移动端系统生物认证技术详解

相信大家对于生物认证应该不会陌生,使用指纹登陆或者 FaceId 支付等的需求场景如今已经很普遍,所以基本上只要涉及移动端开发,不管是 Android 、iOS 或者是 RN 、Flutter 都多多少少会接触到这一业务场景。

当然,不同之处可能在于大家对于平台能力或者接口能力的熟悉程度,「所以本篇主要介绍 Android 和 iOS 上使用系统的生物认证需要注意什么,具体流程是什么,给需要或者即将需要的大家出一份汇总的资料」

:warning:注意:「本篇更倾向于调研资料的角度,适合需要接入或者在接入过程中出现疑问的方向,而不是 API 使用教程,另外篇幅较长警告~」

首先,先简单说一个大家都知道的概念,那就是不管是 Android 或者 iOS ,不管是指纹还是 FaceId ,只要使用的是系统提供的 API ,「作为开发者是拿不到任何用户的生物特征数据,所以简单来说你只能调用系统 API ,然后得到成功或者失败的结果」

一、Android

Android 上的生物认证发展史可以说是十分崎岖,目前简单来说经历了两个阶段:

  • FingerprintManager (API 23)
  • BiometricPrompt(API 28)

所以如下图所示,你会看到其实底层有两套 Service 在支持生物认证的 API 能力,但是值得注意的是, FingerprintManager 在 Api28(Android P)被添加了 @Deprecated 标记 ,包括 androidx 里的兼容包 FingerprintManagerCompat 也是被标注了 @Deprecated ,因为官方提供更傻瓜式,更开箱即用的 androidx.biometrics.BiometricPrompt

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1.1、使用 BiometricPrompt

简单介绍下接入 BiometricPrompt ,首先第一步是添加权限

<manifest xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
    package="com.test.biometric">
    <uses-permission android:name="android.permission.USE_BIOMETRIC" />
    <uses-permission android:name="android.permission.USE_FINGERPRINT" />

</manifest>

接着调用 BiometricPrompt 构建系统弹出框信息,具体内容对应可见下图:

最用设置 AuthenticationCallback 和调用 authenticate ,然后等待授权结果进入到成功的回调:

    biometricPrompt = new BiometricPrompt(activity, uiThreadExecutor, authenticationCallback);
    biometricPrompt.authenticate(promptInfo);

当然上述代码还少了很多细节:

  • 比如需要是 FragmentActivity ;
  • 检测设备是否支持生物认证(还有不支持的现在?);
  • 判断支持哪种生物认证,当然默认 BiometricPrompt 会帮你处理,如果有多种会弹出选择;

而认证不成功的时候可以在 onAuthenticationError 里获取到对应的错误码:

onAuthenticationError Type
BIOMETRIC_ERROR_LOCKOUT 操作被取消,因为 API 由于尝试次数过多而被锁定(一般就是在一次 authenticate 里例如多次指纹没通过,锁定了, 但是过一会还可以调用)
BIOMETRIC_ERROR_LOCKOUT_PERMANENT 由于 BIOMETRIC_ERROR_LOCKOUT 发生太多次,操作被取消,这个就是真的 LOCK 了。
BIOMETRIC_ERROR_NO_SPACE 剩余存储空间不足
BIOMETRIC_ERROR_TIMEOUT 超时
BIOMETRIC_ERROR_UNABLE_TO_PROCESS 传感器异常或者无法处理当前信息
BIOMETRIC_ERROR_USER_CANCELED 用户取消了操作
BIOMETRIC_ERROR_NO_BIOMETRIC 用户没有在设备中注册任何生物特征
BIOMETRIC_ERROR_CANCELED 由于生物传感器不可用,操作被取消
BIOMETRIC_ERROR_HW_NOT_PRESENT 设备没有生物识别传感器
BIOMETRIC_ERROR_HW_UNAVAILABLE 设备硬件不可用
BIOMETRIC_ERROR_VENDOR 如果存在不属于上述之外的情况,Other

1.2、BiometricPrompt 自定义

简单接入完 BiometricPrompt 之后, 你可能会有个疑问: BiometricPrompt 是很方便,但是 UI 有点丑了,可以自定义吗?

