1、安全存儲簡介

安全存儲是TEEOS重要特性之一，安全存儲主要用來為用戶保存敏感數據如密鑰等信息。用戶在使用安全存儲功能保存數據時會在TEE內對數據進行加密，然后保存到REE側的相關存儲區域中。根據對數據存儲的安全性要求和使用場景TEE常見的安全存儲一般分為RPMB安全存儲、SFS安全存儲。RPMB安全存儲是eMMC中的一個具有安全特性的分區，其特點是非安全世界不可見，可以防止重放和回滾攻擊，但是其容量較小所以一般對于安全性要求高的數據會使用RPMB存儲。SFS安全存儲是利用了REE側文件系統進行存儲服務，TEE加密后的數據會利用非安全側的文件系統存放到REE側的存儲介質中，因此其容量很大可以存放較多的文件，但是由于其利用了非安全側的文件系統，因此存放的文件是REE側可見的，安全性相比RPMB較低。

本文將對OPTEE3.18版本中的SFS安全存儲基本實現來進行分析，后文中的安全存儲均指SFS安全存儲，安全存儲的整體框架如圖1.1所示：

圖1.1 安全存儲框架

OPTEE在用戶態提供了GP安全存儲API，TA調用GP API來對需要保存的數據進行操作，具體的功能實現在OPTEE內核態的File system模塊中實現，內核態的File system模塊主要實現了數據加解密相關功能以及對應密文數據RPC消息發送功能。REE側的守護進程tee_supplicant主要完成的是RPC消息接收以及安全存儲文件在REE側的操作功能。

OPTEE 安全存儲所涉及到的主要文件如圖1.2所示：

圖1.2安全存儲文件目錄

2、安全存儲文件操作

圖2.1列出了安全存儲文件操作的GP接口及相關系統調用關系圖，syscall開頭的函數是安全存儲GP API功能在OPTEE內核中的具體實現。接下來我們對安全存儲中的文件格式、基本數據結構以及文件的創建過程進行分析。

圖2.1 安全存儲api

2.1 安全存儲文件格式及主要數據結構

安全存儲的文件格式如圖2.2所示，主要分為三個部分，分別是文件頭信息，文件節點描述信息，以及數據體信息，其中數據體data block是以4K大小粒度存儲的。OPTEE使用哈希二叉樹方式管理安全存儲的文件數據，樹中的每個節點tee_fs_htree_node_image保護其兩個子節點和一個數據塊。元數據存儲在頭節點tee_fs_htree_image中，它也保護頂層節點。安全存儲的文件格式所有字段都使用兩個版本ver0 ver1進行復制管理從而確保了原子更新。

圖2.2 文件格式

頭節點tee_fs_htree_ image結構體具體定義如下，其中iv是加密head時使用的，tag是加密head后生成的，enc_fek是加密數據文件的密鑰fek的密文數據，imeta是加密head后生成的，counter是ver信息，標識存儲到ver0還是ver1中。

節點tee_fs_htree_node_image結構體具體定義如下，hash是保存節點的hash值，該值主要作用是在文件操作時找到該文件head，iv是加密data bloc使用的，不同的data block對應的iv值不同，tag是加密數據塊后生成的，flags標識data block的版本號信息。

另一個主要的結構體tee_fs_fd具體定義如下，主要存放對文件操作時使用的fd、dir、uuid等信息。

2.2 安全文件操作

本節主要對OPTEE安全存儲文件基本操作過程安全存儲文件的創建、打開、讀寫過程進行分析。

（1）安全存儲文件創建：安全存儲文件創建流程是整個文件操作最復雜的流程，安全存儲文件創建流程如圖2.3所示。當第一次使用安全存儲功能保存用戶文件時，將會在/data/tee目錄中生成兩類文件分別是dirf.db文件和以數字命名的文件，數字命名的文件會根據創建的不同文件名稱進行累加。dirf.db文件保存的是整個安全存儲功能管理的所有文件的目錄信息和節點信息，該文件只會被創建一次，后續對文件的操作將會更新dirf.db內容，以數字命名的文件保存的是用戶文件信息。OPTEE對用戶文件進行基本操作都需要通過對dirf.db文件進行索引來找到所需要的具體用戶文件。syscall_storage_obj_create是安全存儲創建文件功能在內核空間的主入口。下面對創建過程主要流程進行分析。

