6x03 - Hardware-backed Keystore
Android Keystore 允许应用在硬件中生成和存储密钥。
Keystore 的核心安全承诺是：
- 密钥材料不以明文形式暴露给普通用户态进程
- 加解密等关键操作在受保护环境内完成（TEE 或安全芯片）
- 可对外提供"可验证的证明"（attestation）
1. 架构概述
1.1 Keystore 架构演进
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Android KeyStore API ││
│ │ (java.security.KeyStore) ││
│ └──────────────────────────┬──────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┼───────────────────────────────────┘
│ Binder IPC
┌─────────────────────────────▼───────────────────────────────────┐
│ 系统服务层 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ keystore2 服务 ││
│ │ (Android 12+, Rust 实现) ││
│ │ ││
│ │ 职责: 密钥访问控制, 数据库管理, 加密 blob 存储 ││
│ └──────────────────────────┬──────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┼───────────────────────────────────┘
│ HIDL/AIDL
┌─────────────────────────────▼───────────────────────────────────┐
│ HAL 层 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ KeyMint HAL (Android 12+) ││
│ │ 或 Keymaster HAL (旧版) ││
│ └──────────────────────────┬──────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┼───────────────────────────────────┘
│ TEE 通信 (SMC/共享内存)
┌─────────────────────────────▼───────────────────────────────────┐
│ 安全环境 │
│ ┌─────────────────────┐ ┌────────────────────────────────────┐│
│ │ TEE (TrustZone) │ │ StrongBox (安全芯片) ││
│ │ - OP-TEE TA │ │ - 独立 MCU ││
│ │ - QSEE TA │ │ - 物理隔离 ││
│ │ - Trusty TA │ │ - 抗物理攻击 ││
│ └─────────────────────┘ └────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘1.2 Keymaster vs KeyMint
| 特性 | Keymaster (≤Android 11) | KeyMint (≥Android 12) |
|---|---|---|
| 接口 | HIDL | AIDL (Stable AIDL) |
| 版本 | 4.0, 4.1 | 1.0, 2.0, 3.0 |
| 新功能 | - | ECDH, 曲线25519, 密钥升级 |
| 实现语言 | C++ | Rust (HAL 层可选) |
1.3 密钥存储结构
c
// 密钥 Blob 结构 (概念模型)
struct keymaster_key_blob {
// 版本与算法信息
uint32_t key_material_version;
keymaster_algorithm_t algorithm;
// 加密的密钥材料
// 使用 Hardware Root Key (HRK) 派生的 KEK 加密
encrypted_key_material_t material;
// 密钥特性 (认证数据)
keymaster_key_param_set_t hw_enforced; // 硬件强制执行
keymaster_key_param_set_t sw_enforced; // 软件强制执行
// HMAC 完整性保护
uint8_t hmac[32];
};
// 密钥永远不以明文形式离开 TEE/StrongBox
// 应用只获得加密的 blob，解密密钥在硬件内部2. 密钥认证 (Key Attestation)
2.1 认证流程
应用 Keystore TEE/StrongBox
│ │ │
│ 1. 生成密钥 + 认证请求 │ │
│ (附带 challenge) │ │
│───────────────────────>│ │
│ │ 2. 转发到安全环境 │
│ │───────────────────────>│
│ │ │
│ │ 3. 生成密钥 │
│ │ 4. 生成认证链 │
│ │ - 设备状态 │
│ │ - 启动状态 │
│ │ - 密钥属性 │
│ │<───────────────────────│