「抱歉,不可以」 ,是的,BiometricPrompt 不能自定义 UI,甚至你想改个颜色都“费劲”, 如果你去看 biometric 的源码,就会发现官方并没有让你自定义的打算,除非你 cv 这些代码自己构建一套,至于为什么会有这样的设计,我个人猜测**「其中一条就是屏下指纹」**。

在官方的 《Migrating from FingerprintManager to BiometricPrompt》里也说了:丢弃指纹的布局文件,因为你将不再需要它们,AndroidX 生物识别库带有标准化的 UI。

什么是标准化的 UI ?如下所示是使用 BiometricPrompt 的三台手机,可以看到:

  • 第一和第二台除了位置有些许不同,其他基本一致;
  • 第三胎手机是屏下指纹,可以看到整个指纹输入的 UI 效果完全是厂家自己的另外一种风格;

「所以使用 BiometricPrompt 你将不需要关注 UI 问题,因为你没得选,甚至你也不需要关注手机上的生物认证类型的安全度问题,因为不管是 CDD 还是 UI ,OEM 厂商的都会直接实现好」,例如三星的 UI 是如下图所示:

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Android 兼容性定义文档 (Android CDD)_里描述了生物认证传感器安全度的强弱,而在 framework 层面 BiometricFragmentFingerprintDialogFragment 都是 @hide ,甚至你单纯去翻 androidx.biometric:biometric.aar 的库,你都看不到 BiometricFragment 的布局,只能看到 FingerprintDialogFragment的 layout。

那就没办法自定义 UI 了吗?还是有的,有两个选择:

  • 继续使用 FingerprintManager ,虽然标注了弃用,但是目前还是可以用,在 Android 11 上也可以正常执行对应逻辑,下图是同一台手机在 Android 11 上使用 FingerprintManagerBiometricPrompt 的对比:

  • 使用腾讯的 soter ,这个我们后面讲;

1.3、Login + BiometricPrompt

介绍完调用和 UI ,那就再结合 Login 场景聊聊 BiometricPrompt ,官方针对 Login 场景提供了一个 Demo ,这里主要介绍整个业务流程,具体代码可以看官方的 BiometricLoginKotlin ,前面说过生物认证只提供认证结果,那么结合 Login 业务,在官方的例子中 BiometricPrompt 主要是用于做认证和加密的作用」

如上图所示,场景是在登陆之后,我们获取到了用户的 Token 信息,这个 Token 信息可能是服务器基于用户密码合并后的内容,所以它包含了一些敏感隐私,为了安全期间我们不能直接存储,而是利用 BiometricPrompt 去实现加密后存储:

  • 首先通过 KeyStore,主要是得到一个包含密码的 SecretKey ,当然这里有一个关键操作,那就是 setUserAuthenticationRequired(true),后面我们再解释;
  • 然后利用 SecretKey 创建 ClipherClipher 就是 Java 里常用于加解密的对象;
  • 利用 BiometricPrompt.CryptoObject(cipher) 去调用生物认证授权;
  • 授权成功后会得到一个 AuthenticationResult ,Result 里面包含存在密钥信息的 cryptoObject?.ciphercipher.iv 加密偏移向量;
  • 利用授权成功后的 cryptoObject?.cipher 对 Token 进行加密,然后和 cipher.iv 一起保存到 SharePerferences ,就完成了基于 BiometricPrompt 的加密保存;

是不是觉得有点懵?简单说就是:「我们通过一个只有用户通过身份验证时才授权使用的密钥来加密 Token ,这样不管这个 Token 是否泄漏,对于我们来说都是安全的。」

然后在 KeyStore 逻辑里这里有个 setUserAuthenticationRequired(true) 操作,这个操作的意思就是:是否仅在用户通过身份验证时才授权使用此密钥,也就是当设置为 true 时:

「用户必须通过使用其锁屏凭据的子集(例如密码/PIN/图案或生物识别)向此 Android 设备进行身份验证,才能够而授权使用密钥。」

也就是只有设置了安全锁屏时才能生成密钥,而一旦安全锁屏被禁用(重新配置为无、不验证用户身份的模式、被强制重置)时,密钥将不可逆转地失效。

另外可以设置了 setUserAuthenticationValidityDurationSeconds 来要求密钥必须至少有一个生物特征才可用,而一但它设置为 true,如果用户注册了新的生物特征,它也将不可逆转地失效。

