忽如一夜春風來，智能手機來到每個人的手上，我們用它支付、理財、娛樂、工作、記錄生活、存儲私密信息、乘坐公共交通、開啟家門、控制汽車...。智能手機是如此的重要，不知天天把它拿在手上的你,是否關心過它是否足夠安全。
本文從Secure Element（安全單元）說起，介紹手機設備上若干重要的安全角色和概念。為后續文章介紹如何基於手機安全地實現認證、支付、DRM等業務流程打下基礎。
SE（Secure Element）
按照Global Platform的定義：安全單元提供私密信息的安全存儲、重要程序的安全執行等功能。其內部組件包含有：CPU、RAM、ROM、加密引擎、傳感器等，大致如下圖所示：
外在表現上SE是一塊物理上獨立的芯片卡。從外在表現上可以分為三種：
- UICC 通用集成電路卡，由電信運營商發布和使用。就是大家購買手機號時的手機SIM卡；
- Embedded SE 雖然也是獨立的芯片，但普通用戶看不到，由手機制造廠商在手機出廠前集成在手機內部；
- Micro SD 以SD存儲卡的形式存在，通過插入SD卡槽集成到手機上。由獨立的SE制造商制造和銷售；
SE物理上獨立，采用安全協議與外部通訊。具有自己獨立的執行環境和安全存儲，軟件和硬件上防篡改。軟件通過簽名等方式防篡改很多人都了解，說下硬件防篡改，簡單說就是物理拆改SE，它會自毀。最簡單的硬件防篡改的例子，大家可以參考大家給自己車安裝車牌時所使用的單向螺絲和防盜帽。
SE固若金湯，但保存在其中的數據和程序需要有更新機制，這通過TSM（Trusted Service Manager）來實現，以保證安全。
SE不年輕了從19世紀70年代就開始發展，但它十分安全，是目前手機上最安全的技術措施。
NFC（Near-field Communication）
近場通信是一種短距高頻的無線電技術，在13.56MHz頻率運行於20厘米距離內，由非接觸式射頻識別（RFID，公交卡、校園一卡通、門禁卡等都采用RFID技術實現）演變而來，由飛利浦、諾基亞和索尼於2004年共同研制開發。目前已成為ISO/IEC IS 18092國際標准、EMCA-340標准與ETSI TS 102 190標准。
NFC設備有三種工作模式：
- 卡模擬模式（Card emulation mode）：這個模式其實就是相當於一張采用RFID技術的IC卡。可以替代現在大量的IC卡（包括信用卡）場合商場刷卡、IPASS、門禁管制、車票、門票等等。
- 讀卡器模式（Reader/Writer mode）：作為非接觸讀卡器使用，可用來實現給公交卡充值等功能。
- 點對點模式（P2P mode）：這個模式和紅外線差不多，可用於數據交換，只是傳輸距離較短，傳輸創建速度較快，傳輸速度也快些，功耗低（藍牙也類似）。將兩個具備NFC功能的設備鏈接，能實現數據點對點傳輸，如下載音樂、交換圖片或者同步設備地址薄。
三種工作模式中，卡模擬模式用途最為廣泛，可將用平時使用的各種卡通過手機模擬實現，從此出門不再帶卡。此種方式下，NFC芯片通過非接觸讀卡器的RF域來供電，即便是手機沒電也可以工作。
NFC設備若要進行卡片模擬（Card Emulation）相關應用，則必須內置安全單元（Security Element, SE）以保存重要隱私數據。可以說NFC給SE插上了翅膀，在NFC廣泛應用的今天，SE如此的重要，成為電信運營商（移動、聯通、電信等）、手機廠商（華為、小米等）、操作系統廠商（谷歌、蘋果等）的兵家必爭之地。
HCE（Host Card Emulation）
因為不涉及硬件制造，在SE的競爭過程中，操作系統廠商相對弱勢，確切的說是谷歌弱勢，因為蘋果既是操作系統廠商，也是手機廠商。
早期Goole Pay是基於SE實現的，但由於在SE生態環境中弱勢的競爭地位，導致Google Pay適配的機型少，難以發展。從Android 4.4開始，谷歌獨辟蹊徑在Android系統中提供了HCE服務，用來繞過SE直接控制NFC Controller。大概的模式如下圖所示：
HCE不在依賴設備上的SE模塊，只要有NFC芯片就可以實現支付等功能，但其實是無奈之舉。方便是方便了，有兩個主要缺點：一個是安全性有所降低，雖然可以使用白盒密碼、服務端token校驗等一系列手段來提升安全性，但相比SE，安全性降低到依賴Android OS，只要OS被攻破，HCE就無法保證安全；一個是費電，NFC Controller + SE的方案，可以在手機無電的情況下，使用NFC讀卡器的電磁信號供電。而HCE則必須在手機供電，OS正常工作甚至還要聯網的情況下才能使用。
