KeyStore (Android): المفاهيم الأساسية وAPI وكيفية عمل التخزين المشفر

ما هو KeyStore في Android؟

KeyStore في Android ليس تطبيقًا أو ملفًا منفصلاً، بل هو مزوّد مشفر يطبق واجهة java.security.KeyStore. يوفر API موحدة لتخزين واستخدام المفاتيح الخاصة والمفاتيح المتماثلة وشهادات CA الموثوقة. يتم تسجيل المزوّد باسم «AndroidKeyStore» ويمكن الوصول إليه عبر KeyStore.getInstance() القياسي.

تطور Android KeyStore

قبل Android 4.3، كانت العمليات المشفّرة تُنفذ عبر Bouncy Castle. قدم Android 4.3 Keymaster HAL 1.0، مما أتاح استخدام TEE على ARM TrustZone. أضاف Android 6.0 (API 23) Keymaster 2.0 مع المصادقة البيومترية العتادية. قدم Android 9 (API 28) Keymaster 4.0 وStrongBox Keymaster للعنصر الآمن المخصص.

كل إصدار من Keymaster يضيف قدرات جديدة ويحسن عزل المفاتيح. الأجهزة الحديثة (2022+) يجب أن تدعم Keymaster 4.0 للحصول على شهادة Google Mobile Services، مما يضمن توفر TEE لجميع تطبيقات Android.

الهندسة المعمارية والمكونات

يتكون Android KeyStore من ثلاث طبقات: Java API (KeyStore, KeyPairGenerator)، عملية النظام keystore (C++، تعمل كخدمة نظام)، وKeymaster HAL (مكتبة في TEE أو Secure Element). يستدعي التطبيق API، ويوجّه خدمة keystore الطلب إلى Keymaster، ويتم تنفيذ العملية في البيئة الآمنة.

جميع المفاتيح الخاصة تُخزّن في TEE ولا يمكن قراءتها من مساحة المستخدم. حتى خدمة keystore للنظام لا تملك الوصول إلى المفاتيح الخام — فقط إلى المقابض التي تشير إلى المفاتيح داخل Keymaster.

كيف يعمل KeyStore كمزوّد مشفر؟

يطبق Android KeyStore واجهة مزوّد الخدمة القياسية JCA. عندما يستدعي التطبيق Cipher.getInstance(«RSA/ECB/PKCS1Padding», «AndroidKeyStore»)، يفوض مزوّد أمان Android العملية إلى Keymaster عبر السلسلة: Java → JNI → خدمة keystore → Keymaster HAL.

تسجيل المزوّد

يتم تسجيل المزوّد AndroidKeyStore تلقائيًا عند بدء العملية. أولويته أعلى من Bouncy Castle أو Conscrypt. لذلك عند استدعاء KeyStore.getInstance() دون تحديد مزوّد، يتم إرجاع AndroidKeyStore في معظم الحالات. للاستدعاء الصريح، استخدم KeyStore.getInstance(«AndroidKeyStore»).

كل تطبيق Android لديه حاوية معزولة في KeyStore. التطبيقات التي لها نفس UID (shared userId) يمكنها مشاركة الوصول إلى مفاتيح معينة، لكن الإعداد القياسي يضمن أن التطبيق A لا يمكنه قراءة مفاتيح التطبيق B.

طرق KeyStore وخصائصها

load(null) — تهيئة KeyStore. المعلمة دائمًا null لـ AndroidKeyStore. setEntry — يحفظ مفتاحًا مع KeyProtection المحددة (الأغراض، digest، padding). getEntry — يسترجع KeyStore.PrivateKeyEntry أو SecretKeyEntry أو TrustedCertificateEntry. containsAlias — يتحقق من وجود المفتاح. deleteEntry — يحذف المفتاح بشكل دائم.

import java.security.KeyStore
import java.security.KeyPairGenerator
import android.security.keystore.KeyGenParameterSpec
import android.security.keystore.KeyProperties

object KeyStoreManager {
    private val keyStore by lazy {
        KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore").apply { load(null) }
    }

    fun createRsaKey(alias: String) {
        val spec = KeyGenParameterSpec.Builder(alias,
            KeyProperties.PURPOSE_SIGN or KeyProperties.PURPOSE_VERIFY
        ).setKeySize(2048)
         .setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
         .setSignaturePaddings(KeyProperties.SIGN_PADDING_RSA_PKCS1)
         .build()

        val kpg = KeyPairGenerator.getInstance(
            KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA,
            "AndroidKeyStore"
        )
        kpg.initialize(spec)
        kpg.generateKeyPair()
    }
}

الخوارزميات وأنواع المفاتيح المدعومة

يدعم Android KeyStore مجموعة واسعة من الخوارزميات المشفرة، تختلف حسب إصدار Keymaster HAL على الجهاز. يمكن للمطور الحصول على قائمة الخوارزميات المدعومة عبر KeyGenParameterSpec.Builder عند محاولة الإنشاء — المعلمات غير المتوافقة ترمي InvalidAlgorithmParameterException.

الخوارزميات غير المتماثلة

RSA (1024–4096 بت) — للتوقيع (PKCS1, PSS مع SHA-1/SHA-256/SHA-384/SHA-512) والتشفير (OAEP مع SHA-1/SHA-256). EC (P-224, P-256, P-384, P-521) — لتوقيع ECDSA واتفاق المفاتيح ECDH. X25519 وEd25519 — منذ Android 12 (API 31) للبروتوكولات المشفرة الحديثة.

