一种基于android系统软件安全的设计与实现

X神之怒

摘 要：针对目前手机的病毒多样化和种类的不断增加，提出一种基于android系统软件的arm trustzone technology，防止手机的系统软件篡改和恶意刷机，对编译后各个部分的软件进行签名和认证，以保证手机稳定安全。同时secure boot保证软件的安全运行，在此基础上DRM才能在SFS内获取安全的私钥等信息。
　　1 概述
　　目前市场上95%是基于安卓系统开发的，而android是一种基于linux的自由及开放源代码的操作系统。任何人都可以基于android的源代码来开发自己的应用程序和底层协议，同时也可以通过编译带病毒的APK来攻击手机的系统软件。
　　为了彻底解决手机的安全性问题，基于google android trustzone技术提供了一套基于system-on-a-ship（SOC）的配置和设计。此方案是硬件级别的安全。首先通过对编译的文件进行签名，签名的文件中存在烧写的SHA256位的密码，然后对ROM的OTP寄存器进行烧写，在启动的过程中会对编译的文件进行验证，只有SHA256的密码匹配了，手机才能正常启动。此方案从底层的硬件级别对手机进行了安全保护，只有经过验证通过的文件才能加载，极大的增强了手机的安全性。
　　2 Secure boot的原理

　　图2.1 Secure boot原理
　　在对image文件进行签名的时候，会有一个用户的私钥以及用户鉴别的公钥，当用户签名后，会有这二个key存在，整个签名过程可分解如下：
　　①用户通过CSMS产生签名要使用的私钥以及证书链，该证书链包含有三个证书，主要作用是对证书中包含的公钥及软件信息的签名认证。
　　②通过SHA256算法对编译后的各部分image部分进行哈希值摘要提取，此主要分为2个步骤，第一步仅仅是对image做出hash提取，第二步则结合该image的MSM_ID、OEM_ID等对其在做一次SHA256算法提取生成Flash Hash Digest。
　　③用步骤1中的私钥对产生的哈希摘要进行加密生成签名。
　　④将生成的image签名和证书链链接到原来的文件中，生成签名的image文件。
　　⑤在该软件加载和认证阶段，会使用公钥对证书链及签名内容进行相应的解密，将证书中包含的软件版本信息和MSM_ID信息与QFPROM中的响应值对比，同时再次通过SHA256算法对code部分进行哈希摘要提取，与解密后的签名进行对比，验证通过后才可以加载。
　　在芯片设备中OTP寄存器中存储有签名用到的PUBLIC_KEY，在用户签名的image中含有PRIVATE_KEY.在启动的过程中，PUBLIC_KEY会对签名后的文件进行解密。包括对签名文件的证书信息进行验证。如用存储在证书上该软件的版本号，MSM_ID等信息与之前用户烧录在芯片中的FUSE中对应内容进行验证，确认无误后，在对文件中的code部分进行哈希校验，确保源代码没有被篡改，成功后，启动流程后才能顺利地往下执行。
　　3 Secure boot流程
　　要使能secure boot要进行以下工作，第一步，要对使能熔丝，就是烧写QFPROM寄存器。第二步，修改软件代码，把手机的厂商ID，产品ID等配置信息写入寄存器，用fastboot烧写进寄存器。第三步，对编译出来的image文件进行签名。
　　3.1 熔丝
　　为了保证熔丝后可以顺利运行我们的软件，我们需要熔一系列的寄存器。有secureboot的使能脚，是使能控制的一个GPIO控制脚（AUTH_EN），使能OEM 和产品ID（OEM_HW_ID，OEM_PRODUCT_ID），同时使能root key，即使能根密钥签名image文件。
　　3.2 烧写代码
　　SBL1里面已经有封装好的可供烧录的接口函数boot_qfprom_signal_test函数，底层函数实现在trustzone里面。在熔丝的过程中，要增加判断，如果读寄存器已经熔丝，就不再熔丝。在SBL1中熔丝，首先要通过算法去生成值，然后通过工具烧写进去。烧录生成的时序，即流程中对应的关键函数，读fuse接口的函数。
　　3.3 image签名
　　签名换件的搭建和证书生成软件，需要通过openssl软件，对qpsa.zip文件解压，执行openssl指令来生成QPSA签名所需要的证书及私钥文件。同时配置gensecimage.cfg文件，设定好存储路径，签名的格式及输出目录。执行python指令可以执行gensecimage.cfg文件生成相关的文件。
　　4 总结
　　Secure boot目前广泛应用于各大手机厂商中，尤其能为目前的支付宝、微信支付等支付业务提供更大的安全环境。这是一项硬件级别的安全框架，能提供高级别的安全。
　　参考文献：
　　[1]（美）波特编著.LINUX设备驱动程序 中文第三版[M].中国电力出版社，2012.4.
　　[2]Android5.0源代码.
　　作者简介：
　　王晶（1990-），男，汉族，湖南邵阳人，重庆邮电大学，硕士研究生，研究方向：移动通信。