相對的，因為對設備有這強的控制力，蘋果的Apple Pay是基於SE實現的，更安全一些。
TEE（Trusted Execution Environment）
SE千般好，除了慢。硬件隔離，獨立的計算和存儲資源，意味着SE的計算性能差、跟主機的數據傳輸速度也慢，這限制了SE的應用場景。與此同時，移動互聯網發展迅速，迫切需要一個更好的安全生態。因此TEE應運而生。
TEE是一個硬件安全執行環境，通常跟平時使用的Rich OS（Android等）共用同一個主處理器（CPU），提供了代碼和數據的安全防護、外置設備的安全訪問等功能。TEE具有自己的TEE OS，可以安裝和卸載執行其中的安全應用TA（TEE Application）。跟SE相比，是一個相對不那么安全，但運行速度更快、功能更豐富的安全環境。為所有支持TEE的手機，提供了操作系統之外的安全方案。
SE、TEE以及REE的對比：
| 對比項 | SE | TEE | REE |
|---|---|---|---|
| 安全級別 | 最高（硬件防篡改） | 高（硬件安全方案） | 普通 |
| 性能 | 差 | 高 | 高 |
| 是否在主處理器執行 | 否 | 是（極個別情況有獨立處理器） | 是 |
| 安全的外設訪問 | 不支持 | 支持 | 不支持 |
| 提供硬件證明 | 一定程度上提供 | 提供 | 不提供 |
| 軟件生態 | 較差 | 較好 | 極好 |
TEE的內部API和外部API都由Global Platform定義和發布。TEE得到了業界廣泛的支持，比如ARM在2006年就發布了ARM處理器下的TEE方案TrustZone，AMD、Intel、華為海思等，也有自己的TEE方案。
TEE廣泛應用在支付、身份認證、內容保護等領域。舉例來講，視頻廠商往往需要DRM（Digital rights management）系統來保護版權內容能夠順利得在用戶設備上播放，而不被泄露。TEE天然適合用來完成這種需求，其安全存儲的能力可以用來保存解密版權內容所需密鑰，這樣，TEE Application訪問可信的服務端獲取已加密的版權視頻后，使用安全密鑰解密，然后利用安全訪問外置設備的能力，鎖住顯卡和聲卡，將解密后的視頻送往顯卡和聲卡播放。整個過程中，不管是加密密鑰還是視頻內容都沒有離開過TEE，保護了版權視頻的安全。尤其值得一提的，因其鎖定外置設備的能力，想通過錄屏來竊取內容，也是不可能的。
Android Fingerprint
Android設備的指紋識別，依賴TEE來實現用戶指紋認證，要求指紋采集、注冊和識別都必須在TEE內部進行，已保證安全。
Android KeyStore
Android從4.0開始引入了KeyStore，開發者可以使用KeyStore API生成密鑰、使用密鑰簽名、使用密鑰加解密、獲取密鑰的屬性信息，但無法將密鑰本身從KeyStore中取出。因為密鑰不進入應用進程，這大大提高了密鑰的安全性。隨着Android版本更迭，KeyStore的實現不斷進化得更加安全，在有些設備上，不僅密鑰不進入應用進程，甚至不進入Android OS只存儲在TEE或SE中，接下來我們大概列舉下KeyStore的進化。
| Android 版本 | 新增的KeyStore能力 |
|---|---|
| 4.0 | 創世版本，密鑰使用用戶的passcde加密后存儲，支持RSA、ECDSA |
| 4.1 | 增加了使用安全硬件的基礎設施，在可能的情況下密鑰會被存儲到安全硬件中 |
| 6.0 | 增加支持AES、HMAC；增加了密鑰綁定用戶認證的能力，即可以指定某些密鑰，在每一次使用時，必須由用戶進行認證（指紋、passcode等） |
| 7.0 | 強制要求預裝7.0系統的設備必須擁有安全硬件並且支持基於安全硬件的KeyStore |
| 8.0 | 增加了設備證明（Key Attestation）能力，開發者可通過驗證Key Attestation的證書鏈，來確認密鑰的確保存在了安全硬件中 |
總結
能被業界接受的，就是好方案。