│<───────────────────────│ │
│ 5. 返回证书链 │ │
│ │ │
│ 6. 发送到服务器验证 │ │
│─────────────────────────────────────────────────>2.2 证书链结构
Google Root CA
│
▼
Google Intermediate CA
│
▼
Device Attestation Key (厂商预置)
│
▼
Key Attestation Certificate (每个密钥生成)
│
包含:
├── 密钥属性 (算法、用途、用户认证要求)
├── 设备信息
│ ├── attestationSecurityLevel (SOFTWARE/TEE/STRONGBOX)
│ ├── verifiedBootState (Verified/SelfSigned/Unverified/Failed)
│ ├── deviceLocked (true/false)
│ └── osVersion, osPatchLevel
└── challenge (防重放)2.3 Attestation Extension 解析
java
// ASN.1 结构 (简化)
KeyDescription ::= SEQUENCE {
attestationVersion INTEGER,
attestationSecurityLevel SecurityLevel,
keymasterVersion INTEGER,
keymasterSecurityLevel SecurityLevel,
attestationChallenge OCTET STRING,
uniqueId OCTET STRING,
softwareEnforced AuthorizationList,
teeEnforced AuthorizationList,
}
// SecurityLevel 枚举
SecurityLevel ::= ENUMERATED {
Software (0), // 纯软件实现，最弱
TrustedEnvironment (1), // TEE，中等
StrongBox (2), // 安全芯片，最强
}解析示例：
java
// Java 代码解析 attestation 证书
import android.security.keystore.KeyGenParameterSpec;
import java.security.cert.X509Certificate;
// 生成带 attestation 的密钥
KeyGenParameterSpec spec = new KeyGenParameterSpec.Builder(
"key_alias",
KeyProperties.PURPOSE_SIGN)
.setAttestationChallenge(challenge) // 服务器提供的随机数
.setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
.build();
// 获取证书链
Certificate[] chain = keyStore.getCertificateChain("key_alias");
X509Certificate attestationCert = (X509Certificate) chain[0];
// 解析 attestation extension (OID: 1.3.6.1.4.1.11129.2.1.17)
byte[] extensionData = attestationCert.getExtensionValue(
"1.3.6.1.4.1.11129.2.1.17");
// 使用 ASN.1 解析库解析具体字段3. 安全机制
3.1 用户认证绑定
java
// 生成需要用户认证的密钥
KeyGenParameterSpec spec = new KeyGenParameterSpec.Builder(
"auth_bound_key",
KeyProperties.PURPOSE_SIGN | KeyProperties.PURPOSE_VERIFY)
.setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
// 认证绑定配置
.setUserAuthenticationRequired(true)
.setUserAuthenticationValidityDurationSeconds(30) // 30秒内有效
// 或者
.setUserAuthenticationParameters(
0, // 每次使用都需认证
KeyProperties.AUTH_BIOMETRIC_STRONG | KeyProperties.AUTH_DEVICE_CREDENTIAL)
.setInvalidatedByBiometricEnrollment(true) // 新增指纹时失效
.build();
// 使用密钥前需要先通过 BiometricPrompt 认证认证绑定类型：
| 类型 | 描述 | 安全级别 |
|---|---|---|
| 无绑定 | 任何时候都可使用 | 低 |
| 时间窗口 | 认证后 N 秒内可用 | 中 |
| 每次使用 | 每次操作都需认证 | 高 |
| 解锁状态 | 设备解锁时可用 | 中 |
3.2 绑定与限制
java
// 其他密钥限制
KeyGenParameterSpec.Builder builder = new KeyGenParameterSpec.Builder(...)
