淺談Android手機(jī)取證中的全磁盤加密(FDE)破解方法

史向東 陳啟玲

摘要：全磁盤加密對(duì)Android智能手機(jī)取證帶來的影響非常明顯，特別是對(duì)基于芯片的物理取證，取證人員利用常規(guī)取證方式只能獲取到加密鏡像，且直接破解難度大、耗時(shí)長(zhǎng)。針對(duì)這一問題，本文通過深入研究Android手機(jī)FDE加密原理，結(jié)合帶有官方簽名的手機(jī)提權(quán)包，獲取手機(jī)明文鏡像，解決開啟了FDE的Android手機(jī)取證難題。

關(guān)鍵詞：Android手機(jī)取證;全磁盤加密;手機(jī)鏡像

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著智能手機(jī)普及，借助手機(jī)進(jìn)行犯罪的案件日漸上升，且越來越多的智能手機(jī)采用Android系統(tǒng)，因此針對(duì)Android手機(jī)的取證技術(shù)一直是電子取證工作中的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

2013年11月，F(xiàn)DE技術(shù)首次在Android 4.4中引入，并在Android 5.0中做了加密方式的更新。2015年5月，Google發(fā)布Android 6.0，強(qiáng)制要求開啟FDE加密（SecurityWeek News，2015）。FDE加密方式的引入，導(dǎo)致司法領(lǐng)域?qū)κ謾C(jī)數(shù)據(jù)取證的難度增加，通過常規(guī)方法獲取到的數(shù)字鏡像，解析后呈現(xiàn)亂碼狀態(tài)，引發(fā)了電子數(shù)據(jù)取證界對(duì)Android加密方式的探討。許多取證領(lǐng)域的專家學(xué)者和安全研究人員通過不同角度分析研究FDE技術(shù)，一定程度上解決了FDE取證難題。本文在綜合分析Android手機(jī)FDE工作原理的基礎(chǔ)上，也嘗試性地提出通過官方簽名包將手機(jī)提權(quán)，從而獲取明文鏡像的方法，解決對(duì)Android 5.0以后FDE加密手機(jī)的取證問題。

1研究綜述

關(guān)于對(duì)FDE加密手機(jī)的取證，當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要基于兩個(gè)層面進(jìn)行研究，一方面是如何突破FDE技術(shù)，另一方面則是在突破以后如何進(jìn)行明文數(shù)據(jù)獲取。本文研究的重點(diǎn)在于FDE的突破。當(dāng)前能夠檢索到的研究成果相對(duì)較少，主要集中在主機(jī)層面的FDE突破技術(shù)。2005年Dornseif、Becher和Klein通過FireWire從DMA中直接提取到RAM中磁盤加密密鑰，實(shí)現(xiàn)FDE的破解（Becher M.Dornseif M and Klein C N，2005）0 2009年Halderman等人提出冷啟動(dòng)攻擊（Cold Boot Attack），利用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的保持效應(yīng)，提取計(jì)算機(jī)RAM中的密鑰（Halderman J A，Schoen S D.Heninger N，et al.，2009）。針對(duì)主機(jī)FDE的研究日漸成熟，于是學(xué)者們提出將這些破密方法應(yīng)用在手機(jī)上的假設(shè)，有了意外收獲。2012年德國(guó)的Tilo Muller等人針對(duì)Android手機(jī)的FDE復(fù)現(xiàn)了通過冷啟動(dòng)攻擊，獲取內(nèi)存數(shù)據(jù)，破解開機(jī)密碼，最終得到明文數(shù)據(jù)的過程（Tilo M，Michael S and Freiling FC，2012）。由此得知，一些針對(duì)電腦FDE的攻擊對(duì)于Android的FDE也同樣適用。不過，真正意義上針對(duì)Android手機(jī)本身特陛分析，進(jìn)而破解FDE的研究，還要屬2016年安全研究員Gal Beniamini發(fā)現(xiàn)的基于高通驍龍?zhí)幚砥鞯穆┒?。該漏洞可以提取KeyMaster的密鑰，從而破解FDE（Smith，M.，2016）。以上提及的研究方法，對(duì)于解決FDE加密的破解研究具有一定的借鑒意義。

2FDE解決方案

2.1FDE工作原理

在Android 4.4以后，Android系統(tǒng)通過FDE技術(shù)來保護(hù)系統(tǒng)userdata分區(qū)。加密后，系統(tǒng)會(huì)在整個(gè)userdata分區(qū)尾部分配16KB的存儲(chǔ)空間用于存放加密參數(shù)（Encryption Parameters），加密的DEK（Encrypted DEK （Device EncIyption Key））、Salt、Key-Master Key Blob等元素（圖1）。該空間被稱為“Crypto Footer”。其中，DEK是由系統(tǒng)用戶的PIN或者密碼來加密的。其本身是采用AES-CBC-ESSIV：SHA256算法隨機(jī)生成的一個(gè)128位的主加密密鑰。它會(huì)結(jié)合一個(gè)128位的salt和“KeyMaster Key Blob”加密數(shù)據(jù)塊一同保護(hù)userdata分區(qū)。在“KeyMaster Key Blob”加密數(shù)據(jù)塊中，還包含了解密DEK所需的2048位RSA密鑰。通常，Android設(shè)備可大致分為兩個(gè)區(qū)域，即“非安全世界”和“安全世界”。Android操作系統(tǒng)稱為“非安全世界”，一個(gè)完全獨(dú)立于Android操作系統(tǒng)的可信執(zhí)行環(huán)境（Trusted Execution Environment， TEE）稱為“安全世界”。只有運(yùn)行在設(shè)備安全世界中的KeyMaster才能解密“KeyMaster Key Blob”加密數(shù)據(jù)塊。

