Android verified boot 2.0 vbmeta

验证启动（Verified Boot）是Android一个重要的安全功能，主要是为了访问启动镜像被篡改，提高系统的抗攻击能力，简单描述做法就是在启动过程中增加一条校验链，即 ROM code 校验 BootLoader，确保 BootLoader 的合法性和完整性，BootLoader 则需要校验 boot image，确保 Kernel 启动所需 image 的合法性和完整性，而 Kernel 则负责校验 System 分区和 vendor 分区。

由于 ROM code 和 BootLoader 通常都是由设备厂商 OEM 提供，而各家实际做法和研发能力不尽相同，为了让设备厂商更方便的引入 Verified boot 功能，Google 在 Android O上推出了一个统一的验证启动框架 Android verified boot 2.0，好处是既保证了基于该框架开发的verified boot 功能能够满足 CDD 要求，也保留了各家 OEM 定制启动校验流程的弹性。

由于 ROM code 校验 BootLoader 的功能通常与 IC的设计相关，所以 AVB 2.0 关注的重点在 BootLoader 之后的校验流程。BootLoader 之后系统启动所涉及的关键镜像通常包括 boot.img，system.img，Android O 的 treble Project 还引入了 dtbo 和 vendor.img。这些 image 挨个校验可以说费时费力，而 AVB 2.0 的做法事实上十分简单，引入一个新的分区：vbmeta.img（verified boot metadata），然后把所有需要校验的内容在编译时就计算好打包到这个分区，那么启动过程中 BootLoader 只需要校验 vbmeta.img，就能确认 vbmeta 内的数据是否可信。再用 vbmeta 中的数据去比对 bootimg，dtbo，system,img，vendor.img 即可。至于 OEM 是还需要放什么其他东西到 vbmeta 中，则可以由 OEM 自由定制，可以说保留了很好的客制化空间。

除了最基本的验证启动之外，AVB 2.0 还提供防止回滚的功能和对AB分区备份的支持，AVB 2.0 的详细文档可以参考：Android Verified Boot 2.0

无论是验证启动还是防止回滚，vbmeta 都是很重要的数据结构，下面对最简单的 vbmeta struct 做一个分析说明。
下面是 vbmeta struct 的结构图示：

vbmetaStruct.png

以上 vbmeta 所包含的数据可以分成两个大的Block：紫色色块部分为 Authentication data block 和 其他为 Auxiliary data block。当 BOARD_AVB_ALGORITHM 定义为 SHA256_RSA2048 时，默认编译出的 vbmeta.img 通常为 4KB。vbmeta.img 组成如下：

------------------------------------------------------------------------------
|   Header   |   Authentication Data   |    Auxiliary Data    |
------------------------------------------------------------------------------

其中 Header 的固定长度为 0x100 个字节，Authentication data 和 Auxiliary data 的长度存储在 Header 中。

下面分别对这三个部分进行分析、

Header 解析

Header 的数据结构为：typedef struct AvbVBMetaImageHeader
用 UE 打开 vbmeta.img，前 0x100 个字节信息如下：

vbmetaHeader.png
根据 struct AvbVBMetaImageHeader，上图中的 Header 信息解析如下：

字节	AvbVBMetaImageHeader 成员变量	说明
0x0 - 0x3	magic[AVB_MAGIC_LEN]	magic字符串，固定为 AVB0
0x4 - 0x7	required_libavb_version_major	libavb 大版本号 0x1
0x8 - 0xb	required_libavb_version_minor	libavb 小版本号 0x0
0xc - 0x13	authentication_data_block_size	如果选用 SHA256_RSA2048算法，则 authentication data size 固定为 0x140
0x14 - 0x1B	auxiliary_data_block_size	根据 make_vbmeta_image 不同参数，长度不同，上图为 0x4C0
0x1C - 0x1F	algorithm_type	由AvbAlgorithmType定义, 0x1 表示AVB_ALGORITHM_TYPE_SHA256_RSA2048
0x20 - 0x27	hash_offset	hash data 在 authentication data 中的位置，通常为 0x0，hash data的具体说明会在 Authentication data 的解析中加以说明
0x28 - 0x2F	hash_size	hash data 的大小，使用SHA256算法时 Hash data 固定为 0x20 个字节，即 256 bits
0x30 - 0x37	signature_offset	signature data 在 authentication data 中的位置，signature data紧跟在 Hash data 后面，所以 offset 在 hash 算法为 SHA256时，固定为 0x20
0x38 - 0x3F	signature_size	signature data 的大小，在签名算法使用 RSA2048 时，固定为 0x100个字节，即 2048 bits
0x40 - 0x47	public_key_offset	签名算法对应的公钥存储在 Auxiliary data block 中的位置，上图为 0x298
0x48 - 0x4F	public_key_size	签名算法对应的公钥长度，使用RSA2048 作为签名算法时，该长度固定为 0x208， public key 部分会在 Auxiliary data block 的解析中加以说明
0x50 - 0x57	public_key_metadata_offset	public key metadata 在 auxiliary data block 中的存储位置
0x58 - 0x5F	public_key_metadata_size	public key metadata 的大小，为 0x0 表示没有 public key metadata 数据
0x60 - 0x67	descriptors_offset	descriptor 在 Auxiliary data block 中的位置，默认固定为 0x0，descriptor 的具体含义会在 Auxiliary data block 的解析中加以说明
0x68 - 0x6F	descriptors_size	descriptor 的长度，取决于 make_vbmeta_image 时的参数 ---include_descriptor_from_image
0x70 - 0x77	rollback_index	供rollback protection 功能使用，由 make_vbmeta_image 时的参数 ---rollback_index 指定，上图中为 0x0，即未对回滚保护做支持
0x78 - 0x7F	reserved0[4]	16字节对齐使用，固定为四个 0x0
0x80 - 0xAF	release_string[AVB_RELEASE_STRING_SIZE]	avbtool 的 release 信息，48个字节，一般为 avbtool 1.0.0 xxxxx
0xB0 - 0xFF	reserved[80]	padding数据，保证 Header长度为 x100，内容必须全部填 0x0

