Android系统的安全问题 - Android的启动时验证

Android 启动时验证（Verified Boot）

Android 的 启动时验证（Verified Boot） 是一项关键安全机制，用于确保设备启动过程中加载的所有系统镜像（如 Bootloader、内核、系统分区）未被篡改，防止恶意软件植入或 Root 攻击。其核心思想是 逐级验证，从硬件信任根开始，直到 Android 系统完全启动。
参考：Google官方文档 Android的启动时验证

1. Verified Boot 的核心目标

• 完整性检查：验证每个启动阶段的固件和系统镜像是否未被修改。
• 防回滚保护：防止攻击者降级系统到存在漏洞的旧版本。
• 可信链建立：从硬件信任根（Root of Trust）到 Android 系统，形成完整的信任链。

2. Verified Boot 的信任链（Chain of Trust）

Android 的启动验证是一个 逐级验证 的过程，依赖以下关键组件：

3. Verified Boot 的关键技术

（1）Android Verified Boot (AVB)

• 作用：Google 设计的标准验证协议，用于 Bootloader 验证 boot.img 和系统分区。
• 主要机制：
  • 分区哈希验证：vbmeta 分区存储各分区的哈希值或签名。
  • 公钥验证：Bootloader 使用设备内置公钥验证 vbmeta 签名。
  • A/B 无缝更新支持：确保系统更新后仍能通过验证。
• 三种验证模式：
  • enforcing（严格模式）：验证失败则拒绝启动。
  • logging（日志模式）：仅记录验证错误，仍允许启动（用于调试）。
  • disabled（禁用模式）：不验证（仅用于开发设备）。

（2）DM-verity

• 作用：在内核层验证 system、vendor 等只读分区的完整性。
• 原理：
  • 分区被划分为多个 4KB 块，每个块对应一个哈希值（存储在 hashtree 中）。
  • 启动时内核验证哈希树，运行时按需检查访问的块是否被篡改。
• 防篡改能力：如果攻击者修改系统文件，DM-verity 会检测到哈希不匹配并拒绝读取。

（3）Bootloader 锁定（Locked Bootloader）

• 作用：防止未签名的镜像被刷入设备（如自定义 ROM）。
• 用户影响：
  • 锁定状态：仅允许加载官方签名镜像（OEM 密钥）。
  • 解锁状态：可刷入第三方镜像（但会触发 Verified Boot 失败警告）。

4. Verified Boot 的启动流程

1. Power-On → ROM Bootloader

   • 芯片内置的只读代码（如高通 PBL）加载并验证 Bootloader（如 abl.elf）。

2. Bootloader → vbmeta 验证

   • Bootloader 读取 vbmeta 分区，验证其签名（使用设备公钥）。
   • 检查 boot.img、system 等分区的哈希是否匹配。

3. 内核启动 → DM-verity 初始化

   • 内核挂载 system 分区时，加载 hashtree 并启用实时验证。

4. Android 启动 → init 检查

   • init 进程验证关键文件（如 selinux 策略）的完整性。
   • 如果使用 fs-verity（文件级验证），进一步检查 APK 签名。

5. 安全增强：Android 13+ 的改进

• Init Boot 验证：在 init 阶段验证启动脚本和关键配置文件。
• Fs-verity：文件级完整性验证（用于 APK、系统配置文件等）。
• 动态分区验证：支持动态分区的哈希验证（如 super 分区）。

6. 开发者相关

（1）调试 Verified Boot

• 查看验证状态：

  adb shell getprop ro.boot.verifiedbootstate
  

  • 返回 green（验证通过）、yellow（解锁 Bootloader）、red（验证失败）。

• 强制进入 logging 模式（仅调试）：

  fastboot set_active other
  

（2）自定义 ROM 兼容性

• 如果设备启用 AVB，刷入第三方 ROM 需满足：
  • 使用设备支持的签名密钥（如社区签名密钥）。
  • 或解锁 Bootloader（但会降低安全性）。

7. 攻击与防护

已知攻击方式

• Bootloader 漏洞：利用未修补的漏洞跳过验证（如 CVE-2022-20452）。
• 物理攻击：通过 JTAG 或芯片拆解绕过验证（需高端设备）。

防护措施

• 防回滚（Anti-Rollback）：熔断计数器阻止降级到旧版本。
• 安全芯片（如 Titan M）：存储根密钥，防止软件层攻击。

8. 总结

Verified Boot 是 Android 设备安全的基石，与 TEE（如 Trusty）、加密（如 FBE）共同构建了从启动到运行的完整防护体系。