架构
Android Keystore API 和底层 Keymaster HAL 提供了一套基本的但足以满足需求的加密基元，以便使用访问受控且由硬件支持的密钥实现相关协议。
Keymaster HAL 是由原始设备制造商 (OEM) 提供的动态加载库，密钥库服务使用它来提供由硬件支持的加密服务。为了确保安全性，HAL 实现不会在用户空间乃至内核空间中执行任何敏感操作。敏感操作会被分配给通过某个内核接口连接的安全处理器。 最终的架构如下所示：
源码分析
源码分析基于Android 9.0
####AndroidKeyStore服务提供者
应用层调用时provider必须指明为"AndroidKeyStore"，否则默使用的是BC库。
Android KeyStore 是Java 安全框架的一个提供者的实现，类名为AndroidKeyStoreProvider.java。
此类中定义了一些引擎类的实现:
- AndroidKeyStoreSpi 存储服务
- AndroidKeyStoreKeyPairGeneratorSpi$EC ECC密钥对生成
- AndroidKeyStoreKeyPairGeneratorSpi$RSA RSA密钥对生成
等等，这部分的代码在
/frameworks/base/keystore/java/android/security/keystore/
这些引擎类的实现内部有一个android.security.KeyStore对象。此对象是一个binder代理。通过binder通信转到系统服务的KeyStoreSerivce。
KeyStoreService服务
服务代码在/system/security/keystore/key_store_service.cpp
KeyStoreService 内部持有一个KeyStore对象，
代码在/system/security/keystore/KeyStore.cpp
KeyStore对象内部持有一个device,此device是KeymasterDevices，此对象是三个Keymaster的数组，分别对应软实现、TEE实现和SE实现。如果是TEE实现的话，keymaster hal 应该就是CA程序。
当系统启动时会加载keymaster hal的实现，并把他注册到硬件的servicemanager 中。
keymaster hal
keymaster hal的注册，这里是安卓模拟器goldfish中的服务注册示例。
Cross Reference: /device/generic/goldfish/keymaster/strongbox/service.cpp
int main() {
::android::hardware::configureRpcThreadpool(1, true /* willJoinThreadpool */);
using android::hardware::keymaster::V4_0::SecurityLevel;
using ::keymaster::V4_0::ng::CreateKeymasterDevice;
/*
* Create two software keymaster devices claiming different security levels for testing
* purposes. They do not have the certificates of real TEE or Strongbox keymaster devices.
*/
auto keymaster = CreateKeymasterDevice(SecurityLevel::TRUSTED_ENVIRONMENT);
auto status = keymaster->registerAsService("default");
if (status != android::OK) {
LOG(FATAL) << "Could not register default service for Keymaster 4.0 (" << status << ")";
}
auto strongbox = CreateKeymasterDevice(SecurityLevel::STRONGBOX);
status = strongbox->registerAsService("strongbox");
if (status != android::OK) {
LOG(FATAL) << "Could not register strongbox service for Keymaster 4.0 (" << status << ")";
}
android::hardware::joinRpcThreadpool();
return -1; // Should never get here.
}
keymaster枚举
Cross Reference: /system/security/keystore/keystore_main.cpp
KeymasterDevices enumerateKeymasterDevices(IServiceManager* serviceManager) {
KeymasterDevices result;
serviceManager->listByInterface(
Wrapper::WrappedIKeymasterDevice::descriptor, [&](const hidl_vec<hidl_string>& names) {})
}
通过枚举获取keymaster的实现。构造keystore对象。
keymaster hal实现最终通过调用安全环境实现密钥生成、加密解密、签名验签。
keymaster 实现的接口定义如下。厂商只要按照规范要求实现此接口即可。
Cross Reference: /hardware/interfaces/keymaster/3.0/IKeymasterDevice.hal
Cross Reference: /hardware/interfaces/keymaster/4.0/IKeymasterDevice.hal
Android Keystore 机制总结
Android Keystore 提供安全的密钥管理和加密操作，其核心机制涉及多进程协作和跨空间调用。以下是关键组件及其交互流程：
重要类与组件
| 类/组件 | 所在进程 | 运行空间 | 描述 |
|---|---|---|---|
android.security.KeyStore | 应用进程（如App进程） | 用户空间 | 应用层API，提供密钥生成、存储等接口。开发者通过此类访问Keystore功能。 |
KeyStoreService | keystore进程 | 用户空间 | 系统服务，处理应用请求，管理密钥生命周期，通过Binder与客户端通信。 |
