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5x04 - Android Virtualization Framework (AVF) ​

AVF 是 Android 13 引入的新特性，旨在提供比进程沙箱更强的隔离。

与传统"进程隔离"相比，虚拟化隔离的关键收益在于：

  • 隔离边界从"同一内核下的 domain"提升到"不同虚拟机上下文"
  • 内核被攻破后的横向扩展难度上升（取决于虚拟化层实现）

1. 核心组件 ​

1.1 pKVM (Protected KVM) ​

pKVM 是 AVF 的核心 hypervisor 组件，基于 Linux KVM 但做了关键的安全增强。

EL2 架构设计

ARM64 架构定义了多个异常级别（Exception Levels），pKVM 运行在 EL2（Hypervisor 级别）：

  • EL0：用户态应用
  • EL1：操作系统内核（Android/Linux）
  • EL2：Hypervisor（pKVM）
  • EL3：Secure Monitor

pKVM 的核心设计是将所有敏感的内存管理操作上移到 EL2。这意味着即使 EL1 的 host 内核被完全攻破，攻击者仍然无法直接访问 guest VM 的内存，因为这些映射由 EL2 独占管理。

Stage-2 页表隔离机制

传统 KVM 中，host 内核管理 guest 的 stage-2 页表。pKVM 改变了这一设计：

  • stage-2 页表完全由 EL2 hypervisor 管理
  • host 内核（EL1）无法直接修改 guest 的地址映射
  • hypervisor 维护独立的内存区域，对 host 和 guest 均不可见

这种架构确保了即使 host 内核存在漏洞，也无法篡改 guest 的内存视图。

Memory Sharing 与 Memory Donation

pKVM 实现了精细的内存状态管理：

Host 页状态Guest Stage-2 状态访问权限
MAPPABLESHAREDHost 和 Guest 均可访问
NOMAPOWNED仅 Guest 可访问
NOMAPSHAREDGuest 可访问，Host 无法映射
MAPPABLENOPAGE仅 Host 可访问

Memory Donation（内存捐赠）：host 将内存页"捐赠"给 guest，之后该页从 host 的地址空间解除映射，仅 guest 和 hypervisor 可访问。这是保护 guest 机密数据的关键机制。

Memory Sharing（内存共享）：在特定场景下（如 VirtIO 通信），需要建立共享内存区域。pKVM 通过 hypercall 接口严格控制这些转换，确保每次状态变更都经过 EL2 验证。

1.2 Microdroid ​

Microdroid 是一个精简的 Android 操作系统，运行在隔离的虚拟机中。

1.3 概念层组件 ​

  • Hypervisor 模式与隔离内存：为 guest 提供独立的物理内存视图
  • 设备虚拟化/半虚拟化：尽量减少复杂设备面在 guest 的暴露
  • 受控通信通道：host 与 guest 的 IPC/共享内存需要更严格的边界

2. Microdroid 详解 ​

Microdroid 是专为 pVM（Protected VM）设计的最小化 Android 系统。

2.1 最小化设计 ​

与完整 Android 系统相比，Microdroid 移除了大量组件：

  • 无 SystemServer
  • 无 HAL 服务层
  • 无 UI 框架
  • 无蓝牙/WiFi 等网络栈

保留的核心组件：

  • Linux 内核（精简配置）
  • init 进程（定制版）
  • 基础文件系统
  • VirtIO 驱动（用于 host/guest 通信）
  • 密钥管理相关服务

这种设计将攻击面降到最低，同时提供足够的运行时支持敏感计算任务。

2.2 启动流程与验证 ​

Microdroid 采用完整的验证启动链：

  1. Bootloader 验证：验证内核和 initramfs 的签名
  2. dm-verity 初始化：first stage init 读取 fstab.microdroid，为每个分区设置 dm-verity
  3. 根哈希验证：使用 Merkle 树验证分区完整性，根哈希由 bootloader 签名保护
  4. 运行时完整性：任何对系统分区的篡改都会导致哈希校验失败

如果任何验证步骤失败，VM 会拒绝启动或进入安全状态。

2.3 与主系统的隔离边界 ​

Microdroid 与 host 的交互受到严格限制：

  • 通信通道：仅通过 VirtIO（vsock）进行受控通信
  • 文件系统：无法访问 host 文件系统
  • 网络：默认无网络访问能力
  • 设备：无法访问物理硬件设备

3. pKVM 安全认证 ​

3.1 SESIP Level 5 认证 ​

Google 计划推动 pKVM 获得 SESIP（Security Evaluation Standard for IoT Platforms）认证（具体时间与结果待确认）。

3.2 认证的意义 ​

SESIP Level 5 认证要求：

  • 符合 EN-17927 标准
  • 通过 AVA_VAN.5 漏洞分析和渗透测试（ISO 15408 / Common Criteria 最高等级）
  • 能够抵御高技能、资源充足、有内部知识的攻击者

