微信：如何利用SOTER，1个版本内完成指纹支付开发？

yikejiucai
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原文链接： mp.weixin.qq.com

作者简介

Henryye，叶轩，来自腾讯微信事业群，主要负责腾讯开源项目TENCENT SOTER（GitHub地址：https://github.com/Tencent/soter，点击 阅读全文 亦可直接访问 ）生物认证平台的开发、维护与运营。

提到指纹支付，你会怎么做？

假如有一天，产品经理安排你做指纹支付，并且要下版本就上，你会怎么做？

如果是产品大哥，就从工位下面抽出一把指甲刀架在他脖子上，让他跪在墙角唱征服；

如果是产品妹子，就让她请你喝咖啡，然后谈天说地，趁此机会告诉她“还是选择世界和平吧，比做指纹支付简单多了。”

当然，想象还是太温柔了。真正做过指纹支付项目的在下，经常会在半夜三更回忆起当年做指纹支付需求时候的噩梦，在梦里，我就给自己加戏，手撕产品经理。

也许产品大大们会发出抗议：“指纹支付而已，客户端现成的接口，有何难？”

系统接口行不行？

从2013年iPhone 5s第一款带有指纹识别功能的iPhone上市以来，“指纹支付”这个词就开始频繁出现在各个产品的PM列表排期中。但是，Android 6.0以前的设备，并没有一个统一的指纹认证接口。这也就意味着如果你是一个苦逼的程序猿，那么你就要一家家适配各自的指纹方案，并且还要维护厂商的接口升级。如果结合Android市场的碎片化来看，想要全机型覆盖，简直就是Impossible Mission。实际上，在项目初期，微信便尝试了一家家接入，结果仅仅接入华为Mate 7和荣耀7，便用了整整三个月！这种投入显然是得不偿失的。

好在，从Android 6.0开始，系统提供了标准的FingerprintManager。这一重大利好，让做着类似需求的程序猿们仿佛在黑暗中看到一丝光明，因为这个接口看上去是那么简单易用。无论你是什么品牌的手机，只要是Android 6.0或更新的系统，按照下面的写法，就可以实现指纹认证功能：

FingeprintManager mFingeprintManager = ...

mFingeprintManager.authenticate(null, mCancellationSignal, 0 , new AuthenticationCallback(){...}, null);

设计本身也很简单：

系统认证接口

看上去很完美，仿佛实现指纹支付根本不用开发1个版本，只用1小时，对不对！

但是仔细看下这个接口，感觉哪里不太对：接口仅仅返回认证成功/失败，如果直接信任这个结果，手机被root了，岂不是随时可以将认证结果从false改为true？

那我们换一种思路：root的手机不让用指纹支付行不行？

傻孩子，那你怎么判断手机是不是root呢？不也是通过Android接口获取的值么？这个值一样可以被改掉。

支付安全不可儿戏，一旦出问题，就是重大事故。所幸的是，Google也意识到了这个问题，所以在发布指纹认证接口的同时，增强了原本的KeyStore接口，和Fingeprprint接口联动（代码实现可参考 Google官方Sample，链接：https://github.com/googlesamples/android-FingerprintDialog）：

这张图看上去不明觉厉，原理其实并不难：Google在Android 6.0之后，允许用户在应用中生成一对非对称密钥，将私钥存储在TEE中（什么是TEE？稍后会讲），任何人，包括应用自己甚至Android系统都无法获取私钥，除非用户使用指纹授权才能使用，签名或者加密传入的数据，然后输出密文。这样的话，就可以利用密钥的签名-验签机制（小白不懂什么是签名验签？Google下咯~或者看 这篇文章 解释签名的部分），只有用户使用指纹签名之后，才能产生正确的签名，后台验签即可，这样就能保证链路安全。

这个设计非常巧妙，但是Google百密一疏：如果黑客在密钥生成的时候就拦截了请求，替换为自己的密钥，那么后面签名和加密，用的也是黑客的密钥，那么整套系统的设计也就崩塌了。

