教你加密Root文件系统（图）

当你不能依靠物理安全来保证你文件的安全时，是时候采取额外的步骤加密文件系统了，虽然本文涉及到的是基于PowerPC的系统，但原则上来说也适用于其他架构的系统。
　　在另一篇文章“实现加密的home目录”中，我描写了如何透明地加密home目录，本文叙述另一个技术实现--加密的root文件系统，我论述了GNU/Linux启动过程和软件需求，并提供了一些指令，对Open Firmware做了一下介绍，以及其他一些有关的考虑事项。我用于教学的系统是一台基于PowerPC架构的新世界苹果iBOOK电脑，运行Fedora Core 3预览版，不考虑细节，本文涉及到的概念和程序可以应用到任何设备、架构或操作系统。我提供的指令假设你有一个多余的USB闪存盘并且你系统的支持从USB设备启动。
　　同时，我还假设读者能轻松应用源代码补丁并编译程序，对于Fedora Core 3 Test 3版本，mkinitrd和启动脚本软件包需要打补丁以支持加密的root文件系统，需要掌握基本的分区管理和创建文件系统的知识，执行一个基本的Linux发行版安装超出了本文要求的范畴。
　　在呈现有关的技术步骤之前，一个高层概念必须先讨论：信任。信任与加密技术和认证总是纠缠在一起的，对任何有电子密钥的设备都可以假设它是可信任的。例如：当自动提款机(ATM)与我的银行账号共用个人识别号(PIN)时，我会信任ATM不会将我的PIN与不适当的第三方进行共享。同样，当我给我的计算机提供一个加密密钥时，我假设这个密钥不会与任何其他人进行共享，我会信任这台计算机在我们之间保守秘密。
　　那么，你能信任你的计算机吗?除非你无论到哪里都带着它，否则你真的不能信任它，即使磁盘已经经过加密处理也不行。设想这样一个情景：在你睡觉时，有人偷走了你的计算机，小偷将计算机中加密的内容做了一份拷贝，虽然没有加密密钥而对他来说毫无意义，但是他可以用更恶魔的内容替换笔记本电脑加密的内容，然后再将电脑放回去，当你第二天醒来时，计算机提示你输入加密密码，但是这时你提供的密钥会传输给小偷，他得到密钥后就有一份数据和密钥的拷贝了，他就可以读取你的文件了。
　　这个情景可能显得比较牵强，但是它说明了一点，你不能信任你的笔记本电脑，始终保持你的眼睛你离开它很重要，因此，无论如何优秀地实现你的加密系统，要建立在信任的基础前提条件下才行。
　　网络确保我们可以信任计算机的启动过程，我们需要将其从计算机中分隔出来，考虑这个问题：你携带你的汽车钥匙而不是携带你的汽车。你的密钥自身概念上与你的汽车钥匙一样。你可以更容易地保护你的密钥，因此你不用随时随地都携带上你的计算机，我们将用这个密钥提供启动计算机需要的软件，闪存盘将充当密钥的角色，通过保护启动系统最初的软件，除加密密钥外，我们可以有效地降低启动过程被劫持的风险。
　　你需要连接你的计算机是如何启动的，因为解锁一个加密的root文件系统是对整体的引导过程有影响，目前稳定的内核版本是2.6，可选择使用initramfs来帮助启动，在lwn.net上有一篇文档“initramfs来了”， initramfs是一个cipo归档，内核知道如何解压到基于RAM的磁盘上，这个解压的文件系统包括一个传统的载入内核挂载root文件系统的模块的脚本，在我们的样例中，这个脚本也用于解锁加密的root文件系统，关于这个主题更多的信息可以在文件buffer-format.txt和initrd.txt中找到，这两个文件都在Linux内核源代码发布包中。
　　对Linux有若干个文件系统加密接口是可用的，Jari Ruusu的Loop-AES就是这样一个项目，有多个cryptoloop变种提供一个加密的loopback设备，本文集中讲述最近2.6Linux内核提供的dm-crypt接口，这个接口目前已经被Fedora项目吸收，dm-crypt模块由Fedora内核包提供，还需要一个静态链接cryptsetup，这个实用程序简化了dm-crypt设备的管理，最后，还需要parted和hfsutils来管理启动文件系统。
　　不幸的是，Fedora Core的anaconda安装程序还不支持在盒子外安装加密文件系统，网络绕过这个限制，你必须保留一个空闲分区安装Fedora，格式化空闲分区为一个加密文件系统，然后拷贝原始安装数据到新的加密文件系统上，网络简化，我们假设Fedora已经安装到两个分区上：/dev/hda4，挂载到/home和/dev/hda5，挂载到/，因为/home下还没有用户目录，直到Fedora安装完毕，我们可以使用/dev/hda4作为我们的备用分区，/dev/hda3作为swap分区。
