一種基于android系統軟件安全的設計與實現

摘 要：針對目前手機的病毒多樣化和種類的不斷增加，提出一種基于android系統軟件的arm trustzone technology，防止手機的系統軟件篡改和惡意刷機，對編譯后各個部分的軟件進行簽名和認證，以保證手機穩定安全。同時secure boot保證軟件的安全運行，在此基礎上DRM才能在SFS內獲取安全的私鑰等信息。

關鍵詞：trustzone技術；secure boot；簽名；熔絲；私鑰

1 概述

目前市場上95%是基于安卓系統開發的，而android是一種基于linux的自由及開放源代碼的操作系統。任何人都可以基于android的源代碼來開發自己的應用程序和底層協議，同時也可以通過編譯帶病毒的APK來攻擊手機的系統軟件。

為了徹底解決手機的安全性問題，基于google android trustzone技術提供了一套基于system-on-a-ship（SOC）的配置和設計。此方案是硬件級別的安全。首先通過對編譯的文件進行簽名，簽名的文件中存在燒寫的SHA256位的密碼，然后對ROM的OTP寄存器進行燒寫，在啟動的過程中會對編譯的文件進行驗證，只有SHA256的密碼匹配了，手機才能正常啟動。此方案從底層的硬件級別對手機進行了安全保護，只有經過驗證通過的文件才能加載，極大的增強了手機的安全性。

2 Secure boot的原理

圖2.1 Secure boot原理

在對image文件進行簽名的時候，會有一個用戶的私鑰以及用戶鑒別的公鑰，當用戶簽名后，會有這二個key存在，整個簽名過程可分解如下：

①用戶通過CSMS產生簽名要使用的私鑰以及證書鏈，該證書鏈包含有三個證書，主要作用是對證書中包含的公鑰及軟件信息的簽名認證。

②通過SHA256算法對編譯后的各部分image部分進行哈希值摘要提取，此主要分為2個步驟，第一步僅僅是對image做出hash提取，第二步則結合該image的MSM_ID、OEM_ID等對其在做一次SHA256算法提取生成Flash Hash Digest。

③用步驟1中的私鑰對產生的哈希摘要進行加密生成簽名。

④將生成的image簽名和證書鏈鏈接到原來的文件中，生成簽名的image文件。

⑤在該軟件加載和認證階段，會使用公鑰對證書鏈及簽名內容進行相應的解密，將證書中包含的軟件版本信息和MSM_ID信息與QFPROM中的響應值對比，同時再次通過SHA256算法對code部分進行哈希摘要提取，與解密后的簽名進行對比，驗證通過后才可以加載。

在芯片設備中OTP寄存器中存儲有簽名用到的PUBLIC_KEY，在用戶簽名的image中含有PRIVATE_KEY.在啟動的過程中，PUBLIC_KEY會對簽名后的文件進行解密。包括對簽名文件的證書信息進行驗證。如用存儲在證書上該軟件的版本號，MSM_ID等信息與之前用戶燒錄在芯片中的FUSE中對應內容進行驗證，確認無誤后，在對文件中的code部分進行哈希校驗，確保源代碼沒有被篡改，成功后，啟動流程后才能順利地往下執行。

3 Secure boot流程

要使能secure boot要進行以下工作，第一步，要對使能熔絲，就是燒寫QFPROM寄存器。第二步，修改軟件代碼，把手機的廠商ID，產品ID等配置信息寫入寄存器，用fastboot燒寫進寄存器。第三步，對編譯出來的image文件進行簽名。

3.1 熔絲

為了保證熔絲后可以順利運行我們的軟件，我們需要熔一系列的寄存器。有secureboot的使能腳，是使能控制的一個GPIO控制腳（AUTH_EN），使能OEM 和產品ID（OEM_HW_ID，OEM_PRODUCT_ID），同時使能root key，即使能根密鑰簽名image文件。

3.2 燒寫代碼

SBL1里面已經有封裝好的可供燒錄的接口函數boot_qfprom_signal_test函數，底層函數實現在trustzone里面。在熔絲的過程中，要增加判斷，如果讀寄存器已經熔絲，就不再熔絲。在SBL1中熔絲，首先要通過算法去生成值，然后通過工具燒寫進去。燒錄生成的時序，即流程中對應的關鍵函數，讀fuse接口的函數。

3.3 image簽名

簽名換件的搭建和證書生成軟件，需要通過openssl軟件，對qpsa.zip文件解壓，執行openssl指令來生成QPSA簽名所需要的證書及私鑰文件。同時配置gensecimage.cfg文件，設定好存儲路徑，簽名的格式及輸出目錄。執行python指令可以執行gensecimage.cfg文件生成相關的文件。

4 總結

Secure boot目前廣泛應用于各大手機廠商中，尤其能為目前的支付寶、微信支付等支付業務提供更大的安全環境。這是一項硬件級別的安全框架，能提供高級別的安全。

參考文獻：

[1]（美）波特編著.LINUX設備驅動程序 中文第三版[M].中國電力出版社，2012.4.

[2]Android5.0源代碼.

作者簡介：

王晶（1990-），男，漢族，湖南邵陽人，重慶郵電大學，碩士研究生，研究方向：移動通信。