KeymasterHAL (HIDL接口) | 厂商HAL进程（如vendor.some.process） | 用户空间 | 硬件抽象层接口，由厂商实现，执行加密操作（如密钥生成、签名）。 |
内核驱动（如/dev/keymaster） | 内核 | 内核空间 | 与硬件安全模块（HSM/TEE/StrongBox）通信，处理安全环境内的敏感操作。 |
调用流程与通信机制
- 应用层调用
- 进程: 应用进程 →
keystore - 机制: Binder IPC
- 应用通过
android.security.KeyStore发起请求（如生成密钥）。 - 调用通过 Binder 传递至
KeyStoreService（运行在keystore）。
- 应用通过
- 进程: 应用进程 →
- 系统服务处理
- 进程:
keystore→ 厂商HAL进程 - 机制: HIDL/AIDL IPC
KeyStoreService将请求转换为 Keymaster 操作（如调用generateKey）。- 通过 HIDL 接口（如
IKeymasterDevice）与厂商的KeymasterHAL实现通信。
- 进程:
- 硬件抽象层执行
- 进程: 厂商HAL进程 → 内核
- 机制: 系统调用（ioctl）
KeymasterHAL通过ioctl调用内核驱动（如/dev/keymaster）。- 驱动将操作转发至安全环境（如 TEE 或 StrongBox）。
- 安全环境操作
- 空间: 内核 → TEE/HSM
- 机制: SMC指令或安全监控调用
- 内核驱动通过安全机制（如 ARM TrustZone 的 SMC）触发安全环境内的操作。
- 密钥在安全环境内生成/使用，不会暴露到非安全内存。
关键点总结
- 用户空间与内核空间协作：敏感操作（如密钥生成）最终由安全环境（TEE/HSM）处理，确保密钥不泄露至普通内存。
- 跨进程通信：
- Binder：用于应用与系统服务的高效通信。
- HIDL/AIDL：解耦系统服务与厂商实现，支持向前兼容。
- 安全边界：内核驱动作为用户空间与安全环境的桥梁，通过严格权限控制保障隔离性。
[应用进程] --Binder--> [keystore进程] --HIDL--> [KeymasterHAL进程] --ioctl--> [内核驱动] --> [TEE/HSM]
↑ | |
| (android.security.KeyStore) | (KeyStoreService) | (厂商实现)
用户空间 用户空间 用户空间 内核空间
应用代码示例
try {
final String KEY_ALIAS = "myKeyAliasx";
KeyStore keyStore;
keyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore");
keyStore.load(null);
// 检查密钥是否已存在，如果不存在则生成新的密钥对
if (!keyStore.containsAlias(KEY_ALIAS)) {
//生成密钥
KeyGenParameterSpec spec = new KeyGenParameterSpec.Builder(
KEY_ALIAS,
KeyProperties.PURPOSE_SIGN | KeyProperties.PURPOSE_VERIFY)
.setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256)
.setSignaturePaddings(KeyProperties.SIGNATURE_PADDING_RSA_PSS)
.setKeySize(2048)
.build();
KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(
KeyProperties.KEY_ALGORITHM_RSA, "AndroidKeyStore");
keyPairGenerator.initialize(spec);
KeyPair keyPair = keyPairGenerator.generateKeyPair();
}
KeyStore.PrivateKeyEntry privateKeyEntry = (KeyStore.PrivateKeyEntry) keyStore.getEntry(
KEY_ALIAS, null);
PrivateKey privateKey = privateKeyEntry.getPrivateKey();
KeyFactory factory = KeyFactory.getInstance(privateKey.getAlgorithm(), "AndroidKeyStore");
KeyInfo keyInfo;
//获取密钥信息
keyInfo = factory.getKeySpec(privateKey, KeyInfo.class);
if (Build.VERSION.SDK_INT >= Build.VERSION_CODES.S) {
int securityLevel = keyInfo.getSecurityLevel();
if (securityLevel == KeyProperties.SECURITY_LEVEL_TRUSTED_ENVIRONMENT
) {
System.out.println("key is in trusted environment");
} else if (securityLevel == KeyProperties.SECURITY_LEVEL_STRONGBOX) {
System.out.println("key is in strongbox");
} else {
System.out.println("key is in software");
}
} else {
boolean insideSecureHardware = keyInfo.isInsideSecureHardware();
System.out.println("insideSecureHardware=" + insideSecureHardware);
}
// 签名
Signature signature = Signature.getInstance("SHA256withRSA/PSS");
signature.initSign(privateKey);
signature.update("adgfdfd".getBytes("UTF-8"));
byte[] sign = signature.sign();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
