Keystore (Android): bu nədir, arxitekturası və iş prinsipləri

Android Keystore nədir?

Android Keystore — Android-də API 1-dən (Android 1.0) etibarən tətbiq edilmiş kriptoqrafik təminatçıdır (provider), lakin tam aparat dəstəyi Android 4.3-dən (API 18) başlayır. Keystore şəxsi açarları elə təhlükəsiz şəkildə saxlamaq problemini həll edir ki, əməliyyat sistemi kompromatasiya olunsa belə, hücumçu açarları açıq şəkildə çıxara bilməz.

Android-də KeyStore Arxitekturası

Android Keystore arxitekturası üç səviyyədən ibarətdir: tətbiqi API (java.security.KeyStore), sistem xidməti (keystore daemon) və aparat səviyyəsi (Keymaster HAL). Tətbiq standart Java Cryptography Architecture (JCA) API vasitəsilə müraciət edir, sistem xidməti isə sorğuları TEE-də işləyən Keymaster-ə yönləndirir.

Açarlarla bütün kriptoqrafik əməliyyatlar (imza, şifrənin açılması) TEE və ya Secure Element daxilində yerinə yetirilir. Açarlar heç vaxt qorunan mühiti tərk etmir — tətbiq açara müraciət etmək üçün yalnız identifikator (alias) alır. Bu, açarların potensial olaraq proses yaddaşında əlçatan olduğu proqram KeyStore-dan fundamental fərqdir.

Java KeyStore-dan fərqi

Standart JKS (Java KeyStore) və ya BKS (Bouncy Castle) açarları şifrə ilə qorunan fayllarda saxlayır. Android Keystore açarları aparat izolyasiyasında saxlayır, burada onlar hətta root istifadəçisindən də qorunur. JKS fayl sisteminə birbaşa çıxışda həssasdır, Android Keystore — yox.

Digər fərq: Android Keystore-da açarlar yaradılarkən müəyyən edilmiş ciddi istifadə parametrlərinə (purpose — yalnız sign/verify/encrypt/decrypt) malikdir. Onları sonradan dəyişdirmək olmaz, bu da açarın səhv istifadəsinin qarşısını alır.

Android Keystore necə işləyir?

Yeni açar yaradılarkən tətbiq gələcək açarın bütün parametrlərini ehtiva edən KeyPairGenerator və ya KeyGenerator-u KeyGenParameterSpec ilə çağırır. Sistem sorğunu Keymaster HAL-ə ötürür, o da açarı TEE daxilində yaradır və identifikator qaytarır.

Açar yaratma prosesi

KeyGenParameterSpec.Builder metodu məcburi parametrləri qəbul edir: Keystore-da açar adı, təyinat (PURPOSE_SIGN, PURPOSE_ENCRYPT), alqoritm (RSA, EC, AES). Əlavə olaraq: digest (SHA-256), padding (PKCS7), userAuthenticationRequired (biometriya), keyValidityStart/End (vaxt məhdudiyyətləri).

Parametrlər təyin edildikdən sonra KeyPairGenerator.generateKeyPair() KeyPair qaytarır, burada PrivateKey əməliyyatları Keymaster-ə həvalə edən obyektdir. Açıq açar çıxarıla bilər, şəxsi açar — yox. O, yalnız TEE daxilində mövcuddur.

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

fun generateKey(alias: String) {
    val spec = KeyGenParameterSpec.Builder(alias,
        KeyProperties.PURPOSE_SIGN or KeyProperties.PURPOSE_VERIFY
    ).setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
     .setSignaturePaddings(KeyProperties.SIGN_PADDING_RSA_PKCS1)
     .setUserAuthenticationRequired(true)
     .build()

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

İmzalama və yoxlama

ECDSA və ya RSA-PSS üçün Signature standart API vasitəsilə yaradılır: Signature.getInstance(algorithm).initSign(privateKey). İmzalama əməliyyatı TEE-də yerinə yetirilir: tətbiq məlumatları ötürür, Keymaster onları aparat vasitəsilə imzalayır və imzanı qaytarır. Açar və məlumatlar ümumi yaddaşda qarışmır.

Biometrik qorunma üçün imzalamadan əvvəl BiometricPrompt vasitəsilə istifadəçinin doğrulanması tələb olunur. Uğurlu doğrulama olmadan Keymaster əməliyyatı yerinə yetirmir, CryptoAuthenticationException qaytarır.

import java.security.KeyStore
import java.security.Signature
import androidx.biometric.BiometricPrompt

fun signWithBiometric(alias: String) {
    val ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore")
    ks.load(null)
    val entry = ks.getEntry(alias, null) as KeyStore.PrivateKeyEntry
    val signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA")
    signature.initSign(entry.privateKey)
    // BiometricPrompt CryptoObject(signature) ilə FaceID/PIN tələb edir
}

KeyStore anbar növləri

Android açarların saxlanması üçün iki rejimi dəstəkləyir: proqram (TEE olmayan cihazlarda) və aparat (TEE və ya Secure Element olan cihazlarda). Rejim SoC imkanlarından və Android versiyasından asılıdır.

Proqram KeyStore (software-only)

Trusted Execution Environment olmayan cihazlarda (Android 4.3-ə qədər və ya büdcə SoC) açarlar bloklanma ekranı şifrəsindən əldə edilmiş master açardan istifadə edərək şifrələnmiş formada saxlanılır. Bu rejim daha az təhlükəsizdir — kriptoqrafik əməliyyatlar zamanı açarlar proses yaddaşında əlçatandır.

