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이번 포스팅은 Android KeyChain을 사용하여 대칭키를 안전하게 저장하는 방법에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

Android KeyChain API를 사용하여 대칭 키를 저장하는 안전한 방법은 다음과 같습니다.

Part 1.  Key 생성 및 저장

1. 대칭키를 생성합니다.
2. Android Keystore에서 비대칭키를 생성합니다.
3. 2번에서 생성한 비대칭키의 공개키(Public Key)를 사용하여 대칭키를 암호화합니다. 

    encrypted_symmetric_key = public_encrypt (symmetric_key)

4. 앱 내에 암호화된 대칭키를 저장합니다.

Part.2  대칭키를 사용 

원문을 암복호화할 경우에 사용합니다.

1. Android KeyStore에서 비 대칭키의 개인키(PrivateKey)를 메모리로 로드합니다.
2. 앱 내에 암호화된 대칭키를 디스크에서 로드합니다.
3. 1번에서 로드한 개인키(PrivateKey)로 암호화된 대칭키를 복호화합니다.

    symmetric_key = private_decrypt (encrypted_symmetric_key)

4. 복호화된 대칭키로 원문을 암호화 나 복호화를 진행합니다.

Reference

https://codeday.me/ko/qa/20190503/453287.html

이번 시간은 Android Keystore 시스템에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

#. Android Keystore System

Android Keystore 시스템을 사용하면 암호화 키를 컨테이너에 저장하여 기기에서 추출하기 어렵게 할 수 있습니다. 키 저장소에 키가 저장되면, 키 자료는 내보낼 수 없는 상태로 유지하면서 키를 암호화 작업에 사용할 수 있습니다. 이 시스템에서는 키 사용 시기와 사용 방법을 제한하는 기능도 제공합니다. 예를 들어 키 사용을 위해 사용자 인증을 요구하거나, 특정 암호화 모드에서만 키를 사용하도록 제한할 수 있습니다. 자세한 내용은 보안 기능 섹션을 참조하세요.

Keystore 시스템은 Android 4.3(API 수준 18)에서 도입된 Android Keystore 제공자 기능뿐 아니라 KeyChain API에서도 사용됩니다. 이 문서에서는 Android Keystore 제공자의 사용 시기와 사용 방법을 설명합니다.

#. 보안 기능

Android Keystore 시스템은 키 자료의 무단 사용을 방지합니다. 

첫째, Android Keystore는 애플리케이션 프로세스와 Android 기기 전체에서 키 자료의 추출을 차단하여 Android 기기 외부에서 키 자료의 무단 사용을 줄입니다. 

둘째, Android Keystore는 앱에서 승인된 키 사용처를 지정하도록 하여 앱 프로세스 외부에 적용하는 방식으로 Android 기기에서 키 자료의 무단 사용을 줄입니다.

#. 추출 차단

Android Keystore 키의 키 자료 추출을 차단하기 위해 두 가지 보안 조치가 사용됩니다.

▶ 키 자료는 애플리케이션 프로세스에 포함되지 않습니다. 애플리케이션에서 Android Keystore 키를 사용하여 암호화 작업을 수행하는 경우, 백그라운드 작업을 통해 서명하거나 확인할 일반 텍스트, 암호 텍스트 및 메시지가 암호화 작업을 수행하는 시스템 프로세스로 공급됩니다. 앱 프로세스가 손상된 경우 공격자가 앱 키를 사용할 수 있지만 Android 기기 외부에서 사용하기 위해 키 자료를 추출할 수는 없습니다.

▶ 키 자료를 Android 기기의 보안 하드웨어(예: TEE(신뢰할 수 있는 실행 환경), SE(보안 요소))에 바인딩할 수 있습니다. 이 기능을 키에 사용하면, 키 자료가 보안 하드웨어 외부에 노출되지 않습니다. Android OS가 손상되거나 공격자가 기기의 내부 저장소를 읽을 수 있는 경우 Android 기기에 있는 모든 앱의 Android Keystore 키를 사용할 수 있지만 기기에서 키를 추출할 수는 없습니다. 이 기능은 기기의 보안 하드웨어에서 키 사용이 승인된 키 알고리즘, 차단 모드, 패딩 스키마, 다이제스트 등의 특정한 조합을 지원하는 경우에만 사용할 수 있습니다. 키에 기능을 사용할 수 있는지 확인하려면 키에 대한 KeyInfo를 가져와 KeyInfo.isInsideSecurityHardware()의 반환 값을 검사합니다.