Hack示意

另外还有一个问题，如果仅仅返回true/false，那么只要是录入到设备内的指纹，就可以假冒你的身份支付。这对于家里有熊孩子的家长来说，简直就是银行卡噩梦。雪上加霜的是，对于Android设备而言（其实iOS也是一样），只要知道了锁屏密码就可以录入新的指纹。如果支付后台直接信任指纹认证结果，就相当于将原本非常秘密的支付密码，退化到了锁屏密码的级别。这样，无论支付后台做了多么严密的风控策略，按照木桶原理，从根本上整个系统就是不符合支付安全的。

当然，当时也有类似于 FIDO（链接：https://fidoalliance.org/）之类的认证联盟，但是整个流程过于复杂，甚至还要求在应用后台植入sdk。而且，类似方案的中心服务权限过高，会导致如支付笔数、开通用户数等关键指标为人所知，因此也就无法使用。并且支持设备数实在太少，也并无接入动力。

研究过这些之后，发现并不可直接使用任何一个方案，场面一度尴尬。没有合适的轮子，怎么办？

没有轮子，能造轮子么？

让我们回头看看Android系统的指纹接口设计：

  • 方便的指纹接口，完美！

  • 创造性得将指纹模块与密钥模块结合起来，使得用户授权即签名变得可能，完美！

那Google没有做到什么呢？

  • 由于没有一个可信的信任根，导致密钥很容易被替换；

  • 无法从认证结果中获取到底是哪一个用户授权本次认证请求；

同时，我们意识到，在生物认证领域这个千亿级市场中，缺乏一个统一、安全、易接入的认证标准，微信有这样的需求，其他应用也必然如此。微信有能力解决这些问题，实现自己的业务需求，也希望将成功经验复制。既然这样，借此机会制定一个生物认证标准，提供一个生物认证平台，微信责无旁贷，这就是SOTER的起源。

如果以做标准的要求来实现SOTER，那么除了刚刚所述的系统接口缺陷之外，系统设计时还需要考虑：

  • 后台不存储任何敏感信息，包括对称密钥、非对称密钥私钥，更不能将用户生态无特征（如指纹图案）以任何形式传输或存储 ，防止应用后台被脱库；

  • 如果有后台交互，不暴露应用方核心商业隐私，如认证次数、业务开通次数；

  • 应用接入门槛低，客户端无须集成重量级sdk，后台无须集成sdk；

  • 简单易用，第三方应用只需要操作上层接口，无须进行复杂的底层开发。

如何产生一个可信的信任根（设备根密钥）？

信任根的重要性之前已经说明。如果一个系统依赖密钥签名，有一个可以信任的根密钥，才有可能构建安全的信任模型。但是，如果一台手机出厂之后才产生根密钥（ATTK），那么中间有足够时间窗口给到黑产从业者替换掉它。因此，常规方式产生根密钥一定是不行的。所以，我们有了一个大胆的想法：直接与厂商合作，在设备出厂之前，产线上生成设备根密钥，公钥通过厂商服务传输给微信密钥服务——TAM。这个想法虽然对厂商改造比较大，但是由于我们直接通产业链上游（高通、MTK等）合作，研发出了一套统一的解决方案，以及产线工具，成功说服厂商对产线做了最小化的改造。It’s tough, but we did it!

设备根密钥流程

  1. 厂商在产线上对设备下发生成设备根密钥命令；

  2. TEE 中生成一对设备唯一的RSA-2048非对称密钥，私钥存储在设备RPMB区域，没有任何厂商或者应用方可以读取（包括微信与设备厂商），公钥以及设备ID导出；

  3. 公钥和设备ID上传到厂商服务器，之后通过公众平台安全接口，传输到微信公众平台；

  4. 微信公众平台将公钥与设备ID传输到微信TAM服务器。

这里，我们又遇到了我们的老朋友：TEE（Trusted Execution Environment），后面我们也会多次与这个名词打交道。如果想要看详细的介绍，可以参考这里（链接：https://en.wikipedia.org/wiki/Trusted_execution_environment）。当然了，我相信大部分同学都跟我一样，只想要一个形象的解释。简单地说，你的手机中，除了类似Android这样的操作系统之外，还有一个独立的环境。这个环境目前并无行之有效的破解方法，也就是说即使Root了Android系统，都无法破解TEE中的数据。如果将整部手机比作房子的话，Android操作环境就是客厅，TEE就是你的保险箱。可想而知，如果将所有的数据都存储在TEE，关键操作也在TEE内进行，岂不美哉！当然了，这样的话，所有从TEE中出来的敏感数据，就一定要添加上使用可信密钥对其的签名了。

