KeyStore (Android): ключевые понятия, API и работа криптографического хранилища

Что такое KeyStore в Android?

KeyStore в Android — это не отдельное приложение или файл, а криптографический провайдер, реализующий интерфейс java.security.KeyStore. Он предоставляет единый API для хранения и использования закрытых ключей, симметричных ключей и сертификатов доверенных центров (CA). Провайдер регистрируется под именем «AndroidKeyStore» и доступен через стандартный KeyStore.getInstance().

Эволюция Android KeyStore

До Android 4.3 криптографические операции выполнялись программно через Bouncy Castle. С Android 4.3 появился Keymaster HAL 1.0, позволивший использовать TEE на ARM TrustZone. Android 6.0 (API 23) добавил Keymaster 2.0 с поддержкой аппаратной аутентификации по отпечатку пальца. Android 9 (API 28) представил Keymaster 4.0 и StrongBox Keymaster для выделенного Secure Element.

Каждая версия Keymaster добавляет новые возможности и улучшает изоляцию ключей. Современные устройства (2022+) обязаны поддерживать Keymaster 4.0 для сертификации Google Mobile Services, что гарантирует наличие TEE для всех Android-приложений.

Архитектура и компоненты

Android KeyStore состоит из трёх уровней: Java API (KeyStore, KeyPairGenerator), системный процесс keystore (C++, работает как system service), и Keymaster HAL (библиотека в TEE или Secure Element). Приложение вызывает API, keystore-сервис маршрутизирует запрос в Keymaster, операция выполняется в защищённой среде.

Все закрытые ключи хранятся в TEE и не могут быть прочитаны из пользовательского пространства. Даже системный keystore-сервис не имеет доступа к raw-ключам — только к хэндлам, указывающим на ключи внутри Keymaster.

Как работает KeyStore как криптопровайдер?

Android KeyStore реализует стандартный интерфейс поставщика услуг JCA. Когда приложение вызывает Cipher.getInstance("RSA/ECB/PKCS1Padding", "AndroidKeyStore"), Android Security Provider делегирует операцию Keymaster через цепочку: Java → JNI → keystore service → Keymaster HAL.

Регистрация провайдера

Провайдер AndroidKeyStore регистрируется автоматически при запуске процесса. Его приоритет выше, чем у Bouncy Castle или Conscrypt. Поэтому при вызове KeyStore.getInstance() без указания провайдера в большинстве случаев возвращается AndroidKeyStore. Для явного вызова используйте KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore").

Каждое приложение Android имеет изолированный контейнер в KeyStore. Приложения с одинаковым UID (shared userId) могут иметь общий доступ к определённым ключам, но стандартная установка гарантирует, что приложение A не может прочитать ключи приложения B.

Методы KeyStore и их особенности

load(null) —инициализация KeyStore. Параметр всегда null для AndroidKeyStore. setEntry — сохранение ключа с указанием KeyProtection (purposes, digest, padding). getEntry — получениеKeyStore.PrivateKeyEntry, SecretKeyEntry или TrustedCertificateEntry. containsAlias — проверка существования ключа. deleteEntry — удаление ключа (безвозвратно).

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()
    }
}

Поддерживаемые алгоритмы и типы ключей

Android KeyStore поддерживает широкий набор криптографических алгоритмов, варьирующийся в зависимости от версии Keymaster HAL на устройстве. Разработчик может получить список поддерживаемых алгоритмов через KeyGenParameterSpec.Builder при попытке генерации — несовместимые параметры вызывают InvalidAlgorithmParameterException.

Асимметричные алгоритмы

RSA (1024–4096 бит) — для подписи (PKCS1, PSS с SHA-1/SHA-256/SHA-384/SHA-512) и шифрования (OAEP с SHA-1/SHA-256). EC (P-224, P-256, P-384, P-521) — для ECDSA-подписи и ECDH-согласования ключей. X25519 и Ed25519 — с Android 12 (API 31) для современных криптографических протоколов.

Для асимметричных ключей Always generate inside Keymaster, NEVER import private keys. Импортированные закрытые ключи не защищены аппаратно — они хранятся в программном слое и уязвимы при компрометации AP.

Симметричные алгоритмы

AES (128, 256 бит) — для симметричного шифрования в режимах CBC, CTR, GCM. HMAC (SHA-1, SHA-256, SHA-512) — для аутентификации сообщений. ChaCha20 (Android 12+) — для высокопроизводительного потокового шифрования с аутентификацией Poly1305.

Типы ключей и их сериализация

KeyStore.PrivateKeyEntry — содержит закрытый ключ (не экспортируемый) и цепочку сертификатов. KeyStore.SecretKeyEntry — для симметричных ключей. KeyStore.TrustedCertificateEntry — для доверенных CA-сертификатов. Открытые ключи доступны для экспорта через keyStore.getCertificate(alias).publicKey.

Пример генерации и использования ключей

Рассмотрим полный сценарий: генерация AES-ключа для шифрования данных и генерация EC-ключа для подписи с биометрической защитой. Оба ключа создаются внутри Android KeyStore с аппаратной поддержкой.

Генерация AES-ключа для шифрования

AES-ключ создаётся через KeyGenerator с KeyGenParameterSpec. Параметры: PURPOSE_ENCRYPT + PURPOSE_DECRYPT, BLOCK_MODE_GCM (рекомендуемый режим с аутентификацией), ENCRYPTION_PADDING_NONE (для GCM padding не нужен).

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)
}

Подпись с биометрической защитой

EC-ключ с userAuthenticationRequired=true требует аутентификации пользователя перед каждой операцией подписи. Для этого используется BiometricPrompt с CryptoObject, содержащим объект Signature. После успешной биометрии Keymaster разрешает операцию.

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 и безопасность на устройстве

Android KeyStore предоставляет аппаратные гарантии безопасности, которые программные KeyStore (JKS, BKS) не могут обеспечить. Ключи защищены на уровне SoC, и даже полный контроль над пользовательским пространством Android не позволяет извлечь закрытый ключ.

Key Attestation (Android 8.1+)

Key Attestation — механизм, позволяющий приложению (и серверу) проверить, в каком окружении создан ключ. Android Keystore подписывает сертификат, содержащий список характеристик ключа: алгоритм, размер, purges, hardware-backed (True/False), origin (GENERATED, IMPORTED). Сервер проверяет цепочку сертификатов до корневого сертификата Google.

Это критически важно для финансовых приложений: сервер может требовать, чтобы ключ был создан в аппаратном окружении (Hardware-Backed = True), и отклонять ключи, созданные в программном Keystore. Key Attestation предотвращает атаки, при которых злоумышленник подменяет Keystore на эмулятор.

Инвалидация ключей при изменении биометрии

setInvalidatedByBiometricEnrollment(true) означает, что ключ будет автоматически удалён Keymaster при изменении или удалении биометрических шаблонов пользователя. Это защита от атак, при которых злоумышленник добавляет свой отпечаток пальца в существующую учётную запись. После добавления нового отпечатка старые ключи становятся недоступны.

Счётчик неудачных попыток биометрической аутентификации также управляется Keymaster. После maxBiometricAttempt (настраивается производителем, обычно 5) Keymaster блокирует все операции с биометрическими ключами на 30 секунд. После 10 неудачных попыток — до ввода пароля устройства (секретный PIN).