「所以可以看到,这个流程下密钥会和系统安全绑定到一起,从而不害怕 Token 等信息的泄漏」,也因为授权成功后的 CryptoObjectKeyStore 集成到一起,可以更有效地抵御例如 root 的攻击。

而反之获取的流程也是类似,如下图所示:

  • SharePerferences 里获取加密后的 Token 和 iv 信息;
  • 同样是利用 SecretKey 创建 Clipher ,不过这次要带上保存的 iv 信息;
  • 利用 BiometricPrompt.CryptoObject(cipher) 去调用生物认证授权;
  • 通过授权成功后的 cryptoObject?.cipher 对 Token 进行加密,得到原始的 Token 信息;

所以可以看到,「基本思路就是利用 BiometricPrompt 认证后得到 CryptoObject?.Cipher 去加解密,通过系统的安全等级要保护我们的隐私信息」

最后补充一个知识点,虽然一般我们不关心,但是在 BiometricPrompt 里有 「auth-per-use」「time-bound」 这两个概念:

  • 「auth-per-use」 密钥要求每次使用密钥时,都必须进行认证 ,前面我们通过 BiometricPrompt.CryptoObject(cipher) 去调用授权方法就是这类实现;
  • 「time-bound」 密钥是一种在一定的时间段内有效的密钥,可以通过 setUserAuthenticationValidityDurationSeconds 设置有效时长,如果你设置为很短,例如 5 秒,那行为上和 auth-per-use 基本类似;

更多资料可以参考官方的 biometric-authentication-on-android

1.4、Tencent soter

前面说到 Android 上还有 soter ,腾讯在微信指纹支付全流程之上,将它的流程抽象为一套完备的生物识别标准:SOTER。

SOTER 会与手机厂商合作,在系统原有的接口能力之上提供安全加固,通过业务无关的安全域(TEE,即独立于手机操作系统的安全区域,root或越狱无法访问到)应用程序(TA)降低开发难度和适配成本,「做到即使外部环境不可信,依然可以安全授权。」

TEE(Trusted Execution Environment)是独立于手机操作系统的一块独立运行的安全区域,SOTER标准中,所有的密钥生成、数据签名处理、指纹验证、敏感数据传输等敏感操作均在 TEE 中进行,「并且 SOTER使用的设备根密钥由厂商在产线上烧入,从根本上解决了根密钥不可信的问题,并以此根密钥为信任链根,派生密钥,从而完成」,与微信合作的所有手机厂商将均带有硬件TEE,并且通过腾讯安全平台和微信支付安全团队验收,符合SOTER标准。

简而言之,这是一个支持直通厂商,并且具备后台服务对接校验的第三方库,目前最近 5 个月都还有在更新,那它有什么问题呢?

那就是**「必须是与微信合作的所有手机厂商和机型才能正常使用」** ,而且经常在一些厂商系统上出现奇奇怪怪的问题,比如:

  • MiUI13 绑定服务异常;
  • 鸿蒙系统API层面报错;
  • 莫名其妙地出现崩溃;

但是它可以实现基本类似于微信支付的能力,所以如何取舍就看你的业务需求了。

支持机型可查阅 :#有多少设备已经支持tencent-soter

iOS

相对来说 iOS 上的生物认证就舒适不少,相比较 Android 上需要区分系统版本和厂商的 fingerprintfaceiris ,iOS 上的 Face ID 和 Touch ID 就十分统一和简洁。

简单介绍下 iOS 上使用生物认证,首先需要在 Info.plist 文件添加描述信息:

<key>NSFaceIDUsageDescription</key>
<string>Why is my app authenticating using face id?</string>

然后导入头文件 #import <LocalAuthentication/LocalAuthentication.h> ,最后创建 LAContext 去执行授权操作,这里也简单展示对应的错误码:

Error Code Type
LAErrorSystemCancel 系统取消了授权,比如有其他APP切换
LAErrorUserCancel 用户取消验证
LAErrorAuthenticationFailed 授权失败
LAErrorPasscodeNotSet 系统未设置密码
LAErrorBiometryNotAvailable ID不可用,例如未打开
LAErrorBiometryNotEnrolled ID不可用,用户未录入
LAErrorUserFallback 用户选择输入密码

