一種防止冷啟動攻擊的u盤加密密鑰存放方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Android系統(tǒng)的U盤加密密鑰存放方法，特別涉及一種防止冷啟 動攻擊的U盤加密密鑰內(nèi)存存放方法，屬于數(shù)據(jù)安全技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] Android操作系統(tǒng)是目前智能設(shè)備上最主流的操作系統(tǒng)。而Android設(shè)備的安全 性問題也越來越嚴重。自Android3.0以來，Google為其添加了一些簡單的加密功能。自 Android4.0以來，Android系統(tǒng)可以對設(shè)備的整個分區(qū)進行加密，用戶可以選擇對設(shè)備的 整個存儲部件（例如用戶數(shù)據(jù)分區(qū)，SD卡等）上的數(shù)據(jù)進行加密，從而防止繞過屏幕鎖的 針對性的攻擊，保護用戶的敏感信息。Android設(shè)備在加密這些數(shù)據(jù)時是使用AES加密算 法的。AES(AdvancedEncryptionStandard，高級加密標準）是目前對稱密鑰加密中最流 行的算法之一，其加密數(shù)據(jù)區(qū)塊長度固定為128比特，密鑰長度則可以是128,192或256比 特。
[0003] 在Android4. 0發(fā)布之后，存儲在Android設(shè)備中的數(shù)據(jù)將經(jīng)過AES加密，因此， 除非能強行破解屏幕鎖，否則司法部門和企業(yè)IT人員也無法獲取其中的數(shù)據(jù)。然而，如果 可以獲得AES的加密密鑰，通過拷貝存儲器上的數(shù)據(jù)并解壓縮，就可以得到用戶的個人數(shù) 據(jù)。Mueller等研宄人員通過"FROST"冷啟動攻擊，即一種通過冷凍手機并快速重啟手機并 從手機RAM中根據(jù)啟發(fā)式算法尋找AES加密密鑰的攻擊，便能從智能手機的RAM中提取出 磁盤加密密鑰。這種攻擊方法利用了RAM的剩磁效應(yīng)，溫度越低，剩磁效應(yīng)越明顯。其攻擊 過程如圖1所示，首先，將手機的溫度降低到1-15度，然后打開后蓋，扣掉電池并迅速裝回 去，按住特殊按鍵進入Fastboot模式，然后刷入FROST恢復(fù)鏡像，然后重啟至Recovery模 式，就可以使用其工具尋找到AES加密密鑰，進而獲得手機中用戶數(shù)據(jù)。
[0004] 普通的Android內(nèi)核使用AES加密U盤的方式為，首先在RAM中申請一段空閑空 間，將AES加密算法信息結(jié)構(gòu)體存放在里頭，然后將密鑰和加密初始向量寫入到信息結(jié)構(gòu) 體中，然后調(diào)用內(nèi)核中的加密API對U盤中的數(shù)據(jù)進行加密，加密完成后將信息結(jié)構(gòu)體空間 釋放。由于申請到的加密算法信息結(jié)構(gòu)體的空間在內(nèi)存中位置是隨機的，因此遍歷整個RAM 即可找到AES加密密鑰，其流程圖如圖2。
[0005] 針對這種攻擊方式，JohannesGotzfried等人提出了一種完全使用CPU內(nèi)部寄存 器進行AES加密的方式（ARMORED)以避免被上述冷啟動攻擊破解。ARMORED是在ARM上運 行AES加密算法而不涉及RAM。在智能手機的整個運行過程中，密鑰，密鑰調(diào)度和AES的所 有中間值被完全單獨存儲在CPU多媒體寄存器組NEON中。然而，為了避免將中間值（特別 是輪密鑰）存儲在內(nèi)存中，經(jīng)常要為新的輸入模塊重新計算AES的中間值。因此其加密效 率有所降低。同時，此加密算法不能被中斷，否則可能會產(chǎn)生副作用（如上下文切換的導(dǎo)致 寄存器中內(nèi)容被移動到RAM中），導(dǎo)致算法失效，冷啟動攻擊即可獲得加密密鑰。
[0006] 綜上可知，現(xiàn)有的Android系統(tǒng)的AES加密算法實現(xiàn)不能完全不被冷啟動攻擊所 破解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為解決上述缺陷，提出一種防止冷啟動攻擊的U盤加密密鑰內(nèi)存 存放方法。
[0008] 任何在手機中運行的進程，都需要使用手機的內(nèi)存RAM，即使是完全使用CPU內(nèi)部 寄存器進行數(shù)據(jù)加密的方法和冷啟動攻擊本身。完全使用CPU內(nèi)部寄存器進行數(shù)據(jù)加密方 法也需要將需要加密的數(shù)據(jù)和加密后的數(shù)據(jù)等存放在內(nèi)存中，冷啟動攻擊本身也需要一定 的內(nèi)存，更普遍的，這兩個程序都是運行在Android系統(tǒng)中的，而Android系統(tǒng)本身也需要 使用RAM。因此，對于冷啟動攻擊，如果將加密算法的加密密鑰存放在冷啟動攻擊及其上下 文執(zhí)行環(huán)境所需要使用的那段內(nèi)存中，當冷啟動攻擊將要執(zhí)行時，便將原來的加密算法的 密鑰覆蓋，冷啟動攻擊便無法找到密鑰。