Qorunma səviyyəsi AES-256-GCM istifadə edərək KeyStore faylının şifrələnməsinə əsaslanır. Şifrələmə açarı Scrypt (böyük sayda iterasiya ilə PBKDF2) vasitəsilə istifadəçi şifrəsi və ya PIN əsasında yaradılır.

Aparat KeyMaster (TEE/Secure Element)

Müasir cihazlarda TEE-də (ARM TrustZone) Keymaster 4.x istifadə olunur. Açarlar yalnız TrustZone daxilində yaradılır, saxlanılır və istifadə olunur. Hətta Linux növəsinin şəxsi açarlara çıxışı yoxdur — yalnız Keymaster HAL əməliyyatları yerinə yetirə bilər.

Secure Element (məsələn, Samsung Knox-da eSE və ya Google Pixel 3+-da StrongBox) — öz prosessoru və yaddaşı olan ayrıca çipdir. Common Criteria EAL 4+ sertifikatına malikdir və fiziki açılış da daxil olmaqla maksimum qorunma səviyyəsini təmin edir.

KeyStore API ilə iş

Android Keystore Java Cryptography Architecture (JCA) ilə inteqrasiya edilmişdir. Təminatçıya çıxış üçün standart KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore") istifadə olunur. API API 18-dən etibarən mövcuddur.

KeyStore yaradılması və yüklənməsi

KeyStore.load(null) metodu cari tətbiqin KeyStore konteynerini yükləyir. Şifrə tələb olunmur — Android çıxışı ayırmaq üçün tətbiq kontekstindən və onun UID-sindən istifadə edir. Hər tətbiq ortaq UID istifadə edilməyibsə, yalnız öz qeydlərini görür.

setEntry və getEntry metodları KeyStore.PrivateKeyEntry, SecretKeyEntry və ya TrustedCertificateEntry ilə işləyir. ProtectionParameter parametri Android Keystore üçün həmişə null-dur (qorunma sistem səviyyəsində həyata keçirilir).

import java.security.KeyStore
import java.security.cert.Certificate
import android.security.keystore.KeyProtection

fun storeSecretKey(alias: String, key: SecretKey) {
    val ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore")
    ks.load(null)
    val prot = KeyProtection.Builder(
        KeyProperties.PURPOSE_ENCRYPT or KeyProperties.PURPOSE_DECRYPT
    ).setBlockModes(KeyProperties.BLOCK_MODE_GCM)
     .setEncryptionPaddings(KeyProperties.ENCRYPTION_PADDING_NONE)
     .setUserAuthenticationRequired(true)
     .build()
    ks.setEntry(alias, KeyStore.SecretKeyEntry(key), prot)
}

Anbar növünün yoxlanılması

KeyCharacteristics vasitəsilə açarın hansı mühitdə saxlandığını müyəyyən etmək olar: proqram KeyStore, TEE və ya StrongBox. getKeyCharacteristics() metodu bayraqlar toplusunu qaytarır: FLAG_HARDWARE (keymaster), FLAG_SECURE_ELEMENT (StrongBox), FLAG_TRUSTED_USER_PRESENCE_REQUIRED (biometriya).

Alqoritmlər və təhlükəsizlik

Android Keystore üç kateqoriyaya bölünmüş geniş kriptoqrafik alqoritmlər dəstini dəstəkləyir: asimmetrik, simmetrik və MAC. Konkret alqoritmlərin dəstəyi Keymaster HAL versiyasından asılıdır.

Dəstəklənən alqoritmlər

RSA (1024–4096 bit) — imza (PKCS1, PSS) və şifrələmə (OAEP, PKCS1) üçün. EC (P-224, P-256, P-384, P-521) — ECDSA imzası və ECDH razılaşdırması üçün. AES (128, 256 bit) — CBC, CTR, GCM rejimlərində simmetrik şifrələmə üçün. HMAC (SHA1, SHA256, SHA512) — mesaj doğrulaması üçün.

Hər açar üçün mümkün əməliyyatları məhdudlaşdıran setPurposes təyin edilir. PURPOSE_SIGN olan RSA açarı, hətta hücumçunun API-ə çıxışı olsa belə, şifrələmə üçün istifadə edilə bilməz. Bu, aparat səviyyəsində açar istifadəsinin məcburiyyətidir.

Kompromatasiyadan qorunma

Keymaster uğursuz biometrik doğrulama cəhdlərinin sayını izləyir. Müəyyən sayda uğursuz cəhddən sonra (setInvalidatedByBiometricEnrollment vasitəsilə konfiqurasiya olunur) açar əlçatmaz olur və silinmə/yenidən yaradılma tələb edir. Bütün biometrik şablonlar silindikdə, userAuthenticationRequired=true olan bütün açarlar avtomatik olaraq etibarsız edilir.

Həmçinin Key Attestation (Android 8.1+) dəstəklənir: tətbiqin sorğusuna əsasən Keymaster açarın xarakteristikaları (aparat/proqram, alqoritm, purges) haqqında məlumatı olan sertifikat imzalayır. Server açarın etibarlı mühitdə yaradıldığını təsdiqləmək üçün bu sertifikatı yoxlaya bilər.