs挂载/data目录下，并且设置vold.encrypt_progress="0".
已经卸载完所有的存储设备，并将tmpfs挂载到/data目录下了，接下来的就应该重启framework了，进行真正的加密操作了。
代码如下：
/* restart the framework. */
/* Create necessary paths on /data */
if (prep_data_fs()) {
goto error_shutting_down;
}
调用prep_data_fs()函数，来进行framework重启的一些操作，上文已经分析过该方法，这里就不再分析了，由于tmpfs文件系统被挂载后，/data目录下什么内容也没有，所以需要在/data目录下创建必要的一些目录。
睡眠了2S后，接着执行如下代码：
/* startup service classes main and late_start */
property_set("vold.decrypt", "trigger_restart_min_framework");
创建好目录，就可以重启framework了，这里设置 vold.decrypt= "trigger_restart_min_framework"，
/* startup service classes main and late_start */
property_set("vold.decrypt", "trigger_restart_min_framework");
这将触发init.rc启动main class服务进程，当framework看到 vold.encrypt_progress设置为 "0"，会启动显示进度的UI，每5s刷新一次进度。此时由于vold服务属于core，所以不会重启，之后vold设置加密映射，它创建了一个虚拟的加密块设备映射到实际的块设备，但加密是一块块写入，解密是一块块读取，vold会创建并写入crypto footer
crypto footer包含了加密类型的详细信息和用于系统解密的秘钥。主密钥通过读取 /dev/urandom 创建的128bit随机值，对用户密码进行哈希加密，加密算法使用SSL库的PBKDF2函数。 footer 也同样包含随机数(也从/dev/urandom 读取)， 为了增加熵而使用PBKDF2的hash算法得出，防止彩虹表破解密码。同时，CRYPT_ENCRYPTION_IN_PROGRESS标志设置到crypto footer中防止加密失败，cryptfs.h中有详细的crypto footer布局，crypto footer保存在分区的最后16Kbytes上，且/data文件系统不能使用到这部分。
如果是wipe模式的加密，vold会通过cryptfs_enable_wipe()方法调用命令"make_ext4fs" 为加密块设备创建ext4格式的文件系统，注意分区上不会包含那最后的16Kbytes。
如果是inplace模式，vold调用cryptfs_enable_inplace()函数，开始循环读取每块数据然后写入加密块设备，这在30Gbyte分区的MotorolaXoom上要花费约1小时。这取决于硬件。 加密进度每增加1% 会更新vold.encrypt_progress。UI会以5s间隔检查加密进度的变化。
if (! rc) {
/* Success */
/* Clear the encryption in progres flag in the footer */
crypt_ftr.flags &= ~CRYPT_ENCRYPTION_IN_PROGRESS;
put_crypt_ftr_and_key(&crypt_ftr);
sleep(2); /* Give the UI a chance to show 100% progress */
cryptfs_reboot(0);
} else {
当各种加密全部成功时，vold会清除 footer上的ENCRYPTION_IN_PROGRESS标志，然后调用cryptfs_reboot(0)函数重启系统，
该函数的代码如下：
static void cryptfs_reboot(int recovery)
{
if (recovery) {
property_set(ANDROID_RB_PROPERTY, "reboot,recovery");
} else {
property_set(ANDROID_RB_PROPERTY, "reboot");
}
sleep(20);
/* Shouldn't get here, reboot should happen before sleep times out */
return;
}
ANDROID_R
B_PROPERTY的值如一下代码所示：
system/core/include/cutils/android_reboot.h
#define ANDROID_RB_PROPERTY "sys.powerctl"
可以看出只是根据传入参数recovery的值，对sys.powerctl进行设置，这里传入的是0，则进入if的false分支，写入”reboot”字符串。
system/core/rootdir/init.rc
on property:sys.powerctl=*
powerctl ${sys.powerctl}
触发init.rc的命令，执行powerctl reboot命令。
接着就执行到builtins.c的do_powerctl()函数，解析命令，然后调用system/core/libcutils/android_reboot.c的android_reboot()函数，通过系统调用，重启系统。
我们来看一下如果重启失败的处理：
/* hrm, the encrypt step claims success, but the reboot failed.
* This should not happen.
* Set the property and return. Hope the framework can deal with it.
*/
property_set("vold.encrypt_progress", "error_reboot_failed");
release_wake_lock(lockid);
return rc;
如果因为某些原因reboot失败，vold会设置vold.encrypt_progress="error_reboot_failed" ，UI告知用户强行reboot，这不是预期会发生的情况。
接下来，我们来看一下机密过程失败的处理流程：
error_unencrypted:
free(vol_list);
property_set("vold.encrypt_progress", "error_not_encrypted");
if (lockid[0]) {
release_wake_lock(lockid);
}
return -1;
如果vold 在加密过程中遇到错误，没有数据遭到破坏并且framework在运行，vold会设置vold.encrypt_progress ="error_not_encrypted" ，UI提示用户reboot并告知加密没有进行。如果错误发生在framework停止之后，但是在UI进度条运行之前，vold会reboot系统，如果reboot失败，会设置 vold.encrypt_progress="error_shutting_down" 并返回 -1，但不会有谁捕捉这个错误，这不是预期发生的。
} else {
char value[PROPERTY_VALUE_MAX];
property_get("ro.vold.wipe_on_crypt_fail", value, "0");
if (!strcmp(value, "1")) {
/* wipe data if encryption failed */
SLOGE("encryption failed - rebooting into recovery to wipe data\n");
mkdir("/cache/recovery", 0700);
int fd = open("/cache/recovery/command", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0600);
if (fd >= 0) {
write(fd, "--wipe_data", strlen("--wipe_data") + 1);
close(fd);
} else {
SLOGE("could not open /cache/recovery/command\n");
}
cryptfs_reboot(1);
} else {
/* set property to trigger dialog */
property_set("vold.encrypt_progress", "error_partially_encrypted");
release_wake_lock(lockid);
}
return -1;
}
如果vold在加密过程中遇到错误，设置vold.encrypt_progress= “ error_partially_encrypted ”，并返回-1 。然后，UI显示消息说明加密失败，并为用户提供恢复出厂设置的按钮。
改变密码
改变磁盘加密的密码时，UI发送命令"cryptfs changepw" 给vold，vold用新的密码重新加密生成主密钥。