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做者简介：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 ）生物认证平台的开发、维护与运营。git
提到指纹支付，你会怎么作？github
假若有一天，产品经理安排你作指纹支付，而且要下版本就上，你会怎么作？安全
若是是产品大哥，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；bash
若是是产品妹子，就让她请你喝咖啡，而后谈天说地，趁此机会告诉她“仍是选择世界和平吧，比作指纹支付简单多了。”服务器
固然，想象仍是太温柔了。真正作过指纹支付项目的在下，常常会在半夜三更回忆起当年作指纹支付需求时候的噩梦，在梦里，我就给本身加戏，手撕产品经理。微信
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？”架构
系统接口行不行？app
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如今各个产品的PM列表排期中。可是，Android 6.0之前的设备，并无一个统一的指纹认证接口。这也就意味着若是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，而且还要维护厂商的接口升级。若是结合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。微信公众平台
好在，从Android 6.0开始，系统提供了标准的FingerprintManager。这一重大利好，让作着相似需求的程序猿们仿佛在黑暗中看到一丝光明，由于这个接口看上去是那么简单易用。不管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，就能够实现指纹认证功能：
FingeprintManager mFingeprintManager = ...
mFingeprintManager.authenticate(null,
mCancellationSignal, 0 , new AuthenticationCallback(){...},
null);
复制代码
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！
可是仔细看下这个接口，感受哪里不太对：接口仅仅返回认证成功/失败，若是直接信任这个结果，手机被root了，岂不是随时能够将认证结果从false改成true？
那咱们换一种思路：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否是root呢？不也是经过Android接口获取的值么？这个值同样能够被改掉。
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，因此在发布指纹认证接口的同时，加强了本来的KeyStore接口，和Fingeprprint接口联动（代码实现可参考Google官方Sample，连接：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以后，容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，包括应用本身甚至Android系统都没法获取私钥，除非用户使用指纹受权才能使用，签名或者加密传入的数据，而后输出密文。这样的话，就能够利用密钥的签名-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以后，才能产生正确的签名，后台验签便可，这样就能保证链路安全。
这个设计很是巧妙，可是Google百密一疏：若是黑客在密钥生成的时候就拦截了请求，替换为本身的密钥，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。
另外还有一个问题，若是仅仅返回true/false，那么只要是录入到设备内的指纹，就能够假冒你的身份支付。这对于家里有熊孩子的家长来讲，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也是同样），只要知道了锁屏密码就能够录入新的指纹。若是支付后台直接信任指纹认证结果，就至关于将本来很是秘密的支付密码，退化到了锁屏密码的级别。这样，不管支付后台作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。
固然，当时也有相似于FIDO（连接：https://fidoalliance.org/）之类的认证联盟，可是整个流程过于复杂，甚至还要求在应用后台植入sdk。并且，相似方案的中心服务权限太高，会致使如支付笔数、开通用户数等关键指标为人所知，所以也就没法使用。而且支持设备数实在太少，也并没有接入动力。
研究过这些以后，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？
让咱们回头看看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，使得用户受权即签名变得可能，完美！
那Google没有作到什么呢？
- 因为没有一个可信的信任根，致使密钥很容易被替换；
- 没法从认证结果中获取究竟是哪个用户受权本次认证请求；
同时，咱们意识到，在生物认证领域这个千亿级市场中，缺少一个统1、安全、易接入的认证标准，微信有这样的需求，其余应用也必然如此。微信有能力解决这些问题，实现本身的业务需求，也但愿将成功经验复制。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，微信义不容辞，这就是SOTER的起源。
若是以作标准的要求来实现SOTER，那么除了刚刚所述的系统接口缺陷以外，系统设计时还须要考虑：
- 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；
- 若是有后台交互，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，第三方应用只须要操做上层接口，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）？
信任根的重要性以前已经说明。若是一个系统依赖密钥签名，有一个能够信任的根密钥，才有可能构建安全的信任模型。可是，若是一台手机出厂以后才产生根密钥（ATTK），那么中间有足够时间窗口给到黑产从业者替换掉它。所以，常规方式产生根密钥必定是不行的。因此，咱们有了一个大胆的想法：直接与厂商合做，在设备出厂以前，产线上生成设备根密钥，公钥经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，可是因为咱们直接通产业链上游（高通、MTK等）合做，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作了最小化的改造。It’s tough, but we did it!