　　安装Fedroa Core 3，挂载/dev/hda4到/home，/dev/hda5挂载到/，不要添加非root用户，因为/home稍后将被清除干净，至此，你应该拥有一个全功能的Linux系统了。
　　在设置加密文件系统之前，你应该随意分区，这样排除一个潜在关于磁盘内容的信息漏洞，图1示范了一个抽象的半满磁盘，它没有恰当进行随机排列，图2示范了一个恰当随机排列的磁盘，在格式化之前包含一个加密的文件系统，注意，从图1中可以获取到一些关于它的内容的知识(如它们跨越了磁盘的二分之一)，图2提供了一个没有那么豪华的对手，假如这样，磁盘可以很容易被清空，分区随机排列是通过用随机数据重写它的内容实现的：dd if=/dev/urandom of=/dev/hda4，这个过程可能要花很长的时间，因为创建随机数据有些困难的。
　　

　　图1
　　

　　图2随机排列的分区隐藏了使用量
　　要在/dev/hda4上创建一个加密的ext3文件系统，使用下面的步骤：
　　1)确认aes，dm-mod，dm-crypt模块已经载入内核
　　2)卸载将要托管加密root文件系统的分区/dev/hda4
　　#umount /dev/hda4
　　3)创建一个随机256位加密密钥并存储在/etc/root-key
　　#dd if =/dev/urandom of=/etc/root-key bs=1c count=32
　　这个密钥稍后将拷贝到闪存盘。
　　4)创建一个dm-crypt设备，使用前面创建的密钥加密
　　#cryptsetup -d /etc/root-key create /dev/hda4
　　现在访问/dev/mapper/root在/dev/hda4上提供了一个加密层，默认情况下，cryptsetup创建一个aes加密的dm-crypt设备并任务密钥大小为256位。
　　5)在/dev/mapper/root上创建一个ext3文件系统
　　#mkfs.ext3 /dev/mapper/root
　　6)挂载新文件系统
　　#mkdir /mnt/encroot
　　#mount /dev/mapper/root /mnt/encroot
　　7)现在你已经有一个加密文件系统了，你必须用/dev/hda5(原始的root文件系统)的内容来填充它
　　#cp -ax / /mnt/encroot
　　8)最后，在/mnt/encroot/crypttab中创建一个条目以便不同的实用程序知道文件系统是如何配置的：
　　root /dev/hda4 /etc/root-key cipher=aes
　　现在我们的加密文件系统已经准备好了，需要理解更多关于目标架构的启动过程，通常，计算机有一个固件程序来掌管系统启动的全过程，保护固件程序超出了本文的范畴，因此我们假设系统固件程序是可以信任的，大多数读者可能对BIOS比较熟悉，它是PC平台的启动固件程序，我主要讨论的是Open Firmware，它用于计算机制造厂商如苹果，sun和IBM启动系统。
NetBSD/macppc的安装指令对Open Firmware做了一个充分的介绍，我们对使用Open Firmware命令行接口配置计算机从一个闪存盘启动非常感兴趣，Open Firmware允许你查看连接到计算机的设备和设置固件程序变量的值。
　　在一个新世界(G3或更新的)苹果计算机初始化启动过程中，可以通过暂停选择性命令来访问Open Firmware提示符。
　　变量boot-device用于确定系统将从哪个设备启动，printenv命令允许查看当前的值：
　　> printenv
　　[...]
　　boot-devicehd:,\\:txbihd:,\\:txbi
　　这实际上意味着通过执行在第一块IDE磁盘上HFS类型txbi的文件来实现启动的，第二：txbi前的字符作为解释一个HFS文件类型的标志，否则，txbi可能被理解为文件路径，假如这样，标志hd实际上是更复杂的/pci@f4000000/ata-6@d/disk@0的一个别名，这个字符串通过子系统变量表现了路径，你可以使用Open Firmware命令查看设备对应的别名。
　　网络正确地设置boot-device，我们需要找出Open Firmware认出的我们闪存盘的名字，通过ls命令显示闪存盘路径，并打印出设备树：
> dev / ls
[...]
