Android指纹认证框架

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Contents

上半年在实习没有更博，做了与手机指纹认证相关的项目，由于项目需要阅读了 AOSP 相应部分的源码，在这篇博文里做一个系统化的整理~

安卓生物识别架构

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Android Q(10) 开始引入了 BiometricManager 类，本文基于这一架构，结合最新的 AOSP 源码介绍安卓的指纹识别架构，侧重与发起指纹认证相关的方法（非其它生物认证方式或录入流程）。

Android Code Search: https://cs.android.com/

BiometricManager

frameworks/base/core/java/android/hardware/biometrics/BiometricManager.java

/**
 * A class that contains biometric utilities. For authentication, see {@link BiometricPrompt}.
 */

  • static final 成员变量：定义在 BiometricConstants 类中的 SUCCESS, ERROR_HW_UNAVAILABLE, ERROR_NONE_ENROLLED, NO_HARDWARE

  • 构造函数：传入 Context, IAuthService (Communication channel from BiometricPrompt and BiometricManager to AuthService)

    AuthService: System service that provides an interface for authenticating with biometrics and PIN/pattern/password to BiometricPrompt and lock screen.

    在系统层，根据认证类型注册相应的服务（FingerprintService, FaceService, IrisService），做检查权限等

  • 接口 Authenticators：认证类型的结合(e.g. DEVICE_CREDENTIAL | BIOMETRIC_WEAK)，包含生物认证的强度（STRONG, WEAK），用于设备保护的非生物认证方式（DEVICE_CREDENTIAL: PIN, pattern, password）

  • canAuthenticate, hasEnrolledBiometrics 方法：检查设备是否支持生物识别身份验证，是否有录入的生物特征，以及相应的权限检查

BiometricPrompt

frameworks/base/core/java/android/hardware/biometrics/BiometricPrompt.java

/**
 * A class that manages a system-provided biometric dialog.
 */

  • 私有成员变量

    • 用于请求：IAuthService 类型的 mService，在构造函数中根据认证类型被赋值

      mService = IAuthService.Stub.asInterface( // 得到一个IAuthService实例
                ServiceManager.getService(Context.AUTH_SERVICE));

    • 用于接收：IBiometricServiceReceiver 类型的 final 变量 mBiometricServiceReceiver，其中的方法实现为根据系统服务返回的认证结果选择 mAuthenticationCallback 中的回调执行；

      private final IBiometricServiceReceiver mBiometricServiceReceiver =
            new IBiometricServiceReceiver.Stub() {
    
        @Override
        public void onAuthenticationSucceeded(@AuthenticationResultType int authenticationType)
                throws RemoteException {
            mExecutor.execute(() -> {
                final AuthenticationResult result =
                        new AuthenticationResult(mCryptoObject, authenticationType);
                mAuthenticationCallback.onAuthenticationSucceeded(result);
            });
        }
    
        @Override
        ...
}

      mAuthenticationCallback 为 ` AuthenticationCallback 类型，在私有方法 authenticateInternal` 中被赋值

    • …

  • 抽象内部类 AuthenticationCallback：包含 onAuthenticationError，onAuthenticationHelp (可恢复的错误，如“传感器脏了”)，onAuthenticationSucceed，onAuthenticationFailed等方法，用户可以定制化实现监听到相应事件时要做的；在调用authenticate(User)方法时传入

  • 内部类 OnAuthenticationCancelListener： CancellationSignal.OnCancelListener接口函数的实现，调用私有方法cancelAuthentication，其中通过mService调用系统服务中的cancelAuthentication方法

  • authenticate/authenticateUser 方法：主要传入的参数有 CancellationSignal 类型的 cancel 和AuthenticationCallback 类型的 callback，调用私有方法 authenticateInternal 完成

    (1) 给cancel注册一个监听器，为OnAuthenticationCancelListener 类的实例；

    (2) 将 mBiometricServiceReceiver 依赖的 mAuthenticationCallback 赋值为应用实现的callback；

    (3) 通过 mService，传 mBiometricServiceReceiver 去调用系统服务中的authenticate方法；

    (4) 若在上述过程中有错误发生，则使用 callback 报告“硬件不可达”的错误

  • 内部类 Builder和ButtonInfo，以及返回值类型是它们的方法：处理与系统对话框相关的事务

总结：应用创建 BiometricPrompt 实例时，会通过 AIDL 拥有一个和系统层认证服务沟通的对象 mService。当调用 authenticate(User) 发起认证时，需要传入一个能终止进行中的系统操作的 cancel “开关”、定义了不同认证结果回调行为的 callback，接下来 BiometricPrompt 类内部会做的事主要有

(1) 给 cancel 开关装上监听器，用于开关被按下时通过 mService 告知系统服务去取消认证

(2) 将 callback 的约定包装进用于传回系统认证结果的（AIDL 定义的）接收器

(3) 将包装好的接收器作为参数，通过 mService 向系统服务发起认证请求

至此的两个类是应用可单独创建实例的，接下来介绍系统服务。与上层直接沟通的 AuthService 实现了 AIDL 定义的 authenticate, cancelAuthentication 等方法。

private final class AuthServiceImpl extends IAuthService.Stub { // 实现 .aidl 生成的接口：扩展生成的 Binder 接口（<Interface>.Stub），并实现继承自 .aidl 文件的方法。
    @Override
    public void authenticate(IBinder token, long sessionId, int userId,
                             IBiometricServiceReceiver receiver, String opPackageName, Bundle bundle)
        throws RemoteException {
		...
        try {
            mBiometricService.authenticate(
                token, sessionId, userId, receiver, opPackageName, bundle, callingUid,
                callingPid, callingUserId);
        } finally {
            Binder.restoreCallingIdentity(identity);
        }
    }
    ...
}

