非交互式全盘加密系统设计与实现*

2020-03-26杨景贺

通信技术 2020年2期

黄沾，杨景贺

（中国电子科技网络信息安全有限公司，四川成都 610041）

0 引言

随着计算机和网络的飞速发展，海量的数据存储在各种设备中。其中，块设备是最主要的存储设备，携带着大量涉密文档。倘若系统存在漏洞被未授权使用或者块设备被盗、丢失，都会引起政府、企业或个人的重大经济和精神损失。如何有效地保护涉密文档的安全性，尤其在计算机丢失或失窃后，防止机密信息非法泄露，对目前普遍存在的存储安全提出了新的挑战。在通用消费者领域，Android智能手机操作系统在其3.0版本中提供了存储加密功能[1]，而微软的Windows也推出了BitLocker功能[2]，可以对整个磁盘进行加密。但式，这些解决方案需要大量的用户响应（如输入密码），无疑不适应于工业环境中运行的设备，因为这些设备要求7×24 h运行，无人工干预。因此，本文设计并实现了一个适用于工业环境的非交互式全盘加密系统，下面将从设计目标、方案和实现3个方面分别进行描述。

1 全盘加密系统设计目标

本系统的设计目标是一个尽量利用现有硬件设施，在不增加硬件成本的基础上，使用软件方来提高设备存储私密性，同时对现有应用做到无缝衔接。

（1）兼容性：设计方案必须保持对现有设备的兼容性，如ARM平台、X86平台和龙芯平台等。

（2）密钥随机：每台设备的密钥都可以随机设置，避免一台主机被破解后所有主机都告破，形成事实上的“后门”。

（3）硬件绑定：每个存储的访问都与该存储所在设备绑定，将存储通过物理方法取出直接访问，或者放置到其他任何设备无法直接访问存储。

（4）易用性：方案应尽量减少对现有应用的干扰，即现有应用可以不做任何更改。

（5）非交互式：由于设备运行要求7×24 h无人值守运行，必须要求系统必须是非交互式的，与现有的加密系统有根本区别。

2 全盘加密系统设计方案

2.1 概述

将系统分为MBR镜像、Bootloader（这里为GRUB2）、内核与文件系统和其他分区等，位置如图1所示。

图1 存储分区

MBR镜像位于是磁盘第一个扇区（512 Bytes），包含了分区表与GRUB2的stage1加载代码。GRUB2镜像位于MBR与实际分区间的空隙，由于设备本身没有加解密设施，所以GRUB2这里未被加密。而内核与文件系统及后面的分区都已被加密处理（图1中阴影部分）。GRUB2会在启动过程中自动获取密钥并将内核与文件系统解密，然后再启动解密后的内核。

基于设计目标，需要将密钥存放于设备的硬件中，以达到与设备绑定的目的，同时存储的信息必须保留。同时，为了安全性，密钥至少需要保留16 Bytes以上，以防止暴力破解。基于以上考虑，选择网卡ROM存放密钥。

2.2 系统初始化及加密

在设备未加密前，需要进行系统初始化工作。在进入系统后：

（1）随机生成密钥并将密钥写入网卡ROM中；

（2）调用cryptsetup工具，将未加密分区转换为加密分区。

2.3 GRUB2解密

在GRUB2中，需要应对分区加密与未加密两种情况。最重要的是获取密钥并解密，因为网卡一般采用PCI接口与设备相连，而GRUB2提供了完善的PCI访问接口，可以较容易地进行PCI设备寄存器访问。

2.4 文件系统解密

在设备运行过渡到内核并切换到文件系统后，为了让其他应用程序能访问存储分区，需要再次将存储解密。这里比较简单，获取ROM以及解密都有现成的工具可用。

3 全盘加密系统的实现

为了实现上述系统，需要整合多个现有技术。下面从关键技术及其用法出发，阐述功能实现的方法。

3.1 关键技术

3.1.1 GRUB2

GRUB2（GRand Unified Bootloader 2）是原GRUB的升级版本，支持多个体系平台和多种部署方式，同时内置了对多个加密方法的支持，包括LUKS、geli等。此外，GRUB2支持密码锁定等常见安全措施。

3.1.2 LUKS

LUKS（Linux Unified Key Setup）是 Linux硬盘加密标准，通过提供标准的磁盘格式，不仅可以促进发行版之间的兼容性，还可以提供对多个用户密码的安全管理。

