KeyStore (Android): βασικές έννοιες, API και λειτουργία της κρυπτογραφικής αποθήκης

Τι είναι το KeyStore στο Android;

KeyStore στο Android — δεν είναι μια ξεχωριστή εφαρμογή ή αρχείο, αλλά ένας κρυπτογραφικός παρόχος που υλοποιεί τη διεπαφή java.security.KeyStore. Παρέχει ενιαίο API για την αποθήκευση και χρήση ιδιωτικών κλειδιών, συμμετρικών κλειδιών και πιστοποιητικών αρχών εμπιστεύσεων (CA). Ο παρόχος είναι εγγεγραμμένος με το όνομα “AndroidKeyStore” και είναι προσβάσιμος μέσω του τυπικού KeyStore.getInstance().

Εξέλιξη του Android KeyStore

Πριν το Android 4.3, οι κρυπτογραφικές λειτουργίες εκτελούνταν με λογισμικό μέσω Bouncy Castle. Με το Android 4.3 εμφανίστηκε το Keymaster HAL 1.0, επιτρέποντας τη χρήση TEE σε ARM TrustZone. Το Android 6.0 (API 23) πρόσθεσε το Keymaster 2.0 με υποστήριξη υλικής ταυτοποίησης με αποτύπωμα δακτύλου. Το Android 9 (API 28) εισήγαγε το Keymaster 4.0 και το StrongBox Keymaster για αφιερωμένο Secure Element.

Κάθε έκδοση του Keymaster προσθέτει νέες δυνατότητες και βελτιώνει την απομόνωση κλειδιών. Οι σύγχρονες συσκευές (2022+) πρέπει να υποστηρίζουν Keymaster 4.0 για πιστοποίηση Google Mobile Services, πράγμα που εγγυάται την παρουσία TEE για όλες τις εφαρμογές Android.

Αρχιτεκτονική και συστατικά

Το Android KeyStore αποτελείται από τρία επίπεδα: Java API (KeyStore, KeyPairGenerator), η διεργασία συστήματος keystore (C++, λειτουργεί ως system service) και Keymaster HAL (βιβλιοθήκη σε TEE ή Secure Element). Η εφαρμογή καλεί το API, η υπηρεσία keystore διοχετεύει το αίτημα στο Keymaster, η λειτουργία εκτελείται σε προστατευμένο περιβάλλον.

Όλα τα ιδιωτικά κλειδιά αποθηκεύονται σε TEE και δεν μπορούν να διαβαστούν από τον χώρο χρήστη. Ακόμη και η υπηρεσία συστήματος keystore δεν έχει πρόσβαση σε αδρά κλειδιά — μόνο σε χειριστές που δείχνουν σε κλειδιά μέσα στο Keymaster.

Πώς λειτουργεί το KeyStore ως κρυπτογραφικός παρόχος;

Το Android KeyStore υλοποιεί τη τυπική διεπαφή παρόχου υπηρεσιών JCA. Όταν η εφαρμογή καλεί Cipher.getInstance(“RSA/ECB/PKCS1Padding”, “AndroidKeyStore”), ο Android Security Provider αναθέτει τη λειτουργία στο Keymaster μέσω της αλυσίδας: Java → JNI → keystore service → Keymaster HAL.

Εγγραφή του παρόχου

Ο παρόχος AndroidKeyStore εγγράφεται αυτόματα κατά την εκκίνηση της διεργασίας. Η προτεραιότητά του είναι υψηλότερη από εκείνη του Bouncy Castle ή του Conscrypt. Επομένως, κατά την κλήση KeyStore.getInstance() χωρίς καθορισμό παρόχου, σε περισσότερες περιπτώσεις επιστρέφεται AndroidKeyStore. Για ρητή κλήση, χρησιμοποιήστε KeyStore.getInstance(“AndroidKeyStore”).

Κάθε εφαρμογή Android έχει ένα απομονωμένο δοχείο στο KeyStore. Εφαρμογές με το ίδιο UID (shared userId) μπορούν να έχουν κοινή πρόσβαση σε συγκεκριμένα κλειδιά, αλλά η τυπική ρύθμιση εγγυάται ότι η εφαρμογή A δεν μπορεί να διαβάσει τα κλειδιά της εφαρμογής B.

Μέθοδοι KeyStore και χαρακτηριστικά τους

load(null) — αρχικοποίηση KeyStore. Η παράμετρος είναι πάντα null για AndroidKeyStore. setEntry — αποθήκευση κλειδιού με καθορισμό KeyProtection (purposes, digest, padding). getEntry — λήψη KeyStore.PrivateKeyEntry, SecretKeyEntry ή TrustedCertificateEntry. containsAlias — έλεγχος ύπαρξης κλειδιού. deleteEntry — διαγραφή κλειδιού (μη αναστρέψιμη).

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()
    }
}

Υποστηριζόμενοι αλγόριθμοι και τύποι κλειδιών

Το Android KeyStore υποστηρίζει ένα ευρύ σύνολο κρυπτογραφικών αλγορίθμων, που ποικίλει ανάλογα με την έκδοση Keymaster HAL στη συσκευή. Ο αναπτυκτής μπορεί να λάβει τη λίστα υποστηριζόμενων αλγορίθμων μέσω KeyGenParameterSpec.Builder κατά την προσπάθεια δημιουργίας — οι ασυμβίβαστες παράμετροι προκαλούν InvalidAlgorithmParameterException.

Ασύμμετροι αλγόριθμοι

RSA (1024–4096 bit) — για υπογραφή (PKCS1, PSS με SHA-1/SHA-256/SHA-384/SHA-512) και κρυπτογράφηση (OAEP με SHA-1/SHA-256). EC (P-224, P-256, P-384, P-521) — για υπογραφή ECDSA και συμφωνία κλειδιών ECDH. X25519 και Ed25519 — από Android 12 (API 31) για σύγχρονα κρυπτογραφικά πρωτόκολλα.