#. 하드웨어 보안 모듈

Android 9(API 수준 28) 이상이 설치되어 실행되는 지원 기기에는 하드웨어 보안 모듈에 상주하는 Keymaster HAL 구현인 StrongBox Keymaster가 있을 수 있습니다. 모듈에 포함된 구성 요소는 다음과 같습니다.

▶ 자체 CPU

▶ 보안 저장소

▶ 순수 난수 생성기

▶ 패키지 변조와 앱의 무단 사이드로드를 방지하는 추가 메커니즘

시스템은 StrongBox Keymaster에 저장된 키를 검사할 때 TEE(신뢰할 수 있는 실행 환경)를 사용하여 키의 무결성을 입증합니다.

저전력 StrongBox 구현을 지원하기 위해 다음과 같은 일부 알고리즘과 키 크기가 지원됩니다.

▶ RSA 2048

▶ AES 128 및 256

▶ ECDSA P-256

▶ HMAC-SHA256(8~64바이트의 키 크기 지원)

▶ Triple DES 168

KeyStore 클래스를 사용하여 키를 생성하거나 가져올 때 setIsStrongBoxBacked() 메서드에 true를 전달하여 StrongBox Keymaster에 키를 저장하도록 지정합니다. 이 메서드는 KeyGenParameterSpec.Builder 클래스 또는 KeyProtection.Builder 클래스에 있습니다.

★ 참고: 키와 관련해서 지정된 알고리즘과 키 크기에 대해 StrongBox Keymaster를 사용할 수 없는 경우 프레임워크에서 StrongBoxUnavailableException이 throw됩니다.

#. 키 사용 승인

Android 기기에서 키 무단 사용을 줄이기 위해, Android Keystore에서는 키를 생성하거나 가져올 때 앱에서 승인된 키 사용처를 지정할 수 있습니다. 키를 생성하거나 가져온 후에는 승인을 변경할 수 없습니다. 그런 다음, 키가 사용될 때마다 Android Keystore에서 승인을 실행합니다. 이 기능은 고급 보안 기능이며, 일반적으로 키 생성/가져오기 이후(이전이나 도중은 아님) 애플리케이션 프로세스가 손상되더라도 키 무단 사용으로 이어져서는 안 된다는 요구사항이 있는 경우에만 유용합니다.

지원되는 키 사용 승인은 다음과 같은 카테고리로 구분됩니다.

▶ 암호화: 키 사용이 승인된 키 알고리즘, 작업 또는 용도(암호화, 복호화, 서명, 확인), 패딩 스키마, 차단 모드, 다이제스트

▶ 시간적 유효 기간: 키 사용이 승인된 시간 간격

▶ 사용자 인증: 최근에 사용자가 인증된 경우에만 키를 사용할 수 있습니다. 키 사용을 위한 사용자 인증 요구를 참조하세요

추가적인 보안 조치로, 키 자료가 보안 하드웨어 안에 있는 키의 경우(KeyInfo.isInsideSecurityHardware() 참조) Android 기기에 따라 보안 하드웨어에서 일부 키 사용 승인을 실행할 수 있습니다. 일반적으로 보안 하드웨어는 암호화 승인 및 사용자 인증 승인을 실행합니다. 보안 하드웨어에는 대체로 독립적인 실시간 보안 클록이 없기 때문에 시간적 유효성 간격 승인을 실행할 가능성은 적습니다.

보안 하드웨어에서 키의 사용자 인증 승인을 실행하는지 여부는 KeyInfo.isUserAuthenticationRequirementEnforcedBySecureHardware()를 사용하여 쿼리 할 수 있습니다.

#. KeyChain 또는 AndroidKeystore Provider 중에 선택

시스템 수준의 사용자 인증 정보를 원하는 경우 KeyChain API를 사용합니다. 앱에서 KeyChain API를 통한 사용자 인증 정보 사용을 요청하는 경우, 사용자는 설치된 사용자 인증 정보 중에서 앱이 액세스 할 수 있는 사용자 인증 정보를 시스템 제공 UI를 통해 선택합니다. 이렇게 하면 사용자 동의를 받아 여러 앱이 동일한 사용자 인증 정보 집합을 사용할 수 있습니다.