在 AuthService.authenticate 方法中调用了 BiometricService.authenticate，其中实例 mBiometricService 在服务启动时通过 registerAuthenticator，使用认证类型对应的服务（如FingerprintService）进行了注册。

FingerprintService

frameworks/base/services/core/java/com/android/server/biometrics/fingerprint/FingerprintService.java

/**
 * A service to manage multiple clients that want to access the fingerprint HAL API.
 * The service is responsible for maintaining a list of clients and dispatching all
 * fingerprint-related events.
 *
 * @hide
 */

  • 构造函数：初始化与错误 延时/总数 计数器相关的变量 mTimedLockoutCleared，mFailedAttempts

  • 私有成员变量

    • mDaemon：IBiometricsFingerprint 类型，用于请求厂商库（支持authenticate, cancel等方法）

    • mDaemonCallback：IBiometricsFingerprintClientCallback 类型

      /**
     * Receives callbacks from the HAL.
     */
private IBiometricsFingerprintClientCallback mDaemonCallback =
    new IBiometricsFingerprintClientCallback.Stub() {
    @Override
    // onAuthenticated: FingerprintService.super.handleAuthenticated(authenticated, fp, token);
    // onError: FingerprintService.super.handleError(deviceId, error, vendorCode);
	...
};

      收到认证结果时调用父类 BiometricServiceBase 中的方法 handleAuthenticated 或 handleError

      protected void handleAuthenticated(boolean authenticated,
                                   BiometricAuthenticator.Identifier identifier, ArrayList<Byte> token) {
    ...
    /*
        if (authenticated) {
            mPerformanceStats.accept++;
        } else {
            mPerformanceStats.reject++; // 失败次数+1
        }
    */
}
    
protected void handleError(long deviceId, int error, int vendorCode) {
    ...
    if (client != null && client.onError(deviceId, error, vendorCode)) {
        removeClient(client);
    }
    
    if (error == BiometricConstants.BIOMETRIC_ERROR_CANCELED) {
        mHandler.removeCallbacks(mResetClientState);
        ...
    }
}

      Android 12 更新: 计数器位于 PerformanceTracker 类

          private static class Info {
        int mAccept; // number of accepted biometrics
        int mReject; // number of rejected biometrics
        int mAcquire; // total number of acquisitions.
    
        int mAcceptCrypto;
        int mRejectCrypto;
        int mAcquireCrypto;
    
        int mTimedLockout; // total number of lockouts
        int mPermanentLockout; // total number of permanent lockouts
    }
    
    // Keyed by UserId
    private final SparseArray<Info> mAllUsersInfo;
    private int mHALDeathCount;

  • 私有方法 getFingerprintDaemon ：根据 HIDL 的定义，获得厂商库支持的认证服务，并用 mDaemonCallback 接收 HAL 的返回

        /** Gets the fingerprint daemon */
    private synchronized IBiometricsFingerprint getFingerprintDaemon() {
        if (mDaemon == null) {
            Slog.v(TAG, "mDaemon was null, reconnect to fingerprint");
            try {
                mDaemon = IBiometricsFingerprint.getService();
            } ...
  
            try {
                mHalDeviceId = mDaemon.setNotify(mDaemonCallback);
            } // Failed to open fingerprint HAL, try again later!
            }...
        }
        return mDaemon;
    }

  • <Deprecated: 通信上层 FingerprintManager 时使用> 私有内部类 FingerprintAuthClient：

    包含 isStrongBiometric, resetFailedAttempts, handleFailedAttempt 等方法

    public int handleFailedAttempt() { // 给用户的失败次数计数器+1
    final int currentUser = ActivityManager.getCurrentUser();
    mFailedAttempts.put(currentUser, mFailedAttempts.get(currentUser, 0) + 1);
    mTimedLockoutCleared.put(ActivityManager.getCurrentUser(), false);
  
    if (getLockoutMode() != AuthenticationClient.LOCKOUT_NONE) {
        scheduleLockoutResetForUser(currentUser);
    }
  
    return super.handleFailedAttempt();
}

Fingerprint HAL

hardware/interfaces/biometrics/fingerprint/2.1/

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IBiometricsFingerprint.hal 中的方法：供应商库中负责实现

IBiometricsFingerprintClientCallback.hal 中的方法：在 FingerprintService 中实现（参见mDaemonCallback）

参考：

  1. source.android.com: 生物识别, 指纹识别身份验证 HIDL
  2. CSDN: Android Q 上的Biometric生物识别之Fingerprint指纹识别流程，理解Aidl中Stub和Stub.Proxy
  3. Medium: Android Fingerprint Framework (1): FingerprintManager，Android Fingerprint Framework (2): FingerprintService，Android Fingerprint Framework (3): Fingerprint HAL，
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