Android Verified Boot介紹與有關使用

背景

在搞安卓驅動調試的時候，由於不熟悉，導致系統沒有按照我預期啟動完畢；因此需要注意這一塊的東西。

簡介

Verified Boot 是 Android 4.4 開始引入的一個新特性，作用是在系統啟動時校驗 system 分區是否被篡改。好處在於可以檢測到 system “發生過” 改動，比如用戶使用 root 軟件強行植入 su 文件，但最后刪除了 su， 這種情況也能檢測出來。一旦檢驗不過，系統就不能正常啟動，並且有相關的圖文提示，請參看：https://source.android.com/security/verifiedboot/index.html
Android 6.0 的 CDD 文檔，章節 9.10. Verified Boot 對該特性有詳細的描述。可知，在出廠搭載 Android 6.0 系統的設備上，如果硬件達到要求，是必須激活這一特性的。請參看：https://static.googleusercontent.com/media/source.android.com/en//compatibility/android-cdd.pdf

啟用

在編譯系統中開啟

在編譯系統中開啟簽名 boot.img 和 recovery.img功能：

build/target/product/verity.mk文件中添加：

PRODUCT_SUPPORTS_VERITY := true

修改device/qcom/msm8996/msm8996.mk文件：

PRODUCT_SPPORTS_VERITY := true

在開啟 LK 驗證開啟

在編譯系統中開啟 Boot 和 Recovery 功能：

Bootable/bootloader/lk/AndroidBoot.mk文件中：

ifeq($PRODUCT.$(INTERNAL_PRODUCT).PRODUCT_SUPPORTS_VERITY), true)
VERIFIED_BOOT := VERIFIED_BOOT = 1
else
VERIFIED_BOOT := VERIFIED_BOOT = 0
endif

在device/OEM/project_name/project_name.mk中添加：

PRODUCT_SUPPORTS_VERITY := truePRODUCT_SYSTEM_VERITY_PARTITION := /dev/block/bootdevice/by-name/system$(call inherit-product, build/target/product/verity.mk)PRODUCT_COPY_FILES += \frameworks/native/data/etc/android.software.verified_boot.xm:system/etc/permissions/android.software.verifie

在 device/OEM/project_name/fstab.qcom中添加verify標志：

/dev/block/bootdevice/by-name/system /system ext4 ro,barrier=1,discard wait,verify

簽名key

默認開發 key

包括公鑰和私鑰，它們位於：build/target/product/security/. 它們用來給 boot 和 recovery 簽名，以及驗證 system partition 的 metadata table.

它們的位置定義位於：build/target/product/verity.mk 文件中：

PRODUCT_VERITY_SIGNING_KEY := build/target/product/security/verity

Key 文件

作用說明：

build/target/product/security/verity.pk8 
– privatekey used to sign boot.img and system.imgverity.x509.pem 
– certificate include publickeyverity_key 
– publickey used indm verity forsystem.img

有些老的版本只有兩個key文件：

verity_private_dev_key 
– privatekey used to sign boot.img and system.imgverity_key 
– publickey used indm verity forsystem image

我們可以看到在 build/core/Makefile 文件中：

$(INSTALLED_BOOTIMAGE_TARGET): $(MKBOOTIMG) $(INTERNAL_BOOTIMAGE_FILES) $(BOOT_SIGNER)
    $(call pretty,"Target boot image: $@")
    $(hide) $(MKBOOTIMG) $(INTERNAL_BOOTIMAGE_ARGS) $(INTERNAL_MKBOOTIMG_VERSION_ARGS) $(BOARD_MKBOOTIMG_ARGS) --output $@
    $(BOOT_SIGNER) /boot $@ $(PRODUCT_VERITY_SIGNING_KEY).pk8 $(PRODUCT_VERITY_SIGNING_KEY).x509.pem $@
    $(hide) $(call assert-max-image-size,$@,$(BOARD_BOOTIMAGE_PARTITION_SIZE))