而同样关于自定义 UI 问题上,想必大家都知道了,「iOS 生物认证没有自定义 UI 的说法,也不支持自定义 UI ,系统怎么样就怎么样,你可以做的只有类似配置‘是否允许使用密码授权’这样的行为」

在这一点上相信 Android 开发都十分羡慕 iOS ,有问题也是系统问题,无法修复。

同样,简单说说在 iOS 上使用生物识别的 Login 场景流程:

  • 获取到 Token 信息后,验证用户的 TouchID/FaceID ;
  • 验证通过后,将 Token 等信息保存到 keychain (keychain 只是一个数据存储,用于存储一些敏感数据如密码、证书等);
  • 保存成功后,下次再次登录时通过验证 TouchID/FaceID 获取对应信息;

这里主要有两个关键点:

  • 「访问级别」 :例如是否需要每次都进行身份验证时才可以访问项目;
  • 「身份验证级别」:也就是什么场景下可以访问到存储的信息;

举个例子,访问 keychain 首先是需要创建 accessControl ,一般可以通过 SecAccessControlCreateWithFlags 来创建 accessControl ,这里有个关键参数用于指定访问级别:

  • kSecAttrAccessibleAfterFirstUnlock 开机之后密钥不可用,需要等用户输入开机密码
  • kSecAttrAccessibleAfterFirstUnlockThisDeviceOnly: 开机之后密钥不可用,需要等用户输入开机密码,但是仅限于当前设备
  • kSecAttrAccessibleWhenUnlocked: 解锁过的设备密钥会保持可用状态
  • kSecAttrAccessibleWhenUnlockedThisDeviceOnly: 解锁过的设备密钥会保持可用状态,仅当前设备
  • kSecAttrAccessibleWhenPasscodeSetThisDeviceOnly: 解锁过的设备密钥会保持可用状态,只有用户设置密码后密钥才可用
  • kSecAttrAccessibleAlways: 始终可用,已经 Deprecated
  • kSecAttrAccessibleAlwaysThisDeviceOnly: 密钥始终可用,但无法迁移到其他设备,已经 Deprecated

类似场景下一般使用 kSecAttrAccessibleWhenPasscodeSetThisDeviceOnly ,另外还有 SecAccessControlCreateFlags标志,它主要是用于指定希望用户在访问钥匙串时的约束,一般类似场景会使用 userPresence

  • devicePasscode: 限制使用密码访问
  • biometryAny: 使用任何已注册 touch 或 face ID 访问
  • biometryCurrentSet: 限制使用当前注册 touch 或 face ID 访问
  • userPresence: 限制使用生物特征或密码访问
  • watch: 使用手表访问

创建完成 accessControl 之后,通过设置 kSecAttrAccessControl 后正常把信息存储到 keychain 就可以了,在存储 keychain 时也有可选的 kSecClass ,一般选用 kSecClassGenericPassword

  • kSecClassGenericPassword: 通用密码
  • kSecClassInternetPassword:Internet 密码
  • kSecClassCertificate:证书
  • kSecClassKey:加密密钥
  • kSecClassIdentity: 身份认证

当然,此时你是否发现,在谈及 accessControl 和 keychain 时没有说明 LAContext

其实在创建 accessControl 时是有对应 kSecUseAuthenticationContext 参数用于设置 LAContext 到 keychain 认证,但是也可以不设置,具体为:

  • 如果未指定,并且该项目需要 authentication 认证,那就会自动创建一个新的 LAContext ,使用一次后丢弃;
  • 如果是使用先前已通过身份验证的 LAContext ,则操作直接成功而不要求用户进行身份验证;
  • 如果是使用先前未经过身份验证的 LAContext ,则系统会尝试在该 LAContext 上进行身份验证,如果成功就可以在后续的钥匙串操作中重用。

更多可见官方的:accessing_keychain_items_with_face_id_or_touch_id

可以看到, iOS 上都只需要简单地配置就行了,因为系统层面也不会给你多余的能力。

三、最后

虽然本篇从头到位并没有教你如何使用 Android 或者 iOS 的生物认证,但是作为汇总资料,本篇基本覆盖了 Android 或者 iOS 生物认证相关的基本概念和问题,相信本篇将会特别适合正在调研生物认证相关开发的小伙伴。

最后,还是惯例,如果对于这方便你有什么问题或者建议,欢迎留言评论交流。

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