Android 啟動時驗證（Verified Boot）

Android 的 啟動時驗證（Verified Boot） 是一項關鍵安全機制，用于確保設備啟動過程中加載的所有系統鏡像（如 Bootloader、內核、系統分區）未被篡改，防止惡意軟件植入或 Root 攻擊。其核心思想是 逐級驗證，從硬件信任根開始，直到 Android 系統完全啟動。
參考：Google官方文檔 Android的啟動時驗證

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1. Verified Boot 的核心目標

• 完整性檢查：驗證每個啟動階段的固件和系統鏡像是否未被修改。
• 防回滾保護：防止攻擊者降級系統到存在漏洞的舊版本。
• 可信鏈建立：從硬件信任根（Root of Trust）到 Android 系統，形成完整的信任鏈。

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2. Verified Boot 的信任鏈（Chain of Trust）

Android 的啟動驗證是一個 逐級驗證 的過程，依賴以下關鍵組件：

啟動階段	驗證內容	驗證方式
硬件 Root of Trust	設備唯一密鑰（如熔斷式密鑰）	由芯片廠商固化，不可更改
Bootloader	驗證 boot.img（內核 + initramfs）	使用設備密鑰簽名驗證（如 AVB）
內核	驗證 system、vendor 等分區	DM-verity（基于哈希的驗證）
Android 系統	檢查系統完整性（如 SELinux、APK 簽名）	通過 init 和 fs_mgr 實現

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3. Verified Boot 的關鍵技術

（1）Android Verified Boot (AVB)

• 作用：Google 設計的標準驗證協議，用于 Bootloader 驗證 boot.img 和系統分區。
• 主要機制：
  • 分區哈希驗證：vbmeta 分區存儲各分區的哈希值或簽名。
  • 公鑰驗證：Bootloader 使用設備內置公鑰驗證 vbmeta 簽名。
  • A/B 無縫更新支持：確保系統更新后仍能通過驗證。
• 三種驗證模式：
  • enforcing（嚴格模式）：驗證失敗則拒絕啟動。
  • logging（日志模式）：僅記錄驗證錯誤，仍允許啟動（用于調試）。
  • disabled（禁用模式）：不驗證（僅用于開發設備）。

（2）DM-verity

• 作用：在內核層驗證 system、vendor 等只讀分區的完整性。
• 原理：
  • 分區被劃分為多個 4KB 塊，每個塊對應一個哈希值（存儲在 hashtree 中）。
  • 啟動時內核驗證哈希樹，運行時按需檢查訪問的塊是否被篡改。
• 防篡改能力：如果攻擊者修改系統文件，DM-verity 會檢測到哈希不匹配并拒絕讀取。

（3）Bootloader 鎖定（Locked Bootloader）

• 作用：防止未簽名的鏡像被刷入設備（如自定義 ROM）。
• 用戶影響：
  • 鎖定狀態：僅允許加載官方簽名鏡像（OEM 密鑰）。
  • 解鎖狀態：可刷入第三方鏡像（但會觸發 Verified Boot 失敗警告）。

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4. Verified Boot 的啟動流程

1. Power-On → ROM Bootloader

   • 芯片內置的只讀代碼（如高通 PBL）加載并驗證 Bootloader（如 abl.elf）。

2. Bootloader → vbmeta 驗證

   • Bootloader 讀取 vbmeta 分區，驗證其簽名（使用設備公鑰）。
   • 檢查 boot.img、system 等分區的哈希是否匹配。

3. 內核啟動 → DM-verity 初始化

   • 內核掛載 system 分區時，加載 hashtree 并啟用實時驗證。

4. Android 啟動 → init 檢查

   • init 進程驗證關鍵文件（如 selinux 策略）的完整性。
   • 如果使用 fs-verity（文件級驗證），進一步檢查 APK 簽名。

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5. 安全增強：Android 13+ 的改進

• Init Boot 驗證：在 init 階段驗證啟動腳本和關鍵配置文件。
• Fs-verity：文件級完整性驗證（用于 APK、系統配置文件等）。
• 動態分區驗證：支持動態分區的哈希驗證（如 super 分區）。

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6. 開發者相關

（1）調試 Verified Boot

• 查看驗證狀態：

  adb shell getprop ro.boot.verifiedbootstate
  

  • 返回 green（驗證通過）、yellow（解鎖 Bootloader）、red（驗證失敗）。

• 強制進入 logging 模式（僅調試）：

  fastboot set_active other
  

（2）自定義 ROM 兼容性

• 如果設備啟用 AVB，刷入第三方 ROM 需滿足：
  • 使用設備支持的簽名密鑰（如社區簽名密鑰）。
  • 或解鎖 Bootloader（但會降低安全性）。

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7. 攻擊與防護

已知攻擊方式

• Bootloader 漏洞：利用未修補的漏洞跳過驗證（如 CVE-2022-20452）。
• 物理攻擊：通過 JTAG 或芯片拆解繞過驗證（需高端設備）。

防護措施

• 防回滾（Anti-Rollback）：熔斷計數器阻止降級到舊版本。
• 安全芯片（如 Titan M）：存儲根密鑰，防止軟件層攻擊。

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8. 總結

關鍵點	說明
硬件信任根	芯片廠商固化密鑰，確保 Bootloader 可信。
AVB（Verified Boot）	Bootloader 驗證 vbmeta，確保內核和系統分區未被篡改。
DM-verity	內核實時驗證 system 分區的完整性。
用戶可見影響	解鎖 Bootloader 會觸發警告，部分功能（如銀行應用）可能禁用。

Verified Boot 是 Android 設備安全的基石，與 TEE（如 Trusty）、加密（如 FBE）共同構建了從啟動到運行的完整防護體系。