Шифруем внутреннюю память смартфона, SD-карту и содержимое Dropbox



Любой мобильный гаджет может быть потерян, оставлен, забыт и просто похищен. Любую информацию, которая хранится на нем в незащищенном виде, можно прочитать и использовать против тебя. А самый эффективный способ защиты информации — шифрование. В этой статье мы поговорим об особенностях реализации системы шифрования данных в новых версиях Android, а также обсудим инструменты, позволяющие реализовать выборочное шифрование отдельно взятых каталогов.

Введение

Android основан на ядре Linux, которое, в свою очередь, включает в себя целый ряд механизмов, реализующих шифрование самых разных сущностей. Для криптозащиты дисков и разделов предусмотрена система под названием dm-crypt — своего рода криптофильтр, через который можно пропустить все запросы к диску или разделу и получить шифрование данных на лету.

Программисты Google научили Android использовать dm-crypt, начиная с версии 3.0 Honeycomb, где появилась опция, позволяющая быстро включить шифрование и задать PIN-код на доступ к данным. Со стороны пользователя все смотрится очень просто и беспроблемно: подключил телефон к заряднику, дождался полной зарядки и нажал на заветную кнопку. Система начала шифрование уже имеющихся данных. Гораздо интереснее все это выглядит изнутри.

Особый подход Android

В любом дистрибутиве Linux за управление dm-crypt отвечает утилита cryptsetup, создающая зашифрованный по стандарту LUKS том, к которому можно получить доступ и с помощью сторонних инструментов из Windows или OS X. Обычно cryptsetup запускается на этапе инициализации ОС из загрузочного initramfs-образа и подключает dm-crypt к дисковому накопителю, который затем монтируется.

В Android все происходит иначе. Из-за требований к лицензированию всех компонентов выше ядра с помощью Apache-совместимой лицензии, cryptsetup, распространяемая на условиях GPL2, не включена в состав Android. Вместо нее используется разработанный с нуля модуль cryptfs для местного менеджера томов vold (не путать с родными Linux-инструментами: vold и cryptfs, это совсем другие разработки).

По умолчанию Android использует cryptfs для шифрования пользовательских данных, настроек и приложений (каталог /data). Он должен быть запущен на раннем этапе загрузки ОС еще до запуска графической среды и базовых приложений, так, чтобы более высокоуровневые компоненты системы смогли привести систему к нужному состоянию, прочитав настройки, и вытащить нужные данные из кеша.

В автоматическом режиме сделать это невозможно, так как система должна запросить у пользователя пароль для расшифровки, для чего нужен запуск графической среды, а ее, в свою очередь, невозможно запустить без подключения каталога /data, который невозможно подключить без пароля. Чтобы выйти из этой ситуации, в Android применили необычный трюк, заставив ОС запускаться «дважды». Первый запуск минимальной системы происходит перед запуском cryptfs, чтобы запросить пароль для расшифровки с подключением к /data временной файловой системы, после чего система, по сути, завершается, подключается зашифрованный раздел /data, и запускается уже окончательный вариант ОС.

Включение шифрования

Шифрование данных в Android включается с помощью меню «Настройки -> Безопасность -> Зашифровать данные». При этом смартфон должен быть полностью заряжен и подключен к заряднику, а в качестве метода разблокировки использоваться PIN-код или пароль (Настройки -> Безопасность -> Блокировка экрана -> PIN-код), который следует ввести перед запуском операции шифрования. Смартфон предупредит о том, что операция займет около часа, в течение которого устройство будет несколько раз перезагружено.

Далее произойдет собственно то, что описано в предыдущем разделе. Смартфон загрузит минимальную версию системы с подключением временной файловой системы к точке /data и начнет шифровать данные, выводя прогресс операции на экран. Само шифрование происходит следующим образом:

Сначала vold/cryptfs генерирует 128-битный мастер-ключ на основе случайных данных из /dev/urandom и с помощью этого ключа отображает раздел, содержащий каталог /data, в новое виртуальное криптоустройство, запись в которое приведет к автоматическому шифрованию данных с помощью мастер-ключа, а чтение — к расшифровке.