개별 앱이 전용으로 액세스 할 수 있는 고유한 사용자 인증 정보를 저장할 수 있게 하려면 Android Keystore 제공자를 사용합니다. Android Keystore 제공자를 통해 앱에서 전용으로 사용할 수 있는 사용자 인증 정보를 관리할 수 있을 뿐만 아니라 KeyChain API가 시스템 수준의 사용자 인증 정보에 제공하는 것과 동일한 보안 이점을 얻을 수 있습니다. 이 방법은 사용자 인증 정보를 선택하기 위한 사용자 상호작용이 필요 없습니다.

#. Android Keystore Provider 사용

AndroidKeyStore는 KeyStore.getInstance(type) 메서드에서 사용하기 위해 KeyStore 유형으로 등록되고, KeyPairGenerator.getInstance(algorithm, provider) 및 KeyGenerator.getInstance(algorithm, provider) 메서드에서 사용하기 위해 제공자로 등록됩니다.

#. 새 비공개 키 생성

새 PrivateKey를 생성하려면 자체 서명된 인증서에 사용할 초기 X.509 속성도 지정해야 합니다. 나중에 KeyStore.setKeyEntry를 사용하여 이 인증서를 CA(인증 기관)에서 서명한 인증서로 바꿀 수 있습니다.

키를 생성하려면 KeyPairGenerator와 KeyPairGeneratorSpec을 함께 사용합니다.

    /*
     * Generate a new EC key pair entry in the Android Keystore by
     * using the KeyPairGenerator API. The private key can only be
     * used for signing or verification and only with SHA-256 or
     * SHA-512 as the message digest.
     */
    val kpg: KeyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance(
            KeyProperties.KEY_ALGORITHM_EC,
            "AndroidKeyStore"
    )
    val parameterSpec: KeyGenParameterSpec = KeyGenParameterSpec.Builder(
            alias,
            KeyProperties.PURPOSE_SIGN or KeyProperties.PURPOSE_VERIFY
    ).run {
        setDigests(KeyProperties.DIGEST_SHA256, KeyProperties.DIGEST_SHA512)
        build()
    }

    kpg.initialize(parameterSpec)

    val kp = kpg.generateKeyPair()    

#. 새 보안 비밀키 생성

키를 생성하려면 KeyGenerator와 KeyGenParameterSpec을 함께 사용합니다.

#. 보다 안전하게  암호화된 키 가져오기

Android 9(API 수준 28) 이상에서는 ASN.1로 인코딩된 키 형식을 사용하여 암호화된 키를 Keystore로 안전하게 가져올 수 있습니다. 그런 다음, Keymaster가 Keystore의 키를 복호화하므로 키의 내용이 기기의 호스트 메모리에 일반 텍스트로 표시되지 않습니다. 이 프로세스는 추가적인 키 복호화 보안을 제공합니다.

★ 참고: 이 기능은 Keymaster 4 이상과 함께 제공되는 기기에서만 지원됩니다.

암호화된 키를 Keystore로 안전하게 가져오도록 지원하려면 다음 단계를 완료하세요.

▶ PURPOSE_WRAP_KEY 용도로 사용되는 키 쌍을 생성합니다. 이 키 쌍에 증명도 추가하는 것이 좋습니다.

▶ 신뢰할 수 있는 서버나 컴퓨터에서 SecureKeyWrapper에 포함되어야 하는 ASN.1 메시지를 생성합니다.

wrapper에는 다음 스키마가 있습니다.

KeyDescription ::= SEQUENCE {
        keyFormat INTEGER,
        authorizationList AuthorizationList
    }

    SecureKeyWrapper ::= SEQUENCE {
        wrapperFormatVersion INTEGER,
        encryptedTransportKey OCTET_STRING,
        initializationVector OCTET_STRING,
        keyDescription KeyDescription,
        secureKey OCTET_STRING,
        tag OCTET_STRING
    }    

▶ WrappedKeyEntry 객체를 생성하고 ASN.1 메시지를 바이트 배열로 전달합니다.

▶ 이 WrappedKeyEntry 객체를 setEntry() 오버로드에 전달합니다. 이 메서드는 Keystore.Entry 객체를 허용합니다.

#. 키 저장소 항목 작업

AndroidKeyStore 제공자 사용은 모든 표준 KeyStore API에서 발생합니다.

#. 항목 나열

aliases() 메서드를 호출하여 키 저장소의 항목을 나열합니다.

    /*
     * Load the Android KeyStore instance using the
     * "AndroidKeyStore" provider to list out what entries are
     * currently stored.
     */
    val ks: KeyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore").apply {
        load(null)
    }
    val aliases: Enumeration<String> = ks.aliases()    

#. 데이터 서명 및 확인

키 저장소에서 KeyStore.Entry를 가져오고 sign() 등의 Signature API를 사용하여 데이터에 서명합니다.