对于本方案而言，使用LUKS有以下几点考虑：

（1）实现相对容易，在GRUB2中已有基本的LUKS模块，实现了基本的LUKS加密分区读取，后续只要获取密钥传递给LUKS模块即可。

（2）支持多个密码：LUKS支持增加和删除用户密码，后续在系统更新时可随时更换密码，提高了安全性。

（3）LUKS作为广泛应用的加密标准，安全性得到了良好验证，同时其对应的工具cryptsetup功能强大、稳定可靠。

3.2 密钥的存放与获取

密钥的存放与获取是本方案的关键，这里以网卡ROM作为密钥存放点为例。实际使用中还可以将ROM中的信息做多重变换，如使用pbkdf2算法增加破解难度。

密钥的设置是在文件系统启动后进行，而密钥的读取同时存在于GRUB2与文件系统启动后。

所以，设置一个可执行文件diskkey作为文件系统启动后密钥的写入与读取，而在GRUB2流程中将作为补丁打入GRUB2的LUKS模块，替换原有的提示用户输入密码部分。

3.2.1 diskkey实现

diskkey实现密钥的读取与写入，实现必须保密，防止对外泄露。diskkey的实现与设备高度关联，而且应该不定时变换。

示例：

ethtool -e eth0 raw on offset 0 length 32

ethtool读取网卡ROM信息中前32位信息作为密钥输出。

3.2.2 GRUB2实现

以Intel网卡芯片82540为例，其开发手册记录了如何使用EEPROM Read register（EERD）寄存器来访问网卡ROM。

示例：

regs是寄存器基地址，根据手册EERD位于0x14h，即第5个双字的位置。regs[0x5]=eerd将想要访问的ROM地址赋予EERD寄存器，后续检测EERD的DONE bit是否置位，置位表示网卡已经将ROM内容写入EERD寄存器。需要注意，该函数每次能够读取两字节（一个字）长度的ROM，需要按照密钥存储约定多次调用。而regs变量的获得，可以通过调用grub2 pci接口相关API获取。

3.3 GRUB2启动流程

设备启动后会加载GRUB2，而GRUB2必须判断存储是否已经加密。如果未加密，则走初始化流程；如果已经加密，则必须调用解密命令，再加载解密后的内核与文件系统。

一个GRUB2配置文件示例：

GRUB2一开始加载biosdisk和part_msdos两个模块，以便后续访问设备上的存储及其分区，然后加载LUKS模块。LUKS模块已经经过修改，不会再提示用户输入密码，能自动加载磁盘密码。

if linux (hd0,msdos1)/vmlinuz这行尝试直接加载分区上的内核，如果成功，说明磁盘还没有加密，继续加载initramfs，然后启动。如果加载失败，系统尝试使用cryptomount解密分区。解密后的分区用crypto0表示，如果linux指令依然无法访问内核，则表示解密过程失败，设备可能存在异常情况，系统进行关机处理。

3.4 文件系统启动流程

系统启动后，需要将原加密分区进行解密，这样对其他应用不会造成干扰。解密过程主要使用cryptsetup工具[3]，示例如下（DEVICE变量为LUKS所在分区设备名）：

cryptsetup isLuks判断分区是否经过LUKS加密。diskkey读取加密密钥，cryptsetup luksOpen完成解密过程，最后调用mount挂载加密分区，后续使用与普通分区相同。

3.5 系统防护

系统启动后，必须确保系统访问是授权情况。如果解密方式公开，意味着加密失效。所以，在现有Linux安全防护措施基础上，对整个启动流程进行了全方面的系统安全加固。

3.5.1 锁定GRUB2

GRUB2是系统启动的第一步，可以任意指定内核、文件系统、内核参数等。所以，为了系统的安全启动，必须锁定GRUB2。GRUB2提供了锁定其运行配置文件的方法，使GRUB2只能按照指定的流程运行，包括固定的内核、内核参数等。

示例：

set superusers="root"设置超级用户为root,后面password_pbkdf2设置root密码（即XXXX部分），root密码调用grub-mkpasswd-pbkdf2命令生成。menuentry表示后面的启动命令无需认证即可执行。

最后达到的效果是menuentry中的启动流程可以无干扰执行，而要修改启动项如修改内核参数，需要输入root用户密码进行认证。

3.5.2 禁用init与rdinit内核参数

由于GRUB2是未加密的，虽然在上一步已做锁定GRUB2，但是仍然要堤防GRUB2配置文件被修改。必须假定GRUB2传给内核的参数已经被修改，而内核默认提供了init(rdinit)内核参数来自定义内核启动的init进程执行文件路径。通过修改init参数，如直接修改为/bin/sh，可以直接绕过登录认证访问文件系统，就直接暴露了diskkey的实现，导致加密系统告破。由于使用initramfs启动，对应的是rdinit参数，只需要禁用rdinit参数即可。解决办法比较简单，将内核中rdinit参数处理函数注释掉即可，对应的代码位于init/main.c中，不做赘述。

3.5.3 系统固件加密

系统揭秘方法也在系统的升级固件中可以获取，所以系统固件必须加密。由于各个系统实现不同，这部分不做展开。