Мастер-ключ шифруется с помощью PIN-кода пользователя и помещается в конец раздела. Отныне при загрузке система будет спрашивать пользователя PIN-код, читать из раздела зашифрованный мастер-ключ, расшифровывать его с помощью PIN-кода и подключать зашифрованный раздел /data.

Чтобы зашифровать уже имеющиеся на разделе данные, система последовательно читает блоки данных из раздела и пишет их в криптоустройство, так что, по сути, происходит последовательная операция «чтение блока -> шифрование -> запись обратно» до тех пор, пока не будет зашифрован весь раздел, кроме последних 16 Кб, в которых хранится мастер-ключ.

В конце операции смартфон перезагружается, и при следующей загрузке система спрашивает PIN-код для расшифровки данных.

В случае с 16-гигабайтным накопителем Galaxy Nexus все эти операции занимают примерно 30 минут, а самое главное — они полностью автоматизированы, поэтому с шифрованием справится даже ребенок.

Один пароль для разблокировки и расшифровки?

Чтобы упростить жизнь пользователям, в Google решили использовать один и тот же пароль для разблокировки и расшифровки данных, в результате чего мы получаем довольно противоречивую картину. С одной стороны, пароль для расшифровки должен быть длинным и сложным, потому что злоумышленник может заниматься его подбором и вне смартфона, просто сняв образ раздела. Пароль на разблокировку, с другой стороны, можно оставить и очень простым, так как после нескольких неудачных попыток Android заблокирует экран окончательно, заставив ввести пароль Google.

В результате приходится делать выбор между удобством разблокировки и безопасностью зашифрованных данных (фейсконтроль в качестве средства защиты не рассматриваем). К счастью, в случае если телефон рутован, пароль на расшифровку можно указать вручную c помощью консольного клиента vold. Сделать это можно так:



С этого момента пароли на разблокировку и расшифровку будут отличаться, но вновь станут одинаковыми, если ты сменишь пароль на разблокировку (PIN-код). Чтобы не лазить в консоль, можно воспользоваться одним из графических интерфейсов, например EncPassChanger.

Откат и совместимость с прошивками

К сожалению, по каким-то причинам Android не позволяет выполнять возврат к незашифрованному разделу. Поэтому, если уж данные были зашифрованы, они такими и останутся ровно до того момента, пока не будет выполнен сброс до заводских настроек (полный вайп) — операция, которая переформатирует раздел, содержащий каталог /data, автоматически превратит его в незашифрованный.

Но здесь может возникнуть вопрос: «А что будет, если я обновлю Android или установлю кастомную прошивку?» В этом случае все зависит от способа установки. В большинстве случаев при обновлении прошивки или установке альтернативной прошивки примерно той же версии (например, замена CyanogenMod 10.1 на Paranoid Android 3 или MIUI 5) вайп делать не требуется. Это значит, что установленная прошивка при попытке примонтировать раздел /data «сообразит», что имеет дело с зашифрованным разделом, запросит у тебя пароль и преспокойно расшифрует данные.

Если же для установки требуется полный вайп, что обычно бывает необходимо при переходе на новые версии Android, то здесь ситуация еще проще. Во время вайпа раздел /data будет переформатирован и автоматически превратится в незашифрованный. Главное, сделать перед обновлением бэкап с помощью Titanium Backup или Carbon.

SD-карта

Google уже давно озвучила свою позицию по отношению к карте памяти как к свалке барахла, на которой конфиденциальных данных не может быть по определению, а даже если и есть, шифровать их не имеет смысла, так как пользователь может решить вставить карту в другой телефон. Поэтому стандартных путей зашифровать карту памяти в Android нет, и, чтобы получить такую функциональность, придется использовать сторонний софт.

Среди шифрующего стороннего софта мы имеем выбор из трех разных классов приложений:

Вещь в себе. Приложение, способное создавать и открывать криптоконтейнеры, но не позволяющее подключать их к файловой системе. Своего рода файловый менеджер с поддержкой зашифрованных томов. Вещь малополезная, так как годится только для ведения дневника и заметок.