// 用途限制
.setKeyValidityStart(startDate)
.setKeyValidityEnd(endDate)
// 加密操作限制
.setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
.setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
// 密钥不可导出 (默认)
// 无法调用 getKey() 获取原始密钥材料
// 绑定到安全硬件
.setIsStrongBoxBacked(true) // 要求 StrongBox
// 防回滚
.setMaxUsageCount(10); // 最多使用 10 次4. 攻击面与漏洞
4.1 历史漏洞
CVE-2024-29779: KeyMint 设备保护绕过
漏洞类型: 逻辑漏洞
影响: 绕过设备保护机制
攻击场景:
1. 攻击者找到 KeyMint 服务中的边界检查漏洞
2. 绕过正常的访问控制检查
3. 可能导致未授权的密钥操作
修复: 2024 安全补丁更新CVE-2025-20655: Keymaster 越界读取
漏洞类型: OOB Read
影响: 信息泄露
攻击原理:
- Keymaster 服务在处理某些请求时
- 未正确验证输入长度
- 可能读取敏感内存区域
修复: 2025 年 4 月安全更新CVE-2024-45445: Keystore 资源泄露
漏洞类型: 资源耗尽
影响: 拒绝服务
攻击原理:
- Keystore 模块未正确释放资源
- 重复触发可导致系统不稳定4.2 攻击向量分析
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Keystore 攻击面 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 1. 应用层攻击 │
│ ├── Keystore API 滥用 (权限/参数) │
│ ├── 应用漏洞导致密钥泄露 │
│ └── 时序攻击推断密钥属性 │
│ │
│ 2. 系统服务层攻击 │
│ ├── keystore2 服务漏洞 (Binder 接口) │
│ ├── SELinux 策略绕过 │
│ └── 数据库/Blob 存储漏洞 │
│ │
│ 3. HAL 层攻击 │
│ ├── KeyMint HAL 实现漏洞 │
│ ├── AIDL 解析漏洞 │
│ └── 共享内存处理问题 │
│ │
│ 4. TEE 攻击 │
│ ├── Trustlet 漏洞 (见 TrustZone 章节) │
│ ├── TEE OS 漏洞 │
│ └── 硬件侧信道 │
│ │
│ 5. 物理攻击 (针对 StrongBox) │
│ ├── 故障注入 │
│ ├── 功耗分析 │
│ └── 电磁分析 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘4.3 常见漏洞模式
认证绕过：
java
// 漏洞: 认证检查在软件层而非硬件层
// 如果 HAL 实现有问题，可能绕过认证要求
// 攻击者研究方向:
// 1. 检查 hw_enforced vs sw_enforced 的差异
// 2. 认证状态的传递是否完整
// 3. 时间窗口的实现是否安全Attestation 伪造：
java
// 攻击目标: 伪造或修改 attestation 证书链
// 目的: 欺骗服务器，使其信任不安全的设备
// 研究方向:
// 1. 设备证书密钥是否可提取
// 2. attestation 生成过程是否有漏洞
// 3. 验证方是否正确检查整个证书链密钥材料泄露：
c
// 漏洞模式: 内存处理不当
// 示例: 未清零临时缓冲区
void process_key(key_blob_t *blob) {
uint8_t temp_key[32];
decrypt_key(blob, temp_key);
use_key(temp_key);
// 漏洞: 未清零 temp_key
// return; // temp_key 残留在栈上
// 正确做法:
memset_s(temp_key, sizeof(temp_key), 0, sizeof(temp_key));
}5. 安全研究方法
5.1 检查设备 Keystore 能力
bash
# 检查支持的算法和安全级别
adb shell dumpsys keystore2 | grep -E "SecurityLevel|Algorithm"
# 检查 KeyMint 版本
adb shell service list | grep keymint
adb shell getprop ro.hardware.keystore
# 检查 StrongBox 支持
adb shell pm has-feature android.hardware.strongbox_keystore
# 查看 Keystore 错误日志
adb logcat -s keystore2 keymint keymaster5.2 Frida Hook 示例
javascript
// Hook KeyStore API 监控密钥操作
Java.perform(function() {
var KeyStore = Java.use("java.security.KeyStore");
KeyStore.getEntry.overload(
'java.lang.String',
'java.security.KeyStore$ProtectionParameter'
).implementation = function(alias, param) {
console.log("[KeyStore] getEntry called: " + alias);
var result = this.getEntry(alias, param);
console.log("[KeyStore] Entry type: " + result.getClass().getName());
return result;
};
// Hook KeyGenParameterSpec 查看密钥生成参数
var KeyGenParameterSpec = Java.use(
"android.security.keystore.KeyGenParameterSpec");
var Builder = Java.use(
"android.security.keystore.KeyGenParameterSpec$Builder");
Builder.build.implementation = function() {