從上述的FDE加密原理得知，整個(gè)FDE解密過程中，如果能夠通過解密數(shù)據(jù)塊獲取長(zhǎng)RSA密鑰，就有可以將DEK進(jìn)行解密，從而達(dá)到userdate分區(qū)解決的目的。FDE加密與一般加密相似，加密過程中都會(huì)使用一個(gè)密鑰文件作為媒介來加密數(shù)據(jù)。這里的密鑰文件指的就是“default_pass-word”，它是固定寫在“Crpto Footer”中的。當(dāng)手機(jī)開機(jī)后，Android會(huì)去讀取這個(gè)de-fault_password，并將它和存儲(chǔ)的Salt進(jìn)行scrypt處理后和KeyMaster Key Blob一起傳給運(yùn)行在處理器“安全世界”上的KeyMaster。KeyMaster會(huì)使用存儲(chǔ)在其中帶有的密鑰來對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行解密獲得RSA密鑰，然后使用scrypt處理過的default_password_salt和RSA密鑰，來制造一個(gè)RSA簽名，并將簽名發(fā)回給Android。之后，Android會(huì)使用一系列算法來處理這個(gè)簽名，并最終解密DEK，解鎖設(shè)備，如圖1所示。

2.2FDE破解思路

通過分析FDE的工作原理，不難發(fā)現(xiàn)用戶設(shè)置的鎖屏密碼僅作用于設(shè)備本身，并不會(huì)對(duì)內(nèi)部的加密性質(zhì)造成影響。當(dāng)用戶正常啟動(dòng)手機(jī)至鎖屏界面后，手機(jī)已經(jīng)完成了整個(gè)用戶數(shù)據(jù)的加密解密過程?；谶@一情況，本文嘗試性地考慮，先利用官方簽名包獲得手機(jī)root權(quán)限，再將手機(jī)重啟，確保手機(jī)可以正常啟動(dòng)至鎖屏界面，一旦成功進(jìn)入該界面，說明userdata分區(qū)已解密，此時(shí)再通過ADB工具，輸入dd命令就可能獲取到明文鏡像。

3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果檢驗(yàn)

本文以三星Galaxy S7 Edge作為測(cè)試設(shè)備，其出廠系統(tǒng)版本為Android 6.0，且未知手機(jī)鎖屏密碼。

首先，在手機(jī)Downloading模式下將官方簽名包刷人手機(jī)，獲得root權(quán)限。接著將手機(jī)重啟，進(jìn)入手機(jī)鎖屏界面。之后，通過ADB命令找到并打開手機(jī)內(nèi)的fstab.qcom文件，從forceen-crypt=footer參數(shù)可以看出手機(jī)強(qiáng)制加密，footer表明加密的信息存儲(chǔ)在userdata的尾部。若出現(xiàn)的參數(shù)是encryptable=footer則說明手機(jī)默認(rèn)是不加密的。

然后，通過輸入“getpropl grep crypt”命令，判斷手機(jī)的加密是否是FDE，得到結(jié)果如圖2所示。由圖中ro.crypto.state參數(shù)得知，該手機(jī)已加密。根據(jù)ro.crypto.type的參數(shù)值block，確認(rèn)其加密方式是FDE，若值為file，則說明加密方式是FBE。此外，通過解析Android源碼得知在同一部手機(jī)中只存在一種加密方式，進(jìn)一步確定測(cè)試設(shè)備為FDE加密。

最后，重啟手機(jī)，進(jìn)人手機(jī)鎖屏界面，通過dd命令獲取到鏡像。如果利用常見的電子取證分析軟件將鏡像包解析，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)獲取得鏡像是已解密后的數(shù)據(jù)。本文使用的是南京拓界信息技術(shù)有限公司的“響尾雀”手機(jī)極速取證系統(tǒng)的第三方數(shù)據(jù)解析功能，成功解析數(shù)據(jù)包，可以清晰看到解析后的相機(jī)數(shù)據(jù)已經(jīng)是明文數(shù)據(jù)（圖3）。

4結(jié)論及展望

由于用戶設(shè)置的鎖屏密碼不會(huì)影響系統(tǒng)加密性質(zhì)，當(dāng)用戶啟動(dòng)手機(jī)至鎖屏界面時(shí)，用戶數(shù)據(jù)已經(jīng)完成了解密，因此通過刷寫官方簽名包，獲取明文鏡像的方法可以成功獲取Android手機(jī)鏡像。當(dāng)前通過對(duì)三星S7、C8等機(jī)型測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該方法可行，具有操作簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也受機(jī)型復(fù)雜，不易找到官方簽名包的影響而具有局限性。