设备根密钥流程
- 厂商在产线上对设备下发生成设备根密钥命令；
- TEE中生成一对设备惟一的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能够读取（包括微信与设备厂商），公钥以及设备ID导出；
- 公钥和设备ID上传到厂商服务器，以后经过公众平台安全接口，传输到微信公众平台；
- 微信公众平台将公钥与设备ID传输到微信TAM服务器。
这里，咱们又遇到了咱们的老朋友：TEE（Trusted Execution Environment），后面咱们也会屡次与这个名词打交道。若是想要看详细的介绍，能够参考这里（连接：https://en.wikipedia.org/wiki/Trusted_execution_environment）。固然了，我相信大部分同窗都跟我同样，只想要一个形象的解释。简单地说，你的手机中，除了相似Android这样的操做系统以外，还有一个独立的环境。这个环境目前并没有行之有效的破解方法，也就是说即便Root了Android系统，都没法破解TEE中的数据。若是将整部手机比做房子的话，Android操做环境就是客厅，TEE就是你的保险箱。可想而知，若是将全部的数据都存储在TEE，关键操做也在TEE内进行，岂不美哉！固然了，这样的话，全部从TEE中出来的敏感数据，就必定要添加上使用可信密钥对其的签名了。
有了设备根密钥以后，认证链的构造逻辑就清晰了不少：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能够了！
如何构造完整认证流程？
方法论有了，实施就变得简单。
可是，依然有一个问题须要思考：到底须要多少层密钥呢？密钥层数少，那么每一次都须要前往中心服务（微信TAM）验签，对第三方应用而言，会更担忧泄露本身的商业逻辑；密钥层数越多，会增长了传输复杂度和失败率。通过多方讨论，SOTER决定使用三级密钥，除了产线预制的设备根密钥以外，增长定义应用密钥（每个应用生命周期内只须要存在一对）和业务密钥（每个业务须要一对）。事实证实，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。为何？往下看。
架构
SOTER架构图
咱们十分欣赏Google的指纹和密钥模块接口设计，所以，咱们与厂商合做，在此基础上添加patch包，便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
- 应用第一次启动时，或者在第一次使用业务以前，请求生成设备根密钥;
- 密钥生成以后，私钥在被TEE保护，加密存储;
- 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以后，返回给应用;
- 应用将公钥相关信息和签名传输至应用后台;
- 应用后台经过微信公众平台后台接口，请求验签;
- TAM使用对应的设备密钥公钥验签，经过以后返回给应用;
- 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相关操做都会使该值自增，后台存储该放重放因子。若是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，通常而言每个应用都有一个uid，可用于区分应用以及权限控制。注意，uid不一样，对应的应用密钥与业务密钥均不一样，后台应将uid与cpu_id一块儿区分密钥。
准备业务密钥（Auth Key）
准备业务密钥流程示意图
- 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受权，不然私钥不可以使用。
- 密钥生成以后，私钥在被TEE保护，加密存储;
- 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以后，返回给应用;
- 应用将公钥相关信息和签名传输至应用后台;
- 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;
- 验签成功以后，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，再也不赘述。
认证流程
认证流程示意图
- 客户端请求后台，获取挑战因子;
- 获取挑战因子以后，将挑战因子送往TEE，准备签名结构体，准备签名；
- 应用请求用户指纹受权；
- 用户指纹受权后，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，若是成功，则这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，咱们在自我欣赏的路上越走越远。回过头来看，SOTER是否知足了咱们的要求呢？
- 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：认证以后，TEE内部直接传输本次使用的指纹ID，可以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，今后即便后台设计再烂，也再也不惧怕脱库;
- 后台交互不暴露隐私：首创应用密钥，保证业务开通、业务使用量等不须要通过应用服务器;
- 后台不须要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。
固然了，咱们的方案获得了各大厂商、芯片上的承认，在短期内，已经拥有了数亿设备的支持，覆盖几乎全部的主流手机品牌，所以应用接入彻底无须考虑是否须要多设备适配，或者质疑适配不足。顺便，咱们支持了vivo和OPPO的5.x指纹机型，即便系统自己不具备统一的指纹接口。
然而，还有最后两点没有作到：
- 客户端接入门槛低，客户端sdk轻量，甚至不须要sdk；
- 简单易用，客户端无须进行深度开发便可使用。
解决这两个问题的方法只有：开源！
咱们开源了什么？
为了知足不一样应用的不一样场景，咱们开源了：
- SOTER客户端核心接口soter-core：SOTER内部操做密钥、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？若是你只须要作锁屏之类对安全性要求不高的需求，只须要：
- 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'
...
}复制代码
- 声明权限
在 AndroidManifest.xml中添加使用指纹权限
<uses-permission
android:name="android.permission.USE_FINGERPRINT"/>复制代码
- 初始化
初始化过程整个应用声明周期内只须要进行一次，用于生成基本配置和检查设备支持状况。你能够选择在Application的onCreate()中，或者在使用SOTER以前进行初始化。
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);复制代码
- 准备密钥
须要在使用指纹认证以前生成相关密钥
SoterWrapperApi.prepareAuthKey(new
SoterProcessCallback<SoterProcessKeyPreparationResult
>() {...},false, true, 0, null, null);复制代码
- 进行指纹认证
密钥生成完毕以后，可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);复制代码
固然了，若是你想要实现指纹支付、指纹登陆等高安全性场景，还有一些其余工做要作，具体能够参考咱们的示例代码（连接：https://github.com/Tencent/soter/tree/master/soter-client-demo）和安全接入文档（连接：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） 开源以后，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，到指纹登陆、指纹解锁。用过的，都说好。
那么，让咱们再回顾下开头的场景：“咱们要作指纹支付，下个版本上…”，想必你已经知道怎么作了，括弧逃~
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