LUKS磁盘格式Specification

2023-11-08 08:24:16

1 介绍

LUKS是"Linux Unified Key Setup"的简写。LUKS最初是为了解决用户在从更改用户空间和忘记命令行参数中导出加密设置时的问题。目前qemu的磁盘加密格式是luks格式。
LUKS磁盘格式如下：

LUKS phdr

KM1

KM2

...

KM8

bulk data

LUKS phdr: LUKS partition header。包含了使用的加密算法，加密模式，密钥长度，UUID和Master Key的校验和。
KM1~KM8: Key Material 1~8。
bulk data: 由Master Key加密的数据块。

另外，LUKS phdr中还包含了Key Slot的信息。每个Key Slot和一个KM相关联。Key Slot处于激活状态时，其对应的KM中保存了Master Key的加密副本（该加密副本由用户密码锁定）。Master Key则用于加密数据块。
一个LUKS分区的用户密码数量和Key Slot数量一致。通常情况下Master Key长度是16或者32字节。

2 前言

2.1 数据块加密

LUKS并未限制具体的加密算法实现（如AES或Twofish），以下伪代码展示了加解密的过程：

enc-data = encrypt(cipher-name, cipher-mode, key, original, original-length)

original = decrypt(cipher-name, cipher-mode, key, enc-data, original-length)

注意：如果加密算法要求固定块长度，不足的部分需要用0做填充。反之，解密的时候需要将填充的0去除。

2.2 加密哈希

在 PBKDF2 中需要一个伪随机函数，对于 AFsplitting 需要一个扩散函数。因此在HMAC setup中需要用到该哈希函数。

2.3 PBKDF2

LUKS 需要处理来自诸如键盘输入等熵弱来源的密码，PBKDF2（PKCS #5’s password based key derive function 2）正是为增强熵弱密码的安全特性而定义。LUKS默认使用SHA1作为伪随机函数，也可以通过设置hash-spec字段来设置其他哈希函数。在伪代码中，使用了以下语法：

result = PBKDF2(password, salt, iteration-count, derived-key-length)

以上PBKDF2函数的输出依赖于实际的hash-spec，可以将hash-spec认为一种环境变量。
有关PBKDF2的其他介绍如下：

美国国家标准与技术研究院推荐。
可以通过调整key来扩展，从而避免暴力破解。通过key扩展的基本思路是，在将密码哈希后，再使用key加上哈希值再使用相同的算法进行多次的哈希。如果黑客尝试去破解的话，他会因此多花费几十亿次计算的时间。PBKDF2可以通过指定迭代次数，你想让他多慢，他就有多慢。
通过加盐的方式预防彩虹表的破解方式。盐是一个添加到用户的密码哈希过程中的一段随机序列。这个机制能够防止通过预先计算结果的彩虹表破解。每个用户都有自己的盐，这样的结果就是即使用户的密码相同，通过加盐后哈希值也将不同。然而，在将盐与密文存储的位置上有很多矛盾的地方，有的时候将两者存在一起比较方便，有的时候为了安全考虑又不得不将两者分开存储。
不需要额外的库或者工具，这是一个开源的实现，在工作环境中能很方便的使用。

2.4 AF-Splitter

LUKS使用了反取证(Anti-Forensic)信息拆分。参考实现使用了SHA1作为底层扩散函数。

split-material = AFsplit(unsplit-material, length, stripes)

unsplit-material = AFmerge(split-material, length, stripes)

注意：split-material的长度是unsplit-material的stripes倍，即length * stripes字节。length是unsplit-material的字节数。
用符号D代表unsplit-material，H代表扩散函数，n表示条带数量，AFsplit函数返回的值为s1, s2 . . . sn。其中s1 . . . sn−1是随机选取的，sn则是通过以下方式计算得出：

d0 = 0
dk = H(dk−1 ⊕ sk)
sn = dn−1 ⊕ D

反之，AFmerge则计算dn−1和D：
D = dn−1 ⊕ sn

3 LUKS partition header

LUKS partition header总长度为592字节，其定义如下：

偏移	字段名称	长度	数据类型	描述
0	magic	6	byte[]	魔数，值为LUKS_MAGIC
6	version	2	uint16_t	LUKS版本，目前是1
8	cipher-name	32	char[]	加密算法
40	cipher-mode	32	char[]	加密模式
72	hash-spec	32	char[]	哈希算法
104	payload-offset	4	uint32_t	数据块偏移，单位是sector,即512字节
108	key-bytes	4	uint32_t	Master Key长度，单位字节
112	mk-digest	20	byte[]	Master Key PBKDF2计算的校验和
132	mk-digest-salt	32	byte[]	盐值，Master Key PBKDF2计算时的参数
164	mk-digest-iter	4	uint32_t	迭代次数，Master Key PBKDF2计算时的参数
168	uuid	40	char[]	分区UUID
208	key-slot-1	48	key slot	key slot 1
256	key-slot-2	48	key slot	key slot 2
...	...	...	...	...
544	key-slot-8	48	key slot	key slot 8

key slot定义如下：

偏移	字段名称	长度	数据类型	描述
0	active	4	uint32_t	key slot状态，enabled/disabled
4	iterations	4	uint32_t	迭代次数，PBKDF2计算时的参数
8	salt	32	byte[]	盐值，PBKDF2计算时的参数
40	key-material-offset	4	uint32_t	key material偏移，单位是sector，即512字节
44	stripes	4	uint32_t	反取证(Anti-Forensic)条带数量