认证由 DEKRA 执行，包括：

  • 内核级代码审计
  • 专用工具开发进行安全分析
  • 模拟高级攻击场景的渗透测试

3.3 与其他 TEE 认证的对比 ​

传统 TEE（如 TrustZone 实现）的认证情况：

  • 许多厂商的 TEE 实现未经独立认证
  • 部分仅达到较低的安全保障级别
  • 认证范围往往有限（仅覆盖特定组件）

pKVM 基于开源代码，具有较高的透明度和可审计性，若获得认证将进一步增强其可信度。

4. 安全意义 ​

  • 隔离敏感计算: 将生物识别、密钥处理等逻辑从主系统剥离。
  • 防止内核提权: 即使主系统内核被攻破，攻击者也无法轻易跨越虚拟机边界访问 pKVM 保护的数据。

更细化的威胁模型理解：

  • 目标不是"消灭漏洞"，而是把高价值资产放到更难触达的域
  • 仍需面对 guest 内部漏洞、host/guest 通信面漏洞、以及虚拟化层本身漏洞

5. 安全攻击面分析 ​

5.1 Host/Guest 通信接口 ​

VirtIO 是 pVM 与 host 通信的主要机制：

  • vsock：虚拟套接字，用于 guest 与 host 的数据传输
  • virtio-blk：块设备虚拟化
  • virtio-console：控制台访问

每个 VirtIO 设备都是潜在的攻击面。攻击者可能尝试：

  • 构造畸形的 VirtIO 描述符
  • 触发 host 端驱动的解析漏洞
  • 利用共享内存区域的竞态条件

5.2 共享内存的安全风险 ​

共享内存区域存在固有风险：

  • TOCTOU（Time-of-check to time-of-use）：host 检查数据后、使用前，guest 可能修改
  • 信息泄露：共享内存可能残留敏感数据
  • 越界访问：错误的边界检查可能允许访问非共享区域

缓解措施包括：在 host 侧复制数据后再处理、严格验证所有来自 guest 的输入。

5.3 CVE-2025-22413 案例分析 ​

CVE-2025-22413 是一个 pKVM 中的 vCPU 状态管理漏洞，于 2025 年 3 月公开。

漏洞根因

位于 hyp-main.c 中的逻辑错误：内核可能运行一个不处于可运行 PSCI（Power State Coordination Interface）状态的 protected vCPU。

技术细节

  • vCPU 状态机未正确验证状态转换
  • 异常条件处理不当（CWE-703）
  • 可能导致本地信息泄露或权限提升

影响范围

  • 所有启用 pKVM 的 ARM64 Android 设备
  • CVSS 评分：4.0（中等）
  • 攻击需要本地访问，但无需额外权限

修复方案

补丁确保 protected vCPU 在运行前必须处于有效的可运行状态：

此案例说明即使是高度安全的 hypervisor 实现，状态管理逻辑仍是重要的审计目标。（注：此为近期 CVE，相关细节请以官方安全公告为准）

6. 典型使用场景 ​

  • 高价值密钥与加密操作
  • 生物识别相关逻辑
  • 机密 AI 推理（Confidential AI）
  • 需要处理不可信输入但希望更强隔离的组件

7. 研究与排查切入点 ​

7.1 确认设备是否启用 pKVM ​

检查内核命令行

bash
adb shell cat /proc/cmdline | grep kvm-arm

输出解读：

  • kvm-arm.mode=protected：pKVM 已启用（保护模式）
  • kvm-arm.mode=nvhe：KVM 运行在非保护模式
  • kvm-arm.mode=none：KVM 已禁用

检查系统属性

bash
adb shell getprop ro.boot.hypervisor.protected_vm.supported
adb shell getprop ro.boot.hypervisor.vm.supported

检查 KVM 设备节点

bash
adb shell ls -la /dev/kvm

7.2 边界面（host/guest 交互） ​

  • guest 暴露的接口集合
  • 共享内存/虚拟设备的数据契约
  • 权限与身份如何在边界上传递

7.3 日志与状态检查 ​

Host 侧日志

bash
adb logcat -b all | grep -i "virtualization\|pkvm\|microdroid"

Kernel 日志

bash
adb shell dmesg | grep -i kvm

VM 状态

bash
adb shell dumpsys virtualdevice

7.4 常见配置问题 ​

  • 设备不支持：部分旧设备或非 ARM64 设备不支持 pKVM
  • 固件配置：需要 bootloader 启用 hypervisor 支持
  • SELinux 策略：VirtualizationService 需要正确的 SELinux 上下文
  • 内存不足：pVM 需要预留足够的内存资源

参考 ​

AOSP 官方文档 ​

安全认证 ​

技术深入 ​

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