/pci@f2000000
[...]
/usb@1b,1
[...]
/disk@1
[...]
　　　　现在我们知道了一点关于计算机固件程序的知识，我们必须花些时间研究固件初始化执行程序：bootloader。通常，运行在苹果PowerPC架构上的Linux系统使用一个叫做yaboot的程序来启动系统，yaboot与LILO或GRUB类似，它包含两个关键程序：ofboot.b和yaboot。ofboot.b提供第一阶段启动过程，实际上，ofboot.b的工作决定了启动什么操作系统，例如：如果一台电脑上同时安装了Mac OS X和Linux系统，ofboot.b执行Mac OS X或Linux的bootloader，如果用户选择载入Linux，ofboot.b执行yaboot，第二阶段启动过程，然后yaboot载入Linux内核和initrd。图3提供了一个基于PowerPC架构的Linux如何使用一个加密的root文件系统启动的实例。
　　

　　图3
　　用Open firmware启动一个基于PowerPC系统的过程
　　我们的可移动启动设备需要ofboot.b和yaboot程序，一个Linux内核和一个包括加密密钥的initrd文件。苹果目前基于PowerPC的架构预设它的启动介质格式化为HFS。
　　1)使用parted程序在闪存盘上创建正确的可启动的分区(我的是64MB大小，用设备节点/dev/sda访问)　
# parted /dev/sda
(parted) mklabel mac
(parted) print
Disk geometry for /dev/sda: 0.000-62.500 megabytes
Disk label type: mac
Minor Start End Filesystem Name Flags
1 0.000 0.031 Apple
(parted) mkpart primary hfs 0.031 62.500
(parted) print
Disk geometry for /dev/sda: 0.000-62.500 megabytes
Disk label type: mac
Minor Start End Filesystem Name Flags
1 0.000 0.031 Apple
2 0.031 62.500 untitled
(parted) set 2 boot on
(parted) name 2 Apple_Boot
(parted) quit
　　2)在启动分区上创建HFS文件系统
　　# hformat /dev/sda2
　　3)通过修改/mnt/encroot/etc/yaboot.conf配置yaboot启动恰当的设备，下面是一个最小配置例子：
　　
boot=/dev/sda2
ofboot=/pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2
partition=2
install=/usr/lib/yaboot/yaboot
magicboot=/usr/lib/yaboot/ofboot
default=linux
image=/vmlinux
label=linux
root=/dev/hda4
initrd=/initrd.gz
read-only
　　值/pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2来自我们先前检查的Open Firmware设备树，/pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1是PCI总线f2000000上的第一块USB磁盘，最有兴趣的是：2意味着分区2
　　4)安装启动程序和内核到/dev/sda2:
# ybin --config /mnt/encroot/etc/yaboot.conf -v
# mount /dev/sda2 /media/usbstick
# cp /boot/vmlinux /media/usbstick
　　就此，initrd必须被安装到闪存盘上，Fedora提供了一个叫做mkinitrd的工具来创建initrd，然而，在写本文的时候，mkinitrd还不支持加载一个加密的root文件系统，补丁在https://bugzilla.redhat.com/bugzilla/show_bug.cgi?id=124789，一旦应用了补丁，mkinitrd就可以读取/etc/crypttab并创建一个恰当的initrd了：
　　1. mkinitrd --authtype=paranoid -f /media/usbdisk/initrd.gz
　　2. umount /media/usbstick
　　文件/mnt/encroot/etc/fstab应该被更新反映出变化：
　　/dev/mapper/root / ext3 defaults 1 1
有加密的swap或完全没有swap空间是一个加密文件系统的先决条件。原因可以在文章“实现加密的home目录”和BugTraq邮件列表中的一篇“Mac OS X在磁盘上存储登陆/密钥链/密码”中找到。当给启动脚本软件包应用了https://bugzilla.redhat.com/bugzilla/show_bug.cgi?id=127378的补丁后，Fedora允许用户使用一个随机生成的会话密钥加密他们的swap分区，因为swap空间在重新启动时通常不需要一致，当系统关闭时会话密钥也不保存，要启用加密的swap，完成下面的步骤：