有了设备根密钥之后，认证链的构造逻辑就清晰了很多：采用密钥链的形式，用已认证的密钥来认证未认证的密钥就可以了！

如何构造完整认证流程？

方法论有了，实施就变得简单。

但是，依然有一个问题需要思考：到底需要多少层密钥呢？密钥层数少，那么每一次都需要前往中心服务（微信TAM）验签，对第三方应用而言，会更担心泄露自己的商业逻辑；密钥层数越多，会增加了传输复杂度和失败率。经过多方讨论，SOTER决定使用三级密钥，除了产线预制的设备根密钥之外，增加定义应用密钥（每一个应用生命周期内只需要存在一对）和业务密钥（每一个业务需要一对）。事实证明，这是一个明智的选择：这样既保证了流程的流畅度，又保证应用的关键商业隐私不暴露。为什么？往下看。

架构

SOTER架构图

我们十分欣赏Google的指纹和密钥模块接口设计，因此，我们与厂商合作，在此基础上添加patch包，即可迅速实现整个上层架构。

准备应用密钥（ASK）

准备应用密钥流程示意图

  1. 应用第一次启动时，或者在第一次使用业务之前，请求生成设备根密钥;

  2. 密钥生成之后，私钥在被TEE保护，加密存储;

  3. 公钥和设备ID等相关信息，在TEE内直接被 设备密钥私钥签名之后，返回给应用;

  4. 应用将公钥相关信息和签名传输至应用后台;

  5. 应用后台通过微信公众平台后台接口，请求验签;

  6. TAM使用对应的设备密钥公钥验签，通过之后返回给应用;

  7. 应用后台存储对应的应用公钥。

传输给后台的原串示例：

注1：自设备出厂即在TEE中存储。每一次SOTER相关操作都会使该值自增，后台存储该放重放因子。如果后台发现本次请求防重放因子比已记录的值小，则可认为是非法请求。

注2：本意为类Unix系统中用户ID，在Android系统中，一般而言每一个应用都有一个uid，可用于区分应用以及权限控制。注意，uid不同，对应的应用密钥与业务密钥均不同，后台应将uid与cpu_id一起区分密钥。

准备业务密钥（Auth Key）

准备业务密钥流程示意图

  1. 应用在开通业务时（如指纹支付），请求生成业务密钥。同时，在生成时声明该密钥除非用户指纹授权，否则私钥不可使用。

  2. 密钥生成之后，私钥在被TEE保护，加密存储;

  3. 公钥和设备ID等相关信息，在TEE内直接被 应用密钥私钥签名之后，返回给应用;

  4. 应用将公钥相关信息和签名传输至应用后台;

  5. 应用后台使用对应的应用密钥公钥验签， 无须请求微信TAM中心服务;

  6. 验签成功之后，应用后台存储对应的业务密钥。

传输数据与含义与应用密钥相同，不再赘述。

认证流程

认证流程示意图

  1. 客户端请求后台，获取挑战因子;

  2. 获取挑战因子之后，将挑战因子送往TEE，准备签名结构体，准备签名；

  3. 应用请求用户指纹授权；

  4. 用户指纹授权后，直接将本次认证使用指纹在本设备内的索引传输给密钥模块，在TEE内使用业务密钥私钥签名挑战因子以及该索引。

应用获取原串与签名串后，传输至应用后台。应用后台使用对应的业务密钥公钥验签，如果成功，则此次认证或者开通请求合法。

传输给后台原串示例

流程是否符合要求？

轮子造好了，我们在自我欣赏的路上越走越远。回过头来看，SOTER是否满足了我们的要求呢？

  • 添加信任根：SOTER在工厂环境中传输设备根密钥，保证信任根安全;

  • 可区分指纹：认证之后，TEE内部直接传输本次使用的指纹ID，可使应用自由选择是否区分指纹;

  • 后台不存储敏感信息：后台仅存储设备ID和公钥，从此即使后台设计再烂，也不再害怕脱库;