Για ασύμμετρα κλειδιά Να δημιουργείτε πάντα εντός Keymaster, ΠΟΤΕ μην εισάγετε ιδιωτικά κλειδιά. Τα εισαγόμενα ιδιωτικά κλειδιά δεν προστατεύονται υλικά — αποθηκεύονται στο επίπεδο λογισμικού και είναι ευάλωτα σε περίπτωση συμβιβασμού AP.

Συμμετρικοί αλγόριθμοι

AES (128, 256 bit) — για συμμετρική κρυπτογράφηση σε λειτουργίες CBC, CTR, GCM. HMAC (SHA-1, SHA-256, SHA-512) — για ταυτοποίηση μηνυμάτων. ChaCha20 (Android 12+) — για κρυπτογράφηση ροής υψηλής απόδοσης με ταυτοποίηση Poly1305.

Τύποι κλειδιών και σειριοποίησή τους

KeyStore.PrivateKeyEntry — περιέχει το ιδιωτικό κλειδί (μη δυνατός εξαγωγής) και την αλυσίδα πιστοποιητικών. KeyStore.SecretKeyEntry — για συμμετρικά κλειδιά. KeyStore.TrustedCertificateEntry — για αξιόπιστα πιστοποιητικά CA. Τα δημόσια κλειδιά είναι διαθέσιμα για εξαγωγή μέσω keyStore.getCertificate(alias).publicKey.

Παράδειγμα δημιουργίας και χρήσης κλειδιών

Ας εξετάσουμε ένα πλήρες σενάριο: δημιουργία AES κλειδιού για κρυπτογράφηση δεδομένων και δημιουργία EC κλειδιού για υπογραφή με βιομετρική προστασία. Και τα δύο κλειδιά δημιουργούνται εντός Android KeyStore με υλική υποστήριξη.

Δημιουργία AES κλειδιού για κρυπτογράφηση

Το AES κλειδί δημιουργείται μέσω KeyGenerator με KeyGenParameterSpec. Παράμετροι: PURPOSE_ENCRYPT + PURPOSE_DECRYPT, BLOCK_MODE_GCM (συστηνώμενη λειτουργία με ταυτοποίηση), ENCRYPTION_PADDING_NONE (για GCM δεν χρειάζεται padding).

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)
}

Υπογραφή με βιομετρική προστασία

Το EC κλειδί με userAuthenticationRequired=true απαιτεί ταυτοποίηση χρήστη πριν από κάθε λειτουργία υπογραφής. Για αυτό χρησιμοποιείται BiometricPrompt με CryptoObject που περιέχει αντικείμενο Signature. Μετά από επιτυχημένη βιομετρία, το Keymaster επιτρέπει τη λειτουργία.

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 και ασφάλεια στη συσκευή

Το Android KeyStore παρέχει υλικές εγγυήσεις ασφαλείας που δεν μπορούν να παράσχουν οι KeyStore λογισμικού (JKS, BKS). Τα κλειδιά προστατεύονται σε επίπεδο SoC και ακόμη και ο πλήρης έλεγχος του χώρου χρήστη Android δεν επιτρέπει την εξαγωγή του ιδιωτικού κλειδιού.

Key Attestation (Android 8.1+)

Key Attestation — μηχανισμός που επιτρέπει στην εφαρμογή (και στον διακομιστή) να επαληθεύσει σε ποιο περιβάλλον δημιουργήθηκε το κλειδί. Το Android Keystore υπογράφει ένα πιστοποιητικό που περιέχει λίστα χαρακτηριστικών κλειδιού: αλγόριθμο, μέγεθος, purges, hardware-backed (True/False), origin (GENERATED, IMPORTED). Ο διακομιστής επαληθεύει την αλυσίδα πιστοποιητικών μέχρι το ριζικό πιστοποιητικό Google.

Αυτό είναι κρίσιμο για χρηματοοικονομικές εφαρμογές: ο διακομιστής μπορεί να απαιτεί το κλειδί να έχει δημιουργηθεί σε υλικό περιβάλλον (Hardware-Backed = True) και να απορρίπτει κλειδιά που δημιουργήθηκαν σε KeyStore λογισμικού. Το Key Attestation αποτρέπει επιθέσεις όπου ο επιτιθέμενος αντικαθιστά το Keystore με ενα εμπαιγνοτηή.

Ακύρωση κλειδιών κατά την αλλαγή βιομετρίας

setInvalidatedByBiometricEnrollment(true) σημαίνει ότι το κλειδί θα διαγραφεί αυτόματα από το Keymaster κατά την αλλαγή ή διαγραφή των βιομετρικών προτύπων του χρήστη. Αυτό είναι προστασία από επιθέσεις όπου ο επιτιθέμενος προσθέτει το δικό του αποτύπωμα σε υπάρχοντα λογαριασμό. Μετά την προσθήκη νέου αποτυπώματος, τα παλιά κλειδιά καθίστανται μη προσβάσιμα.

Ο καταμετρητής των αποτυχημένων προσπαθειών βιομετρικής ταυτοποίησης διαχειρίζεται επίσης από το Keymaster. Μετά από maxBiometricAttempt (ρυθμίζεται από τον κατασκευαστή, συνήθως 5) το Keymaster αποκλείει όλες τις λειτουργίες με βιομετρικά κλειδιά για 30 δευτερόλεπτα. Μετά από 10 αποτυχημένες προσπάθειες — μέχρι την εισαγωγή κωδικού συσκευής (μυστικό PIN).