生成 OEM 自己的公鑰密鑰對

在 Linux 系統中，確保所安裝的 openssl 版本足夠新，可以參看： /build/target/product/security_releasekey/README 文件。

openssl versionOpenSSL 1.0.2d 9 Jul 2015
development/tools/make_key mykey ‘/C=US/ST=California/L=Mountain  View/O=Android/OU=Android/CN=Android/emailAddress=[e-mail]’

不用輸入密碼，然后 mykey.pk8 和 mykey.x509.pem 將會在當前目錄生成。

為DM-Verity 功能生成 verity key

生成 generate_verity_key

使用下面的命令來生成 verity key 的工具 generate_verity_key：

source build/envsetup.sh
choosecombo
make generate_verity_key (mmm system/extras/verity/)

將 *.x509.pem 轉換成 verity key

generate_verity_key 的代碼位於：system/extra/verity/generate_verity_key.c
generate_verity_key 的用法：generate_verity_key | -convert

out/host/linux-x86/bin/generate_verity_key -convert mykey.x509.pem verity_key

拷貝並重命名

拷貝mykey.pk8，mykey.x509.pem，verity_key.pub 至 build/target/product/security/ 目錄，將其重命名: verity.pk8， verity.x509.pem，verity_key ，並替換默認的開發 key。

生成 keystore

在 LK 里面，有兩個 keystore:

• oem_keystore: 編譯到 LK 里面，它定義在 /bootloader/lk/platform/msm_shared/include/oem_keystore.h 中。
• user_keystore: 存儲在”keystore”分區里面。
  LK 將使用 OEM keystore 來驗證 keystore 分區， 如果驗證通過， 將從里面讀取 user_keystore，然后用其驗證 boot.img 和 recovery.img。

Google 已經在后來的 release 里移除 user_keystore，不需要 keystore 分區。

使用system/extras/verity/keystore_signer, 它實際上是調用openssl 的一個腳本，所以也可以直接調用 openssl來實現。

keystore_signer <privatekey.pk8>  <crefificate.x509.pem> <outfile> <publickey0.der>

# 相當於：
openssl rsa -in mykey.pk8 -inform DER -pubout -outform DER -out mypub.der
java -Xmx512M -jar out/host/linux-x86/framework/KeystoreSigner.jar mykey.pk8 mykey.x509.pem keystore.img mypub.der

如果在沒有 pk8 格式的老版本上，則可以使用下面的命令：

keystore_signer <PRIVATE_KEY> <KEYSTORE_IMG> <RSA_PUBLIC_KEY_DER>
java -Xmx512M -jar out/host/linux-x86/framework/KeystoreSigner.jar verity_private_dev_key keystore.img mypub.der

通過上述命令獲取 keystore.img之后，可以通過fast boot來刷。

當然，如果沒有keystore分區，這步可以忽略

Fastboot flash keystore keystore.img

Oem_keystore可以通過下面的方法使用相同的key：

通過下面的腳本將keystore.img生成oem_keystore.h文件

function generate_oem_keystore_h() 
{ 
  echo \#ifndef __OEM_KEYSTORE_H 
  echo \#define __OEM_KEYSTORE_H 
  xxd -i $1 | sed -e 's/unsigned char .* = {/const unsigned char OEM_KEYSTORE[] = {/g' -e 's/unsigned int .* =.*;//g' 
  echo \#endif
}

將該oem_keystore.h文件拷貝到：bootable/bootloader/lk/platform/msm_shared/include

在 LK 中的代碼調用流程

• boot_linux_from_mmc
• boot_verifier_init
• verify_signed_bootimg -> boot_verify_image -> verify_image_with_sig

手機安全狀態

開啟 Verified Boot 功能的設備有三種安全狀態：locked, verified 和 unlocked。任何狀態的轉換都需要使用 fastboot 命令，同時也會擦除 /data 分區（分區置0），當手機啟動的時候，新的狀態才會改變，同時會將一個新的文件系統掛載到 /data。除此之外，安全狀態的改變用戶通過物理按鍵（開機鍵，音量上下鍵等）的方式來確認，另外，如果是轉換到 unlocked 狀態，需要在開發者選項者將 OEM unlock 打開（這步需要屏幕鎖驗證），同時通過 fastboot oem unlock 打開。