  • 后台交互不暴露隐私：独创应用密钥，保证业务开通、业务使用量等不需要经过应用服务器;

  • 后台不需要sdk：后台使用成熟的公众平台接口，文档丰富，学习成本低，更无须sdk。

当然了，我们的方案得到了各大厂商、芯片上的认可，在短时间内，已经拥有了数亿设备的支持，覆盖几乎所有的主流手机品牌，因此应用接入完全无须考虑是否需要多设备适配，或者质疑适配不足。顺便，我们支持了vivo和OPPO的5.x指纹机型，即使系统本身不具有统一的指纹接口。

然而，还有最后两点没有做到：

  • 客户端接入门槛低，客户端sdk轻量，甚至不需要sdk；

  • 简单易用，客户端无须进行深度开发即可使用。

 

解决这两个问题的方法只有：开源！

我们开源了什么？

为了满足不同应用的不同场景，我们开源了：

  • SOTER客户端核心接口soter-core：SOTER内部操作密钥、调用指纹的直接接口。sdk大小约40KB，对安装包大小增量可忽略不计；

  • SOTER客户端过程封装接口soter-wrapper：封装了SOTER具体流程以及适配问题机型。sdk大小约70KB，安装包大小增量更少；

  • 快速上手的客户端demo，从零开始，帮你短短几行代码实现指纹支付；

  • 完整的客户端文档和后台接口文档；

  • 完整的原理剖析和快速入手。

这一切，尽在TENCENT SOTER（GitHub地址：https://github.com/Tencent/soter，点击 阅读全文 亦可直接访问）。

使用SOTER最快能多块？如果你只需要做锁屏之类对安全性要求不高的需求，只需要：

  • 添加gradle依赖

在项目的build.gradle中，添加 SOTER依赖

dependencies {    

        ...    

        compile 'com.tencent.soter:soter-wrapper:1.3.8'    

        ... 

}

  • 声明权限

在 AndroidManifest.xml中添加使用指纹权限

<uses-permission android:name="android.permission.USE_FINGERPRINT"/>

  • 初始化

初始化过程整个应用声明周期内只需要进行一次，用于生成基本配置和检查设备支持情况。你可以选择在Application的onCreate()中，或者在使用SOTER之前进行初始化。

InitializeParam param = new InitializeParam.InitializeParamBuilder()

.setScenes(0) // 场景值常量，后续使用该常量进行密钥生成或指纹认证

.build();

SoterWrapperApi.init(context, new SoterProcessCallback<SoterProcessNoExtResult>() {...}, param);

  • 准备密钥

需要在使用指纹认证之前生成相关密钥

SoterWrapperApi.prepareAuthKey(new SoterProcessCallback<SoterProcessKeyPreparationResult>() {...},false, true, 0, null, null);

  • 进行指纹认证

密钥生成完毕之后，可以使用封装接口调用指纹传感器进行认证。

AuthenticationParam param = new AuthenticationParam.AuthenticationParamBuilder()

  .setScene(0)                                    

  .setContext(MainActivity.this)                                    

  .setFingerprintCanceller(mSoterFingerprintCanceller)

  .setPrefilledChallenge("test challenge")                                    

  .setSoterFingerprintStateCallback(new SoterFingerprintStateCallback() {...}).build();

SoterWrapperApi.requestAuthorizeAndSign(new SoterProcessCallback<SoterProcessAuthenticationResult>() {...}, param);

当然了，如果你想要实现指纹支付、指纹登录等高安全性场景，还有一些其他工作要做，具体可以参考我们的 示例代码（链接：https://github.com/Tencent/soter/tree/master/soter-client-demo）和 安全接入文档（链接：https://github.com/Tencent/soter/wiki/%E5%AE%89%E5%85%A8%E6%8E%A5%E5%85%A5）。

SOTER （GitHub地址：https://github.com/Tencent/soter，点击  阅读全文 也可直接访问）开源之后，已经有包括微众银行在内的多个应用已经接入，这些应用接入的时间均不超过一个版本。使用的场景也从指纹支付，到指纹登录、指纹解锁。用过的，都说好。

那么，让我们再回顾下开头的场景：“我们要做指纹支付，下个版本上…”，想必你已经知道怎么做了，括弧逃~

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