權限檢查：在創建安全文件之前會通過vm_check_access_rights函數對TA調用安全存儲操作的object權限進行校驗，只有當權限校驗通過后才會執行后續操作。

dirt.db文件創建：get_dirh是創建dirt.db主要實現，tee_fs_rpc_create_dfh函數在首次創建dirt.db文件時，通知ree側tee_supplicant創建該文件，tee_fs_htree_open建立文件節點信息。tee_fs_htree_sync_to_storage主要是將tee_fs_htree_node_image及tee_fs_htree_ image信息存放到dirt.db中。

安全文件創建：安全文件創建通過ree_fs_open_primitive實現的，該流程會通知ree側tee_supplicant創建以數字命名的文件，此時該文件中還沒有寫入具體的數據信息。

安全文件寫入：安全文件head及data block寫入通過ree_fs_write_primitive實現的，最終完成文件的創建過程，將初始化的數據寫入到ree側。

圖2.3安全文件創建流程

（2）安全存儲文件打開：當需要打開某個安全存儲文件時，需要先從全局目錄文件dirt.db中找到對應的以數字命名的文件編號，打開dirf.db是通過調用get_dirt函數實現的，最終調用到REE側的tee_supplicant打開/data/tee/dirf.db文件并返回該文件的fd值，讀取dirt.db中最新的文件頭部數據，解密獲取文件加解密使用的FEK，并建立文件節點樹，打開dirf.db文件并建立了文件節點樹后，通過讀取dirf.db文件的數據區域中安全文件對應的dirf_entry來找到該安全文件的存儲編號。在獲取安全存儲文件編號前需要進行一系列校驗檢查，檢查通過后則為正確的文件編號。得到安全文件編號后就可打開該文件，讀取該安全文件的頭部分，獲取根節點信息，并建立該安全文件的節點樹，然后就可開始對該安全文件進行讀寫操作。

（3）安全存儲文件讀寫操作：安全存儲讀寫操作依賴打開操作，只有在執行完打開操作之后才能進行。安全文件讀操作首先會獲取TA的會話ID和運行上下文并檢查權限。然后調用ree_fs_read函數來實現讀取數據的操作，調用ree_fs_write函數來實現寫入數據操作。

3、安全存儲文件加密流程

3.1安全存儲中的密鑰

在OPTEE的安全存儲中主要涉及三種類型密鑰分別是SSK安全存儲密鑰、TSK TA的存儲密鑰、FEK文件加密密鑰三者關系如圖3.1所示。其中huk是芯片唯一密鑰，其通過chipid及其他相關參數派生出安全存儲的基礎密鑰SSK。針對不同的TA，根據uuid值及SSK派生出每個TA自己的存儲密鑰TSK。這樣能夠保證不同的TA加密存儲的文件不能被其他文件解密，在一定程度上保證了安全性。TSK并不是最終對文件加密的密鑰，而是對隨機派生出的文件加密密鑰FEK進行加解密的key。三種類型密鑰中SSK TSK無論明文密文都不出TEE，FEK密文與數據密文封裝到一起存儲到REE側文件系統中。

圖3.1密鑰關系圖

3.2 安全存儲文件加密流程

安全存儲中的核心操作是對安全文件進行加解密操作，需要加密操作的數據分別為元數據加密，以及具體的數據區塊進行加密。元數據及區塊數據加密流程如圖3.2所示，元數據是tee_fs_hreee_node_image中的數據，加密過程中會首先生成隨機的AES密鑰FEK，該值一般以enc_fek的形式保存，在使用時通過TSK解密后使用。數據塊區域是具體需要保存的用戶數據信息和tee_fs_htree_node_image中的數據。元數據和區塊數據的加密算法在OPTEE中都采用AES GCM算法，采用的KEY都是FEK，不同的是在加密過程中有各自不同的IV值。

圖3.2 元數據 區塊數據加密流程

4、總結

安全存儲功能是TEEOS中的重要功能，不同TEE產品有不同實現。本文對OPTEE安全存儲SFS部分進行了簡單的分析，我們發現安全存儲操作涉及到的流程是比較復雜的，其中涉及到了加解密密鑰派生方式，數據加解密算法的選擇，數據文件管理的方式，TEE主動與REE交互方式等功能。這些部分均影響著安全存儲的安全性穩定性和性能。OPTEE安全存儲雖然對各個數據文件是分開存儲的，但是對文件操作的索引信息又是集中存儲到了dirt.db中，因此當dirt.db文件損壞時將會導致所有的文件無法讀取的風險。因此在實際使用OPTEE時可以考慮定制化修改，對該文件在REE側不同分區進行備份操作。

審核編輯：湯梓紅