للمفاتيح غير المتماثلة، أنشئ دائمًا داخل Keymaster، ولا تستورد أبدًا المفاتيح الخاصة. المفاتيح الخاصة المستوردة ليست محمية عتاديًا — يتم تخزينها في طبقة البرمجيات وتكون عرضة للخطر عند اختراق عملية التطبيق.

الخوارزميات المتماثلة

AES (128, 256 بت) — للتشفير المتماثل في أوضاع CBC, CTR, GCM. HMAC (SHA-1, SHA-256, SHA-512) — لمصادقة الرسائل. ChaCha20 (Android 12+) — لتشفير التدفق عالي الأداء مع مصادقة Poly1305.

أنواع المفاتيح وتسلسلها

KeyStore.PrivateKeyEntry — يحتوي على مفتاح خاص (غير قابل للتصدير) وسلسلة شهادات. KeyStore.SecretKeyEntry — للمفاتيح المتماثلة. KeyStore.TrustedCertificateEntry — لشهادات CA الموثوقة. يمكن تصدير المفاتيح العامة عبر keyStore.getCertificate(alias).publicKey.

أمثلة على إنشاء المفاتيح واستخدامها

لننظر إلى سيناريو كامل: إنشاء مفتاح AES لتشفير البيانات وإنشاء مفتاح EC للتوقيع مع حماية بيومترية. يتم إنشاء كلا المفتاحين داخل Android KeyStore مع دعم عتادي.

إنشاء مفتاح AES للتشفير

يتم إنشاء مفتاح AES عبر KeyGenerator مع KeyGenParameterSpec. المعلمات: PURPOSE_ENCRYPT + PURPOSE_DECRYPT, BLOCK_MODE_GCM (الوضع الموصى به مع المصادقة), ENCRYPTION_PADDING_NONE (لا حاجة للpadding لـ GCM).

import javax.crypto.KeyGenerator
import javax.crypto.Cipher
import javax.crypto.spec.GCMParameterSpec

fun generateAndEncrypt(alias: String, plainText: ByteArray): ByteArray {
    val spec = KeyGenParameterSpec.Builder(alias,
        KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT or KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT
    ).setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
     .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
     .setKeySize(256)
     .build()

    val kg = KeyGenerator.getInstance(KeyProperties.KEY_ALGORITHM_AES, "AndroidKeyStore")
    kg.initialize(spec)
    kg.generateKey()

    val cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding")
    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, getKeyFromStore(alias))
    return cipher.doFinal(plainText)
}

التوقيع مع الحماية البيومترية

مفتاح EC مع userAuthenticationRequired=true يتطلب مصادقة المستخدم قبل كل عملية توقيع. يُستخدم BiometricPrompt مع CryptoObject الذي يحتوي على كائن Signature لهذا الغرض. بعد التحقق البيومتري الناجح، يسمح Keymaster بالعملية.

fun createBiometricSignKey(alias: String) {
    val spec = KeyGenParameterSpec.Builder(alias,
        KeyProperties.PURPOSE_SIGN
    ).setAlgorithmParameterSpec(
        ECGenParameterSpec("secp256r1")
    ).setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
     .setUserAuthenticationRequired(true)
     .setInvalidatedByBiometricEnrollment(true)
     .build()

    val kpg = KeyPairGenerator.getInstance(
        KeyProperties.KEY_ALGORITHM_EC,
        "AndroidKeyStore"
    )
    kpg.initialize(spec)
    kpg.generateKeyPair()
}

KeyStore والأمان على الجهاز

يوفر Android KeyStore ضمانات أمان على مستوى العتاد لا تستطيع KeyStore البرمجية (JKS, BKS) توفيرها. المفاتيح محمية على مستوى SoC، وحتى السيطرة الكاملة على مساحة مستخدم Android لا تسمح باستخراج المفتاح الخاص.

Key Attestation (Android 8.1+)

Key Attestation هي آلية تسمح للتطبيق (والخادم) بالتحقق من البيئة التي تم إنشاء المفتاح فيها. يوقع Android Keystore شهادة تحتوي على قائمة خصائص المفتاح: الخوارزمية، الحجم، الأغراض، العتادي (True/False)، المنشأ (GENERATED, IMPORTED). يتحقق الخادم من سلسلة الشهادات حتى الشهادة الجذرية لـ Google.

هذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات المالية: يمكن للخادم أن يطلب أن يكون المفتاح قد تم إنشاؤه في بيئة عتادية (Hardware-Backed = True) ويرفض المفاتيح المنشأة في Keystore برمجي. تمنع Key Attestation الهجمات التي يستبدل فيها المهاجم Keystore بمحاكي.

إبطال المفاتيح عند تغيير البيانات البيومترية

setInvalidatedByBiometricEnrollment(true) يعني أن Keymaster سيحذف المفتاح تلقائيًا عند تغيير أو إزالة القوالب البيومترية للمستخدم. هذه حماية من الهجمات التي يضيف فيها المهاجم بصمة إصبعه إلى حساب موجود. بعد إضافة بصمة جديدة، تصبح المفاتيح القديمة غير قابلة للوصول.

عداد محاولات المصادقة البيومترية الفاشلة يُدار أيضًا بواسطة Keymaster. بعد maxBiometricAttempt (قابل للتعديل من قبل الشركة المصنعة، عادةً 5)، يحجب Keymaster جميع العمليات باستخدام المفاتيح البيومترية لمدة 30 ثانية. بعد 10 محاولات فاشلة — حتى إدخال كلمة مرور الجهاز (PIN السري).