locked state

• 用戶不能使用 fastboot 命令下載或者擦除任何分區。
• boot 和 recovery 分區將會被 keystore 驗證 （從 LK 里面的 OEM keystore開始）。
• 唯一能使用的 fastboot 命令只有 fastboot oem unlock，但如果要使用該命令，還必須在開發者選項中將 OEM unlock打開（默認關閉）。

verified state

• 用戶可以使用 fastboot 命令來下載或者擦除特定的分區（bootable/bootloader/lk/app/aboot/aboot.c中的 critical_flash_allowed_ptn 結構體）。
• 不允許登記 keystore或者篡改 persisten data block。
• 對於使用用戶或者第三方軟件來來，這是個比較合適的狀態，特別是開發者需要頻繁地燒寫軟件。
• 如果使用了沒有被OEM簽名的 keystore，那需要處理開機時的警告信息。

unlock state

• 所有的 fastboot 命令都可以使用。
• 用戶 keystore 可以被登記或者擦除。
• 在這種狀態下，boot和recovery不會被驗證。同時開機時會有警告，需要按音量上鍵才能繼續啟動。

影響

• 軟件集成和 OTA 升級，必須使用 block 方式做包和升級，相關工程師需要注意在適配。
• 售后，用戶自行刷三方固件以及 root 檢測等。
• 開機速度和 performance, Idol 4S 上實測，從校驗開始到 system 分區掛載完成耗時 50 ms 以內，對開機 速度的影響可以忽略，當前沒有任何證據表明會影響 performance。
• 工程師日常開發調試。

注意事項

• 該功能在 eng 軟件上是關閉的，刷 eng 的 boot.img 不會受影響。
• 混刷 boot.img 和 system.img 會啟動不了，使能后的 userdebug 或 user 版本的 boot.img 搭配的 eng 版本的 system.img 或者未使能前的 system.img 會開不起來，因為生成時用的 key 不同。
• 可以通過開機后查看 system 分區的掛載信息來查看是否開啟了 Verified Boot 功能：

adb shell mount | grep /system

開啟顯示

/dev/block/dm-0 /system ext4 ro,seclabel,relatime,discard,data=ordered 0 0

關閉顯示

/dev/block/bootdevice/by-name/system /system ext4 ro,seclabel,relatime,discard,data=ordered 0 0

通常會使用 userdebug 軟件（或者刷 userdebug 版本的 boot.img) 來調試，但使能后，system 是無法掛載成 rw 狀態的，不能 push

$ adb root
Restarting adbd as root
$ adb remount
Reremount succeeded
$ adb shell mount | grep /systtem
/dev/block/dm-0 /system ext4 ro,seclabel,relatime,discard,data=ordered 0 0
$ adb push out/target/product/project_name/system/xbin/su /system/xbin/su
failed to copy 'out/target/product/project_name/system/xbin/su' to '/system/xbin/su': Read-only file system

在 userdebug 軟件（或者刷 userdebug 版本的 boot.img）有兩種方法可以關閉：

1、用 adb 命令，重啟后生效：

$ adb disable-verity
$ adb enable-verity

注意，如果重新刷 了 system.img 就要重新操作，因為關閉標志是寫在 system.img 尾部的。當啟用boot verity功能，一旦你修改了手機里的 system 分區，比如 push 進去一個 apk，再打開的話，手機會起不來。

2、替換 eng.img ，也可以修改 fstab.qcom 文件，重新編譯 userdebug 的 boot.img:

具體操作是修改 device/OEM/project_name/fstab.qcom文件，去掉 verify 標志，例如：

/dev/block/bootdevice/by-name/system    /system     ext4    ro,barrier=1,discard       wait,verify
/dev/block/bootdevice/by-name/system    /system     ext4    ro,barrier=1,discard       wait

• user 軟件沒有辦法，如果需要修改 system， 請刷 userdebug 或者 eng 的 boot.img。

• 舊版的 adb 可能不支持 disable-verity 和 enable-verity 命令，請更新到最新的 Android SDK，或者使用工程編譯出來的 adb (out/host/linux-x86/bin/adb)。