Android移動設(shè)備數(shù)據(jù)加密機制

陸繼翔 李映

摘 要：數(shù)據(jù)加密是企業(yè)級移動設(shè)備重要的功能，防止數(shù)據(jù)被未經(jīng)授權(quán)的用戶或應(yīng)用程序所訪問。谷歌從Android3.0開始提供磁盤加密解決方案。但它只對內(nèi)部存儲設(shè)備進(jìn)行加密。本文基于eCryptFS方法提出了對Android系統(tǒng)內(nèi)部和外部存儲設(shè)備都進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的整體方案，同時也提供了對Android應(yīng)用程序級的數(shù)據(jù)加密方法，提升了Android移動設(shè)備的安全性。

關(guān)鍵詞：Android；數(shù)據(jù)加密

1 引言

伴隨著Android等移動智能終端產(chǎn)品消費的流行，Android 的開放性帶來的各種風(fēng)險（安裝未知應(yīng)用軟件，刷第三方ROM，肆意的ROOT提權(quán)等行為）嚴(yán)重威脅到該平臺的安全。手機上的數(shù)據(jù)保護(hù)是用戶最為關(guān)心的問題，如短信、通話記錄、其它手機內(nèi)的私密信息等的安全性，用戶都非常擔(dān)心?；跀?shù)據(jù)安全性的考慮，谷歌從Android 3.0開始，在Android上提供磁盤加密解決方案。磁盤加密是保護(hù)信息的一種技術(shù)，它通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成不可讀的代碼，不易被未經(jīng)授權(quán)的人破譯。它是對磁盤物理扇區(qū)直接操作，加密一個磁盤或磁盤卷上的所有數(shù)據(jù)，安全性高。

2 Android磁盤加密解決方案

谷歌Android磁盤加密解決方案是基于dm-crypt方法，與其它創(chuàng)建加密文件系統(tǒng)的方法相比，dm-crypt方法有著無可比擬的優(yōu)越性：它的速度更快，易用性更強。除此之外，它的適用面也很廣，能夠運行在各種存儲塊設(shè)備上，即使這些設(shè)備使用了RAID和LVM也毫無障礙。dm-crypt方法之所以具有這些優(yōu)點，主要得益于該技術(shù)是建立在2.6版本內(nèi)核的device-mapper特性之上的。device-mapper是設(shè)計用來為在實際的塊設(shè)備之上添加虛擬層提供一種通用靈活的方法，以方便開發(fā)人員實現(xiàn)鏡像、快照、級聯(lián)和加密等處理。dm-crypt使用了內(nèi)核密碼，應(yīng)用編程接口實現(xiàn)了透明的加密。

dm-crypt具有動態(tài)加密的功能。動態(tài)加密（也稱實時加密，透明加密等，其英文名為encrypt on-the-fly），是指數(shù)據(jù)在使用過程中自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密操作，無需用戶的干預(yù)，合法用戶在使用加密的文件前，也不需要進(jìn)行解密操作即可使用，表面看來，訪問加密的文件和訪問未加密的文件基本相同，對合法用戶來說，這些加密文件是“透明的”，即好像沒有加密一樣，但對于沒有訪問權(quán)限的用戶，即使通過其它非常規(guī)手段得到了這些文件，由于文件是加密的，因此也無法使用。由于動態(tài)加密技術(shù)不僅不改變用戶的使用習(xí)慣，而且無需用戶太多的干預(yù)操作即可實現(xiàn)文檔的安全，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

Android磁盤加密解決方案遵循下面的步驟對Android設(shè)備上的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行加密：

⑴Android系統(tǒng)得到用戶的鎖屏密碼，然后執(zhí)行“cryptfs enablecrypto inplace”命令去調(diào)用VOLD。VOLD是VOLUME DAEMON的簡稱，它是負(fù)責(zé)大容量存儲設(shè)備掛載和刪除的守護(hù)進(jìn)程。

⑵如果VOLD進(jìn)程通過錯誤檢查，它將設(shè)置系統(tǒng)屬性vold.decrypt為“trigger_shutdown_framework”。這將導(dǎo)致init.rc停止主類和late_start系統(tǒng)類的服務(wù)。VOLD進(jìn)程然后停止并掛載外部設(shè)備SD卡，以及手機內(nèi)部的數(shù)據(jù)文件夾。