console.log("[KeyGen] Building KeyGenParameterSpec");
console.log(" Alias: " + this.mKeystoreAlias.value);
console.log(" Purposes: " + this.mPurposes.value);
console.log(" UserAuthRequired: " + this.mUserAuthenticationRequired.value);
return this.build();
};
});5.3 审计 Checklist
| 检查项 | 问题 | 风险级别 |
|---|---|---|
| 安全级别 | 密钥是否真的硬件支持？可能是软件实现 | 高 |
| 认证绑定 | 敏感密钥是否要求用户认证？ | 高 |
| 证书验证 | Attestation 是否正确验证完整链？ | 高 |
| 算法选择 | 是否使用已知弱算法？ | 中 |
| 错误处理 | 错误信息是否泄露敏感状态？ | 中 |
| 密钥有效期 | 是否设置合理的过期时间？ | 低 |
| 用途限制 | PURPOSE 是否最小化？ | 低 |
6. 实际案例
6.1 正确的密钥使用模式
java
// 用于设备绑定认证的密钥
public class SecureKeyManager {
private static final String KEY_ALIAS = "device_auth_key";
public void generateKey(byte[] challenge) throws Exception {
KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance(
KeyProperties.KEY_ALGORITHM_EC, "AndroidKeyStore");
kpg.initialize(new KeyGenParameterSpec.Builder(
KEY_ALIAS,
KeyProperties.PURPOSE_SIGN)
// 强制使用 TEE 或 StrongBox
.setIsStrongBoxBacked(true) // 优先 StrongBox
// 用户认证绑定
.setUserAuthenticationRequired(true)
.setUserAuthenticationParameters(
0, // 每次使用需要认证
KeyProperties.AUTH_BIOMETRIC_STRONG)
// 算法配置
.setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
.setAlgorithmParameterSpec(
new ECGenParameterSpec("secp256r1"))
// Attestation
.setAttestationChallenge(challenge)
.build());
KeyPair kp = kpg.generateKeyPair();
}
public byte[] sign(byte[] data) throws Exception {
// 需要先通过 BiometricPrompt 认证
BiometricPrompt.CryptoObject cryptoObject =
new BiometricPrompt.CryptoObject(getSignature());
// ... 显示认证对话框 ...
// 认证成功后签名
Signature sig = Signature.getInstance("SHA256withECDSA");
KeyStore ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
ks.load(null);
sig.initSign((PrivateKey) ks.getKey(KEY_ALIAS, null));
sig.update(data);
return sig.sign();
}
}6.2 服务端 Attestation 验证
python
# Python 服务端验证 attestation 证书链
from cryptography import x509
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
def verify_attestation(cert_chain_pem, challenge):
"""验证 Android Key Attestation"""
# 解析证书链
certs = []
for cert_pem in cert_chain_pem:
cert = x509.load_pem_x509_certificate(
cert_pem.encode(), default_backend())
certs.append(cert)
# 验证链完整性
# 1. 验证签名链
# 2. 验证根证书是 Google Root
# 解析 Attestation Extension
attestation_cert = certs[0]
ext = attestation_cert.extensions.get_extension_for_oid(
x509.ObjectIdentifier("1.3.6.1.4.1.11129.2.1.17"))
# 解析 ASN.1 结构
attestation = parse_key_description(ext.value.value)
# 关键检查
checks = {
# 检查 challenge 匹配
"challenge_match": attestation.challenge == challenge,
# 检查是否硬件支持
"hw_backed": attestation.attestation_security_level >= 1,
# 检查设备状态
"device_locked": attestation.tee_enforced.get("deviceLocked", False),
"verified_boot": attestation.tee_enforced.get("verifiedBootState") == "Verified",
# 检查 OS 补丁级别
"patch_level": attestation.tee_enforced.get("osPatchLevel", 0) >= MIN_PATCH,
}
return all(checks.values()), checks