　　1)添加下面的行到/mnt/encroot/etc/fstab，替换任何先前的swap记录：
　　/dev/mapper/swap swap swap defaults 0 0
　　2)添加下面的行到/mnt/encroot/etc/crypttab告诉系统如何完成加密：
　　swap /dev/hda3 /dev/urandom swap
　　至此我们应该可以重新启动系统并使用我们的加密文件系统，再说一次，我们需要暂停启动选项命令进入Open Firmware提示符。
　　正如上面说到的，闪存盘第二个分区路径是/pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2。了解了这一点，我们可以建立路径/pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2，\ofboot.b。在分区号和文件系统路径之间的分隔符是‘，’，\ofboot.b是文件系统路径，\与Unix的/类似。
　　
> dir /pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2,\
Untitled GMT File/Dir
Size/ date time TYPE Name
bytes 9/ 3/ 4 21:44:41 ???? ???? initrd.gz
2212815 8/28/ 4 12:24:21 tbxi UNIX ofboot.b
3060 9/ 3/ 4 2:21:20 ???? ???? vmlinux
141868 9/28/ 4 12:24:22 boot UNIX yaboot
914 9/28/ 4 12:24:22 conf UNIX yaboot.conf
　　这就确定了Open Firmware可以读取启动系统需要的文件，设置boot-device变量的值为/pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2,\ofboot.b使得系统可以从闪存盘启动：
　　setenv boot-device /pci@f2000000/usb@1b,1/disk@1:2,\ofboot.b
　　一旦系统从加密root文件系统成功启动，必须清除掉/dev/hda5上的所有数据，可以使用随机排列root文件系统分区同样的方法来实现：
　　dd if=/dev/urandom of=/dev/hda5
　　你可能想对hda5重写几次，要想了解处理干净一个磁盘，请查看美国安全部门编写的“National Industrial Security Program Operating Manual”第八章。
　　根据一个安全处理原则，/dev/hda5可能被挂载为/home，/home文件系统也应该被加密，幸运的是，这是一个简单的过程，因为系统不需要/home启动，象创建root文件系统一样创建/home文件系统
　　1)确认aes，dm-mod，dm-crypt模块已经载入内核
　　2)卸载/dev/hda5
　　#umount /dev/hda5
　　3)创建一个随机256位加密密钥，存储在/etc/home-key
　　#dd if=/dev/urandom of=/etc/home-key bs=1c count=32
　　4)创建一个dm-crypt设备，用刚刚生成的密钥加密
　　#cryptsetup -d /etc/home-key create home /dev/hda5
　　5)在/dev/mapper/home上创建一个ext3文件系统
　　#mkfs.ext3 /dev/mapper/home
　　6)挂载新文件系统
　　#mount /dev/mapper/home /home
　　7)在/etc/crypttab中创建一个条目，让各种实用程序都清楚文件系统是如何配置的
　　root /dev/hda5 /etc/home-key cipher=aes
　　8)最后，为/home更新/etc/fstab条目
　　/dev/mapper/home /home ext3 defaults 1 2
　　至此，可以添加非root系统账号了，设置加密root文件系统的过程就结束了。
　　加密你所有数据可能很危险，如果加密密钥丢失，你的数据就丢失了，就因为这个原因，备份你的包含有你的密钥的闪存盘很重要，同样，备份加密数据对应的明文也很重要，如果你保存有一张可启动的紧急救援磁盘，重新考虑应该放哪些系统组件在上面或许很有意义，你的root和home文件系统、密钥、parted、hfsutils、加密技术有关的内核模块以及cryptsetup脚本的拷贝都应该放进去。
　　这个技术在保护你的数据方面究竟有什么实际好处?在《Secrets and Lies》这本书中，作者Bruce Schneier提出了一个有用的手段来评估这个技术，一个攻击树可以用于模型危险，图4呈现了一个攻击我们加密文件系统的树型图，值得注意的是这颗攻击树不是完整的，可能随时间推移会发生改变。
　　

　　图4攻击者如何读取加密文件系统的数据
　　通过使用本文讨论的技术和一点创新的想法，确保你磁盘上的数据对常见的偷窃行为更具抵抗性是可能的，跟踪攻击种类的发展比了解防御更重要，尽管还有其他的技术用于保护基于网络的或其他类型的攻击，但本文讨论的技术对整个系统安全的目标具有重要意义。

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