  

Authentication data block 解析

Authentication data block 用于校验 vbmeta.img 的合法性和完整性，包含两部分内容：Hash data 和 signature data。
通过分析avbtool 的 Python 脚本，即可了解 hash data 和 signature data 的生成过程。

     Hash data 的生成
     hash data 是对 vbmeta 的 header 和 auxiliary data block 的 hash 计算，所以是先生成了 auxiliary data block，然后生成的 authentication data block，使用的算法由 header 中的 algorithm_type 指定，本文使用 SHA256，计算出的 hash data 长度为 0x20。截取 avbtool 的脚本代码如下：

 # Calculate the hash.
 ha = hashlib.new(alg.hash_name)
 ha.update(header_data_blob)
 ha.update(aux_data_blob)
 binary_hash.extend(ha.digest())

     signature data 的生成
     signature data 是对 上文计算出的 hash data 做 padding 之后的签名，使用的算法同样由 header 中的 algorithm_type 指定，本文使用 RSA2048，计算出的 signature data 长度为 0x100。截取 avbtool 的脚本代码如下：

 # Calculate the signature.
 padding_and_hash = str(bytearray(alg.padding)) + binary_hash
 binary_signature.extend(raw_sign(signing_helper,
                                  signing_helper_with_files,
                                  algorithm_name,
                                  alg.signature_num_bytes, key_path,
                                  padding_and_hash))

有一个需要注意的地方是，hash data 和 signature data 的总长加在一起为0x120，但header 中的 authentication data block size 却为 0x140，这是因为 image 对齐需要，0x120 不能被 64 整除，所以用 0x0 填充到长度为 0x140。

Auxiliary data block 解析

Auxiliary data block 的内容则十分丰富，总得来说分为两个大类：AvbDescriptor 和 RSA public key。

     AvbDescriptor 的生成
根据 avbtool make_vbmeta_image 命令支持的参数，OEM 可以自由的定制一些需要打包到 vbmeta.img 的数据，这样一段一段的二进制数据都按照AvbDescriptor 的数据结构打包进 auxiliary data block。AvbDescriptor 按照不同的 tag 分为以下几种：

typedef enum {
        AVB_DESCRIPTOR_TAG_PROPERTY,
        AVB_DESCRIPTOR_TAG_HASHTREE,
        AVB_DESCRIPTOR_TAG_HASH,
        AVB_DESCRIPTOR_TAG_KERNEL_CMDLINE,
        AVB_DESCRIPTOR_TAG_CHAIN_PARTITION,
} AvbDescriptorTag;

最常用的参数 ---include_descriptor_from_image 可以将 boot.img，dtbo，recovery.img，system.img，vendor.img 的 descriptor 打包到 Auxiliary data block 中。这些 descriptors 在 BootLoader 确认 vbmeta.img 的合法性和完整性后，可以直接被用来校验 boot.img，dtbo，recovery.img，system.img，vendor.img。

     RSA public key的生成
除了这些 descriptor 之外，auxiliary data block 中还有一个重要的信息，就是 RSA public key。这个 public key 将被用来校验 authentication data block 中的 signature data。
在 avbtool make_vbmeta_image 时，必须用--key参数来指定生成 signature data 的 RSA private key，AOSP external/avb/test/data 目录下有各种供测试使用 RSA private key，格式为 PEM。avbtool 会根据 RSA private key 提取 public key 并加上 RSA key 的 header 打包进 auxiliary data block。
可以通过avbtool extract_public_key --key [priv_key_path] --output [outpubk_path] 来查看生成的 public key 信息。
其中 RSA key header 格式如下：

typedef struct AvbRSAPublicKeyHeader {
         uint32_t key_num_bits;
         uint32_t n0inv;
} AVB_ATTR_PACKED AvbRSAPublicKeyHeader;

前文中所描述 header 中的 public key size 为 0x208，即 0x8 个字节的 AvbRSAPublicKeyHeader 长度，加上 0x200个字节即 2048位 的 public key 长度。

以上就是 vbmeta 除 padding 填充 0x0 之外，主要的数据信息。