ПсевдоФС. В Linux-ядрах многих стоковых и альтернативных прошивок есть поддержка драйвера файловых систем пространства пользователя FUSE, на основе которой в свое время было разработано несколько шифрующих ФС. Одна из них — EncFS. В Android она есть в виде приложения Cryptonite, Encdroid и других. Такие софтины позволяют зашифровать любой каталог так, чтобы к нему имели доступ абсолютно все приложения.

Основанные на dm-crypt. Схожи по функциональности и реализации с предыдущими, но используют для шифрования родной dm-crypt. LUKS Manager — лучший представитель класса таких софтин. Позволяет создать на карте памяти файл-образ, который в любой момент можно подключить к любому каталогу для доступа к данным. То же самое можно сделать из Linux с помощью cryptsetup или из Windows, используя FreeOTFE.
Cryptonite

Cryptonite представляет собой обертку вокруг шифрующей файловой системы EncFS и позволяет создавать и просматривать зашифрованные тома на карте памяти и внутри Dropbox, а также подключать тома к каталогам карты памяти так, чтобы они были видны всем приложениям. Нас в первую очередь интересует последний вариант использования как единственный приемлемый для повседневного применения, но он требует прав root, а также наличия поддержки FUSE в ядре.

Использовать Cryptonite в этом качестве довольно просто, однако, чтобы не возникло путаницы, разберемся с принципами его работы. В основе приложения лежит хорошо известный линуксоидам инструмент под названием EncFS. По сути, это утилита, которая позволяет отобразить один каталог в другой так, чтобы записанное во второй каталог автоматически попадало в первый в зашифрованном виде, а при чтении, соответственно, расшифровывалось. Пока отображение включено — доступ к данным есть, но стоит его отключить, как содержимое второго каталога исчезнет и останется только первый, содержимое которого полностью зашифровано.

По этой причине для Cryptonite необходимо наличие двух каталогов: первый — для хранения зашифрованных данных и второй — пустой каталог, куда будет отображаться содержимое первого в расшифрованном виде. Для простоты назовем их crypt и decrypt. Создаем эти два каталога на карте памяти с помощью любого файлового менеджера. Запускаем Cryptonite, идем в «Настройки -> Mount point» и выбираем каталог decrypt. Теперь он всегда будет использоваться как точка доступа к зашифрованным данным. Возвращаемся обратно, переходим на вкладку LOCAL и нажимаем кнопку «Create local volume», чтобы инициализировать зашифрованный каталог. Выбираем каталог crypt и вводим пароль. Теперь осталось вернуться на главный экран и нажать кнопку «Mount EncFS» (и вновь ввести пароль). С этого момента все, что ты скопируешь в каталог decrypt, автоматически попадет в каталог crypt в зашифрованном виде, и после отключения decrypt никто не сможет прочитать его содержимое (можешь проверить, скопировав несколько файлов в decrypt, а затем просмотрев содержимое crypt).

Таким же образом, кстати, можно организовать шифрование данных в Dropbox. Cryptonite позволяет сделать это из коробки, но в этом случае доступ к данным можно будет получить только через само приложение, то есть для любых операций над зашифрованными данными придется запускать Cryptonite и через его встроенный менеджер файлов совершать все действия. Сам Dropbox для Android, конечно, ведет себя так же, но у него хотя бы открытый API, который могут использовать другие приложения, а здесь только доступ вручную.

Чтобы обойти эту проблему, можно установить сервис Dropsync, который висит в фоне и периодически синхронизирует содержимое выбранных каталогов с Dropbox. Достаточно настроить его на синхронизацию каталога crypt (но не decrypt), и данные в зашифрованном виде будут автоматически попадать в Dropbox. Чтобы получить доступ к данным с большого брата, можно воспользоваться версией EncFS для Linux или Windows. О том, как ими пользоваться, не писал только ленивый.