[0009] 因此，首先需要找到冷啟動攻擊必須使用的物理內(nèi)存，使之加載時覆蓋加密密鑰。 在冷啟動攻擊中，該Android可加載內(nèi)核模塊運行時需要申請一段內(nèi)存空間，而此內(nèi)存空 間是由內(nèi)核分配的，其物理位置不固定，因此無法將加密密鑰保存在冷啟動攻擊進程需要 的內(nèi)存RAM中。
[0010] 在安裝有Android系統(tǒng)的設(shè)備中，有若干種不同的啟動模式，正常模式進入我們 常見的系統(tǒng)，Recovery模式進入恢復(fù)模式。而冷破解的方法便是通過Recovery模式進行破 解的。無論是正常啟動還是Recovery模式啟動，首先需要啟動的是Bootloader。Android在 啟動時，在設(shè)備加電之后，首先從NorFlash開始運行，將自身代碼搬到CPU內(nèi)部的RAM中， 然后初始化各種硬件，然后將Boot分區(qū)中或者Recovery分區(qū)中的鏡像解包，將Linux內(nèi)核 解壓縮到內(nèi)存中，并且把需要傳遞的內(nèi)核參數(shù)拷貝到RAM的固定位置。然后跳到RAM中的 內(nèi)核處去啟動Linux內(nèi)核。
[0011] 從上述Android系統(tǒng)的初級啟動階段可以看到，在Android系統(tǒng)啟動時，將會把 內(nèi)核解壓到RAM中固定位置，然而，內(nèi)核代碼是一直貯存在內(nèi)存中的，如果在運行時修改， 極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。同時也可看到，啟動時，Bootloader將會把啟動命令行參數(shù)拷貝 到RAM中固定的位置，而這個命令行參數(shù)在內(nèi)核啟動之后便不再使用，因此可以考慮將加 密密鑰保存在RAM中存放命令行參數(shù)的位置。這樣，在每次系統(tǒng)啟動時，包括正常模式或者 Recovery模式，加密算法的密鑰將會被命令行參數(shù)覆蓋，而冷啟動攻擊是需要重新啟動進 入Recovery模式的，因此其無法得到加密密鑰。
[0012] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0013] 一種防止冷啟動攻擊的U盤加密密鑰內(nèi)存存放方法，包括以下步驟：
[0014]A?獲得Android設(shè)備的對應(yīng)內(nèi)核源代碼；
[0015] B.修改內(nèi)核源代碼中加密算法的密鑰空間申請及釋放內(nèi)存代碼并重新編譯；
[0016]C?提取Android設(shè)備啟動分區(qū)鏡像并解包；
[0017]D?重新打包boot,img啟動分區(qū)鏡像；
[0018]E?將新的boot,img啟動分區(qū)鏡像刷入所述Android設(shè)備啟動分區(qū)中；
[0019]F.重新啟動所述Android設(shè)備。
[0020] 在所述B中，密鑰申請及釋放的源代碼位于/crypto/api.c文件中。原源代碼 中，使用kzallocO函數(shù)申請內(nèi)存，得到的內(nèi)存位置為隨機的；需要將其修改為將固定物理 內(nèi)存映射到虛擬內(nèi)存作為密鑰保存位置。而Bootloader把命令行參數(shù)拷貝到RAM中的位 置固定，這個固定位置為系統(tǒng)RAM的首地址加上0x100。所以首先要使用pfn_to_page() 函數(shù)將物理地址轉(zhuǎn)換為內(nèi)存頁號，然后使用kmap()函數(shù)將上述頁號映射到虛擬地址上，賦 值給AES加密的結(jié)構(gòu)體。在釋放內(nèi)存的代碼中，需要將原釋放源代碼進行修改，否則會由 于kmap()得到的內(nèi)存無法釋放而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。然后對源代碼進行編譯，得到arch/arm/ boot/zImage內(nèi)核鏡像。
[0021] 所述E中，將修改后的Android設(shè)備啟動分區(qū)鏡像刷入Android設(shè)備啟動分區(qū)中， 設(shè)備啟動時將使用新的啟動分區(qū)鏡像啟動，在使用加密算法時將會把密鑰結(jié)構(gòu)存放在固定 的物理內(nèi)存中，如果被執(zhí)行冷啟動攻擊，在Recovery模式啟動時將會把密鑰信息覆蓋，使 得冷啟動攻擊失敗。
[0022] 因此，一種防止冷啟動攻擊的U盤加密密鑰內(nèi)存存放方法，其Android內(nèi)核AES加 密算法的流程如圖3,首先，加密程序申請加密算法信息結(jié)構(gòu)體