4 LUKS操作

4.1 初始化

LUKS初始化需要以下参数：

Master Key，用于数据块加密
加密算法+加密模式

整个磁盘的布局取决于phdr后面的Key Material区域的长度。phdr是固定长度的，而Key Material区域的长度取决于Master Key的长度和AF-splitter用到的条带数量。计算好Key Material区域的长度之后，phdr中的payload-offset字段需要填入。
Master Key的校验和需要通过PBKDF2进行计算，其中会涉及多次加盐和迭代哈希。
除此之外，初始化阶段还需要激活至少一个Key Slot。
初始化的伪代码如下：

masterKeyLength = defined by user

masterKey = generate random vector, length : masterKeyLength

phdr.magic = LUKS_MAGIC

phdr.version = 1

phdr.cipher−name = as supplied by user

phdr.cipher−mode = as supplied by user

phdr.key−bytes = masterKey

phdr.mk−digest−salt = generate random vector, length : LUKS_SALTSIZE

// benchmarked according to user input

// ( in older versions fixed to 10 )

phdr.mk−digest-iteration−count = as above

phdr.mk−digest = PBKDF2(masterKey,

phdr.mk−digest−salt,

phdr.mk−digest−iteration-count,

LUKS_DIGESTSIZE)

stripes = LUKS_STRIPES or user defined

// integer divisions, result rounded down

baseOffset = ( size of phdr ) / LUKS_SECTOR_SIZE + 1

keyMaterialSectors = ( stripes ∗ masterKeyLength ) /

LUKS_SECTOR_SIZE + 1

for each keyslot in phdr as ks {

// Align keyslot up to multiple of LUKS_ALIGN_KEYSLOTS

baseOffset = round_up ( baseOffset , LUKS_ALIGN_KEYSLOTS)

ks.active = LUKS_KEY_DISABLED

ks.stripes = stripes

ks.key−material-offset = baseOffset

baseOffset = baseOffset + keyMaterialSectors

}

phdr.payload−offset = baseOffset

phdr.uuid = generate uuid

write phdr to disk

4.2 密钥创建

密钥创建的伪代码如下：

masterKey = must be available, either because it is still in

memory from initialisation or because it has been

recovered by a correct password

masterKeyLength = phdr.key−bytes

emptyKeySlotIndex = find inactive key slot index in phdr by

scanning the keyslot.active field for

LUKS_KEY_DISABLED.

keyslot ks = phdr.keyslots[ emptyKeySlotIndex ]

PBKDF2-IterationsPerSecond = benchmark system

ks.iteration-count = PBKDF2-IterationsPerSecond *

intendedPasswordCheckingTime (in seconds)

ks.salt = generate random vector, length: LUKS_SALTSIZE

splitKeyLength = masterKeyLength * ks.stripes

pwd = read password from user input

pwd−PBKDF2ed = PBKDF2( password ,

ks.salt,

ks.iteration-count,

masterKeyLength) // key size is the same

// as for the bulk data

encryptedKey = encrypt(phdr.cipher-name,

phdr.cipher-mode,

pwd-PBKDF2ed, // key

splitKey, // content

splitKeyLength) // content length

write to partition(encryptedKey,

ks.key-material-offset,

splitKeyLength)

ks.active = LUKS_KEY_ACTIVE

update keyslot ks i phdr

4.3 Master Key恢复

Master Key恢复的伪代码如下：

read phdr from disk

check for correct LUKS_MAGIC and compatible version number

masterKeyLength = phdr.key-bytes

pwd = read password form user input

for each active keyslot in phdr do as ks {

pwd-PBKDF2ed = PBKDF2(pwd, ks.salt, ks.iteration-count,

masterKeyLength)

read from partition(encryptedKey, // destination

ks.key-material-offset, // sector number

masterKeyLength * ks.stripes) // number of bytes

splitKey = decrypt(phdr.cipherSpec, // cipher spec

pwd-PBKDF2ed, // key

encryptedKey, // content

encrypted) // content length

masterKeyCandidate = AFmerge(splitKey, masterkeyLength, ks.stripes)

MKCandidate-PBKDF2ed = PBKDF2(masterKeyCandidate,

phdr.mk-digest-salt,

phdr.mk-digest-iter,

LUKS_DIGEST_SIZE)

if equal (MKCandidate-PBKDF2ed, phdr.mk-digest) {

break loop and return masterKeyCandidate as correct master key

}

return error, password does not match any keyslot

5 常量

符号	值	描述
LUKS_MAGIC	{'L', 'U', 'K', 'S', 0xBA, 0xBE}	LUKS魔数
LUKS_DIGESTSIZE	20	Master Key校验和长度
LUKS_SALTSIZE	32	PBKDF2盐值长度
LUKS_NUMKEYS	8	Key Slot数量
LUKS_KEY_DISABLED	0x0000DEAD	Key Slot disable标识
LUKS_KEY_ENABLED	0x00AC71F3	Key Slot enable标识
LUKS_STRIPES	4000	AFsplit条带数量
LUKS_ALIGN_KEYSLOTS	4096	默认Key Slot对齐边界
LUKS_SECTOR_SIZE	512	sector大小

附可用的加密算法和哈希算法

可用的加密算法包括：

aes
twofish
serpent
cast5
cast6

可用的加密模式包括：

ecb
cbc-plain
cbc-essiv:hash
xts-plain64

可用的哈希算法

sha1
sha256
sha512
ripemd160

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