擴展Linux完整性度量IMA/EVM到Android

１. 完整性度量概述
運行時的系統完整性由系統的訪問控制機制保證，如DAC(Discrete Access Control, 間接訪問控制)/MAC（Mandatory Access Control, 強制訪問控制，如SELinux, Smack）。
DAC/MAC無法檢測文件的離線修改；加密文件系統可以保護非法訪問，但開銷大，效率相對較低。
完整性度量，將文件內容和文件的屬性/擴展屬性，通過加密哈希生成對應的ima/evm串，以擴展屬性方式保存在文件系統節點中；系統運行時在文件被訪問前，內核IMA/EVM模塊通過校驗文件的ima/evm串，判斷文件是否被離線非法篡改過；如果有，返回非法結果給selinux，從而阻止訪問或運行該文件。
Linux的完整性子系統（引自Dmitry的PPT）：

IMA
對文件內容做加密哈希（HMAC），將結果存在文件的擴展屬性security.ima，並以此校驗文件內容是否被非法篡改過。
創建並自動更新一個所有被訪問文件的完整性度量表（/sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements），遠程或本地讀取該表可以判斷哪些文件被改過。
如果系統中有TPM硬件模塊，IMA會將度量表擴展到TPM中，以保證度量表本身無法被篡改。
支持本地評估(IMA Appraisal)，即系統運行時在文件被訪問前，內核IMA模塊通過校驗文件的ima串，判斷文件是否被離線篡改過。
EVM
EVM用來檢測文件的屬性（ino/uid/gid/mode）/擴展屬性（security.ima/selinux/smack64）是否被離線篡改過。
被保護的屬性，被EVM模塊以加密哈希(HMAC)的形式依次加密，最終保存成security.evm。
EVM串支持HMAC或數字簽名兩種方式生成。

2. 將IMA/EVM擴展到Android
要在Android上支持完整性度量IMA/EVM，以實現對文件級的篡改檢測和訪問控制，主要包括以下幾部分：
內核中使能IMA/IMA-Appraise/EVM
編譯時，生成system.img前，隨機生成一對RSA密鑰對，將私鑰存在編譯目錄下以備後面簽名使用，將公鑰放到system根文件系統特定目錄下（每次開機時用以驗證系統文件的ima/evm簽名）。
集成開源的EVMCTL，一個用來生成IMA/EVM簽名的工具。
集成開源的attr，至少將其中的getfattr和setfattr交叉編譯進來。
修改system/extras/ext4_utils/make_ext4fs.c，使得在build_directory_structure時，用RSA私鑰+EVMCTL，為所有system分區下的文件生成ima/evm簽名，並將簽名寫入文件的擴展屬性security.ima/.evm。
加載system分區前，內核要先獲得EVM key（無論是從TEE生成並獲取，或從文件系統中讀取指定的）和RSA的公鑰，以便驗證IMA/EVM的HMAC或簽名。
TEE中由device ID派生evm key，好處是key會每個設備唯一。可以使用device ID + 固定字符串，通過加密哈希生成的串作為密鑰。
內核evm module中，加入從TEE讀取evm key的代碼，key讀出後可以存為全局變量，即運行時只存在於內存中。
聯合調試
3. 調試總結
這裡只列出調試過程中，一些需要注意的點：
ima/evm使能後，通過getfattr工具，可以讀取文件的擴展屬性（getfattr -m . -d filename）：

短的是HMAC生成的串，長的是簽名生成的串。
完整性度量表可以讀出（cat /sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements)，在文件變化後，度量表會自動更新。格式類似於：

開始時，IMA/EVM所需密鑰可以放到文件系統中，明文讀取出來用做加密哈希HMAC的密鑰，先調通IMA/EVM基本功能；後續可以實現從TEE獲取EVM密鑰，而IMA/EVM簽名可以使用RSA非對稱密鑰，分別在編譯時私鑰簽名，啟動時內核使用公鑰校驗簽名文件。
內核的IMA/EVM模塊，可以自動識別IMA/EVM串是HMAC還是簽名，因為串的前半部分，包含有type串。
EVM模塊對ino/uid/gid/mode/security.ima/security.evm/security.selinux/security.capability這些字段做HMAC校驗的順序，一定要與EVMCTL生成簽名時做HMAC的順序一致，否則簽名校驗會出錯；還有很重要的一點，一定要注意32位/64位的區別，因為這會影響以上字段的HMAC結果，也很容易導致簽名驗證失敗。
簽名時用到EVMCTL，需要對這個命令的參數非常了解，比如如何指定密鑰，如何指定32/64位，等等；而且，也需要對這個工具做一些修改，比如支持使用傳入的ino、uid、gid、mode、security.selinux/.ima/.evm等。
ima_appraise有三種模式：off, enforce, fix。開發時先設為fix模式，如果度量出錯，能在kernel log裡看到error。開發完成後，設為enforce模式，如果系統能起來，並且kernel log中沒有error，表示使能成功。
4. 最終可以實現
system只讀分區下所有文件受簽名保護，enforce模式下被離線篡改的文件無法被執行和訪問。注：離線篡改可以用setfattr來模擬測試。
data可讀寫分區下所有文件受HMAC保護，enforce模式下離線篡改的文件無法被訪問和執行；運行時變化的文件，在下次被訪問前，ima/evm串會自動更新。
完整性度量表可以讀出，文件變化時，內核會隨時更新度量表。
5. 參考資料
什麼是Linux完整性度量：http://events.linuxfoundation.org/sites/events/files/slides/Integrity_Protection_LinuxCon_Europe_2013_0.pdf
如何在桌面Linux上使能IMA/EVM：
https://sourceforge.net/p/linux-ima/wiki/Home/#extending-trusted-and-secure-boot-to-the-os https://wiki.gentoo.org/wiki/Integrity_Measurement_Architecture
Tizen上的IMA/EVM：https://wiki.tizen.org/wiki/Security:IntegrityMeasurement
Meego上的IMA/EVM：http://www.webcitation.org/6AqsXTUx0
EVMCTL：https://sourceforge.net/p/linux-ima/ima-evm-utils/ci/master/tree/ ATTR：http://git.savannah.gnu.org/cgit/attr.git