⑶VOLD進(jìn)程然后安裝一個tmpfs/data（128M字節(jié)的RAM磁盤），并設(shè)置系統(tǒng)屬性vold.decrypt為“trigger_restart_min_framework”。這將導(dǎo)致init.rc重新啟動主類的服務(wù)。Android系統(tǒng)將在用戶界面當(dāng)前屏幕上彈出進(jìn)度條，查詢當(dāng)前狀態(tài)并每5秒更新一下進(jìn)度條。

⑷VOLD進(jìn)程然后設(shè)置加密映射，它創(chuàng)建了一個虛擬的加密存儲設(shè)備塊映射到實際的存儲設(shè)備塊，每個扇區(qū)進(jìn)行加密時它是可寫的，而每個扇區(qū)解密時它是只讀的。

⑸VOLD進(jìn)程創(chuàng)建和寫入加密頁腳。然后VOLD進(jìn)程啟動一個循環(huán)來讀取實際設(shè)備塊的每個扇區(qū)，然后把它寫入加密的存儲設(shè)備塊。

⑹當(dāng)加密設(shè)備內(nèi)部存儲器中的所有文件已成功完成后，VOLD進(jìn)程重新引導(dǎo)系統(tǒng)。

3 摩托羅拉磁盤加密解決方案

雖然谷歌的Android磁盤加密解決方案保護(hù)了Android手機的內(nèi)存或閃存等內(nèi)部存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)，但對Android手機的外部存儲設(shè)備，如SD卡等卻無法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密保護(hù)。為了實現(xiàn)對Android手機外部存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，摩托羅拉提出了基于eCryptFS方法的磁盤加密解決方案，用于保護(hù)摩托羅拉Android智能手機內(nèi)部存儲設(shè)備和外部存儲設(shè)備如SD卡上的數(shù)據(jù)。

eCryptfs是在Linux內(nèi)核2.6.19版本中引入的一個功能強大的企業(yè)級加密文件系統(tǒng)，堆疊在其它文件系統(tǒng)之上（如 VFAT，YAFFS2，Ext2，Ext3等），為應(yīng)用程序提供透明、動態(tài)、高效和安全的加密功能。本質(zhì)上，eCryptfs就像是一個內(nèi)核版本的Pretty Good Privacy（PGP）[3]服務(wù)，插在VFS（虛擬文件系統(tǒng)層）和下層物理文件系統(tǒng)之間，充當(dāng)一個“過濾器”的角色。用戶應(yīng)用程序?qū)用芪募膶懻埱?，?jīng)系統(tǒng)調(diào)用層到達(dá)VFS層，VFS轉(zhuǎn)給eCryptfs文件系統(tǒng)組件（后面會介紹）處理，處理完畢后，再轉(zhuǎn)給下層物理文件系統(tǒng)；讀請求（包括打開文件）流程則相反。

eCryptfs的設(shè)計受到OpenPGP規(guī)范的影響，使用了兩種方法來加密單個文件：

⑴eCryptfs先使用一種對稱密鑰加密算法來加密文件的內(nèi)容，推薦使用AES-128算法，密鑰FEK（File Encryption Key）隨機產(chǎn)生。有些加密文件系統(tǒng)為多個加密文件或整個系統(tǒng)使用同一個FEK（甚至不是隨機產(chǎn)生的），這會損害系統(tǒng)安全性，因為：a.如果FEK泄漏，多個或所有的加密文件將被輕松解密；b.如果部分明文泄漏，攻擊者可能推測出其它加密文件的內(nèi)容；c.攻擊者可能從豐富的密文中推測FEK。

⑵顯然FEK不能以明文的形式存放，因此eCryptfs使用用戶提供的口令（Passphrase）、公開密鑰算法（如RSA算法）或 TPM（Trusted Platform Module）的公鑰來加密保護(hù)剛才提及的 FEK。如果使用用戶口令，則口令先被散列函數(shù)處理，然后再使用一種對稱密鑰算法加密FEK?？诹?公鑰稱為FEFEK（File Encryption Key Encryption Key），加密后的FEK則稱為 EFEK（Encrypted File Encryption Key）。由于允許多個授權(quán)用戶訪問同一個加密文件，因此EFEK可能有多份。