    /*
     * Use a PrivateKey in the KeyStore to create a signature over
     * some data.
     */
    val ks: KeyStore = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore").apply {
        load(null)
    }
    val entry: KeyStore.Entry = ks.getEntry(alias, null)
    if (entry !is KeyStore.PrivateKeyEntry) {
        Log.w(TAG, "Not an instance of a PrivateKeyEntry")
        return null
    }
    val signature: ByteArray = Signature.getInstance("SHA256withECDSA").run {
        initSign(entry.privateKey)
        update(data)
        sign()
    }    

마찬가지로, verify(byte[]) 메서드를 사용하여 데이터를 확인합니다.

   /*
     * Verify a signature previously made by a PrivateKey in our
     * KeyStore. This uses the X.509 certificate attached to our
     * private key in the KeyStore to validate a previously
     * generated signature.
     */
    val ks = KeyStore.getInstance("AndroidKeyStore").apply {
        load(null)
    }
    val entry = ks.getEntry(alias, null) as? KeyStore.PrivateKeyEntry
    if (entry == null) {
        Log.w(TAG, "Not an instance of a PrivateKeyEntry")
        return false
    }
    val valid: Boolean = Signature.getInstance("SHA256withECDSA").run {
        initVerify(entry.certificate)
        update(data)
        verify(signature)
    }    

#. 키 사용을 위한 사용자 인증 도구

키를 생성하거나 AndroidKeyStore로 가져올 때, 사용자가 인증된 경우에만 키 사용을 승인하도록 지정할 수 있습니다. 사용자는 보안 잠금 화면의 사용자 인증 정보(패턴/PIN/비밀번호, 지문)의 일부를 사용하여 인증됩니다.

이 기능은 고급 보안 기능이며, 일반적으로 키 생성/가져오기 이후(이전이나 도중은 아님) 애플리케이션 프로세스가 손상되더라도 키 사용을 위한 사용자 인증 요구사항이 무시되어서는 안 된다는 요구사항이 있는 경우에만 유용합니다.

사용자가 인증된 경우에만 키 사용을 승인하는 경우, 다음 두 가지 모드 중 하나로 작동하도록 구성됩니다.

▶ 사용자 인증을 통해 일정 기간 동안 키 사용을 승인합니다. 이 모드의 모든 키는 사용자가 보안 잠금 화면의 잠금을 해제하거나 KeyguardManager.createConfirmDeviceCredentialIntent 흐름을 사용하여 보안 잠금 화면 사용자 인증 정보를 확인하는 즉시 사용이 승인됩니다. 승인이 유효한 기간은 키마다 다르며, 키를 생성하거나 가져올 때 setUserAuthenticationValidityDurationSeconds를 사용하여 지정됩니다. 이러한 키는 보안 잠금 화면이 사용 설정된 경우에만 생성하거나 가져올 수 있습니다(KeyguardManager.isDeviceSecure() 참조). 보안 잠금 화면을 사용할 수 없거나(None, Swipe 또는 사용자를 인증하지 않는 기타 모드로 재구성됨) 기기 관리자 등이 강제로 재설정하면 키가 영구적으로 무효화됩니다.

▶ 사용자 인증을 통해 하나의 키와 관련된 특정 암호화 작업을 승인합니다. 이 모드에서는 이러한 키와 관련된 각 작업을 사용자가 개별적으로 승인해야 합니다. 현재, 이러한 승인의 유일한 수단은 지문 인증(FingerprintManager.authenticate)뿐입니다. 최소 하나 이상의 지문이 등록된 경우에만 키를 생성하거나 가져올 수 있습니다(FingerprintManager.hasEnrolledFingerprints 참조). 지문을 새로 등록하거나 모든 지문을 등록 해제하면 키가 영구적으로 무효화됩니다.

#. 지원되는 알고리즘

▶ Cipher

▶ KeyGenerator

▶ KeyFactory

▶ KeyPairGenerator

▶ Mac

▶ Signature

▶ SecretKeyFactory

#. Cipher

#. KeyGenerator

#. KeyFactory

#. Signature

#. SecretKeyFactory

#. Sample

Android AsymmetricFingerprintDialog, Android BasicAndroidKeyStore 및 Android ConfirmCredential샘플은 이 페이지에서 설명한 API의 사용 사례를 자세히 보여줍니다.

Reference

1. https://developer.android.com/training/articles/keystore?hl=ko