LUKS Manager

Второе приложение из нашего списка — это LUKS Manager, по сути аналогичное по функциональности приложение, использующее в своей основе dm-crypt вместо EncFS и бинарные зашифрованные образы вместо каталогов. С практической точки зрения этот вариант лучше предыдущего тем, что зашифрованные с его помощью образы можно будет просматривать или изменять практически в любой ОС, включая Linux, Windows и OS X. Недостаток же в том, что его неудобно использовать для шифрования файлов в Dropbox, так как Dropbox-клиенту придется каждый раз синхронизировать целый образ, который может быть очень велик, в противовес отдельных файлов, как в случае с EncFS.




Для корректной работы LUKS Manager необходимо ядро с поддержкой dm-crypt и loopback, но если первое есть даже в ядрах Android 2.3, то второе доступно далеко не во всех стоковых ядрах. Поэтому, скорее всего, понадобится прошивка с альтернативным ядром, такая как CyanogenMod, AOKP или MIUI.

В остальном все просто. Интерфейс программы состоит всего из шести кнопок: Status, Unmount All, Mount, Unmount, Create и Remove. Чтобы создать новый образ и получить к нему доступ, достаточно нажать «Create», выбрать каталог для подключения, размер и указать пароль и файловую систему (FAT32 для совместимости с Windows или ext2 для Linux). Одновременно на карте памяти могут существовать и быть подключенными сразу несколько образов, которые можно отключать кнопками «Unmount» или удалять с помощью «Remove».

Ничего сложного в управлении приложением нет, скажу лишь, что в пакет с LUKS Manager входит также собранная для Android версия утилиты cryptsetup, которую можно использовать для ручного управления и подключения образов.




Другое применение

Dm-crypt и cryptfs используются в Android не только для защиты каталога /data от посторонних глаз. С их помощью здесь реализована, как это ни странно, система установки приложений на карту памяти. В ее основе лежит идея шифрованных образов, по одному на каждое установленное приложение. Сделано так для защиты конфиденциальных данных, возможно хранимых приложением, от других приложений, которые в Android имеют полный доступ к SD-карте на чтение, а также от тех, кто завладеет SD-картой.

Запустив терминал и выполнив команду df, ты сам сможешь убедиться, как это реализовано. На скриншоте «Galaxy Nexus и df» показан вывод этой команды на моем смартфоне. Хорошо видно, что кроме псевдокриптоустройства /dev/block/dm–0, которое подключено к каталогу /data и отвечает за шифрование данных на смартфоне, здесь есть еще 15 подобных устройств, подключенных к разным каталогам внутри /mnt/asec. Это и есть приложения, установленные на карту памяти. Сами приложения при этом хранятся в зашифрованных образах в каталоге .asec на карте памяти, а ключи шифрования хранятся в основной памяти смартфона.




Ты можешь также заметить, что здесь есть и псевдоустройство /dev/fuse, подключенное к /storage/emulated/legacy, а также некоторым другим каталогам. Это не что иное, как «эмулятор» карты памяти, реализованный с использованием описанного ранее драйвера FUSE (сам Galaxy Nexus карты памяти не поддерживает). По сути, это простое зеркалирование каталога /storage/emulated/legacy в /data/media/0. При этом каталог /sdcard — это ссылка на /storage/emulated/legacy. Запустив команду ps, можно заметить, что зеркалирование реализуется с помощью приложения /system/bin/sdcard, использующего FUSE в качестве базы. По сути, это альтернативная реализация знакомой всем линуксоидам unionfs.

WARNING

Модуль dm-crypt не может быть использован для шифрования разделов с файловой системой YAFFS, так как последняя использует низкоуровневые операции при обращении к NAND-памяти.
Выводы

Как видишь, получить качественное шифрование данных в Android очень просто, и в большинстве случаев для этого даже не потребуется устанавливать дополнительный софт. Единственное ограничение — это необходимость иметь смартфон на базе Android 4.0 и выше, но так как все, что было до 4.0, назвать ОС довольно трудно, то и проблемы здесь особой нет :).

INFO

Подробности реализации стандартной системы шифрования Android для параноиков: 128-битный AES в режиме CBC и ESSIV: SHA–256. Мастер-ключ шифруется другим 128-битным AES-ключом, полученным из пользовательского пароля при помощи 2000 итераций по стандарту PBKDF2 с 128 битами случайной соли.