這種綜合的方式既保證了加密解密文件數(shù)據(jù)的速度，又極大地提高了安全性。它支持加密的文件名和目錄名。

eCryptFS是摩托羅拉Android內(nèi)核的一部分。啟用并配置為一個可加載的內(nèi)核模塊（CONFIG_ECRYPT_FS=M）。圖1為eCrypfs的架構(gòu)。

圖2描繪了摩托羅拉磁盤加密解決方案的所有主要Android系統(tǒng)組件之間調(diào)用關(guān)系。粉紅色表明是方案新引入的組件，藍(lán)色表明需要修改的Android組件，灰色表明已經(jīng)支持某些功能的Android組件，不用修改。

以加密文件系統(tǒng)的初始化過程為例，本文給出所涉及的組件之間的調(diào)用步驟，如圖3所示：

對于外部存儲設(shè)備SD卡，只有用戶在用戶界面上啟用了“加密SD卡”選項，摩托羅拉的磁盤加密解決方案才會對它進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，因為eCryptfs支持進(jìn)行動態(tài)加密，數(shù)據(jù)在使用過程中自動對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密操作，無需用戶的干預(yù)。圖4顯示了用戶啟用和禁用磁盤加密的內(nèi)部和外部SD卡的整個流程。

因為手機的閃存不能像SD卡一樣可以移動，摩托羅拉磁盤加密解決方案對Android智能手機的內(nèi)部存儲設(shè)備每個文件在/ data分區(qū)進(jìn)行加密。為了避免ANR（應(yīng)用程序長時間不相應(yīng)）和其它Android的性能問題，摩托羅拉的Android設(shè)備在進(jìn)入“系統(tǒng)恢復(fù)”模式后進(jìn)行加密操作，這樣沒有用戶交互和啟動Android ANR機制。然后設(shè)備將完成的所有文件進(jìn)行復(fù)制，并重新寫入eCryptfs加密的文件。

4 摩托羅拉應(yīng)用程序級加密解決方案

磁盤加密解決方案有一個不足：在手機安裝加載的加密存儲設(shè)備成功后，任何應(yīng)用都可以訪問存儲設(shè)備上的文件，當(dāng)文件被讀取時，解密操作是自動完成的。降低了數(shù)據(jù)安全性。因此，摩托羅拉還提供應(yīng)用程序級的加密解決方案。當(dāng)用戶啟用應(yīng)用程序級的加密，將不使用Android標(biāo)準(zhǔn)的SQL接口來讀取和寫入數(shù)據(jù)，而通過使用改進(jìn)的SQL接口對一些重要的應(yīng)用程序（日歷，聯(lián)系人，電子郵件）讀取和保存其數(shù)據(jù)。即通過使用一個FIPS140-2授權(quán)的加密庫，修改SQL接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后才寫入到應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)也將通過它被解密，從數(shù)據(jù)庫中讀取。

5 結(jié)論

本文對谷歌Android數(shù)據(jù)加密解決方案和摩托羅拉的數(shù)據(jù)加密解決方案進(jìn)行比較，如表1：

Android提供了一個基于dm-crypt的基本磁盤加密解決方案，它僅保護(hù)Android智能手機的內(nèi)部存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)，不提供對外部存儲設(shè)備如SD卡的數(shù)據(jù)保護(hù)。

摩托羅拉提供了基于eCryptfs的另一種磁盤加密解決方案，它能夠保護(hù)內(nèi)部存儲設(shè)備和外部存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)。摩托羅拉還提供了另一種應(yīng)用程序級加密解決方案，以提高某些特定的重要應(yīng)用程序的安全性。從而提升了整個Android移動設(shè)備的安全性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]吳劍華，莫蘭芳，李湘，Android用戶隱私保護(hù)系統(tǒng).《網(wǎng)絡(luò)信息安全》，2012年第09期.

[2]關(guān)于Android3.0實施加密的Android技術(shù)信息，2011，http：//source.android.com/tech/encryption/android_crypto_implementation.html.