一、概述
加密是最常见的数据安全保护技术，在数据生命周期各阶段均有应用。从应用场景和技术实现上，按加密对象、用户是否感知、加密算法等维度，有多种分类及对应方案，并在主流操作系统如Windows、Linux、Android中有广泛应用。
本文是Linux内核安全技术系列第二篇，主要介绍磁盘加密技术及主流实现方案。首先介绍磁盘加密技术背景，包括应用场景、威胁模型、技术路线分类等；其次介绍磁盘加密的两种实现方案，即全盘加密FDE和文件系统加密FBE，重点介绍Linux系统和内核主流FBE实现方案；最后以eCryptfs为例，详细分析其原理和应用。
Linux内核安全技术系列第一篇：Linux内核安全技术——开源演进回顾
1.1、说明
数据在其生命周期各阶段的信息安全风险有很多，如仿冒、篡改、泄漏、越权访问、DoS拒绝访问等，一些成熟方案通常能解决消减多种风险。本文主要介绍磁盘加密技术，主要关注的是数据泄漏、机密性维度，其他维度风险和保护不过多涉及。
1.2、缩略语和术语
本文使用的缩略语和术语说明如下：
二、技术背景介绍
2.1、威胁模型
数据生命周期管理（Data Lifecycle Management）通常将数据划分为生产、存储、使用、分享、销毁、归档几个阶段。而从信息安全保护维度，则一般将数据划分为三种状态，即：Data in Use、Data in Motion/Transit、Data at Rest。
Data in Motion/Transit，即数据传输场景，是大家最熟悉、技术发展最成熟的安全场景。例如基于SSL/TLS协议的Https应用，基于SSH协议的SCP/SFTP应用等。这些技术对数据的安全保护不仅包括加密传输，也包含双向身份认证、完整性保护等。
Data in Use，即数据使用场景。此时数据缓存在系统DRAM、Cache、CPU Register中，一般明文存在。但在一些高安全场景下，为防止侧信道攻击（如Cold Boot Attack获取DRAM中密钥信息），业界也提出了Full Memory Encryption全内存加密技术。如Intel的TME（Total Memory Encryption）、AMD的SME（Secure Memory Encryption）等。FME使能时系统DRAM数据全部为加密存储，CPU通过特定硬件加解密引擎分别在读写数据时做解密加密操作，加解密密钥则一般每次boot时唯一生成。
Data at Rest，即数据（持久化）存储场景。此时数据属于inactive状态未使用，存储在磁盘等非易失性介质。安全风险主要有非授权访问、设备丢失导致数据泄漏等。常见保护方式包括物理/网络层面的隔离和访问控制、以及数据（落盘）加密。对于加密存储的磁盘数据，即使设备（如PC/手机）丢失，攻击者拆出硬盘或Flash器件，也只能读取到器件中的密文，保证关键数据机密性。
2.2、技术路线
加密是防止数据泄漏、保证机密性的有效手段。按照不同维度，加密技术/方案可以有多种分类，简单汇总如下：
需要说明的是，几种维度不互斥，某一方案通常符合/采用多个特征/技术。例如本文要介绍的磁盘加密技术Disk Encryption，其加密对象一般是整个磁盘或文件系统，但从数据状态维度看属于Data at Res Encryption技术，从用户感知维度看属于透明加密技术，从加密算法维度看采用对称加密。
下面简单介绍几个分类涉及的技术概念/术语，详情可查阅文末参考链接，及后续章节中的详细分析。
Data at Rest Encryption
数据在at Rest状态下保持加密的技术，参考https://wiki.archlinux.org/title/Data-at-rest_encryption说明，加密对象一般为磁盘（块设备）、文件系统目录，加解密过程采用透明加密技术。
Transparent Encryption
透明加密，也称作real-time encryption或on-the-fly encryption。特点是数据在使用过程中自动完成加解密，无需用户干预。
三、磁盘加密技术
如上节所述，Disk Encryption磁盘加密，目标是保护数据at Rest状态下的机密性，加密对象是整个磁盘/分区、或者文件系统，采用实时加解密技术。更多介绍可参考https://en.wikipedia.org/wiki/Disk_encryption 。
磁盘加密技术从加密对象，软硬件实现、文件系统特征等维度，也可以有多种分类。首先，根据加密对像是整个磁盘，还是文件系统，可分为Full-Disk Encryption 和 Filesystem-Level Encryption（也称为File-Based Encryption）两大类。
3.1、FDE
Full-Disk Encryption全盘加密在实现上有硬件、软件两种方案。两者核心原理类似，区别是加解密核心功能所在主体是软件还是硬件，另外软件方案一般不能真正加密整个硬盘（boot分区不加密），而硬件方案Hardware-based Full-Disk Encryption则具备整个硬盘加密能力。硬件FDE方案产品主要是Self Encryption Drive自加密硬盘，一般由存储器件厂商、安全厂商提供。关于硬件FDE方案和SED产品技术，可参阅文末Hardware-based Full Disk Encryption 和SED相关链接。
硬件和软件FDE方案核心原理及流程类似，统一抽象说明如下：
在初始化或创建FDE时，会随机生成一个磁盘数据加密DEK（Disk Encryption Key，用户无感知），同时要求用户输入一个AK（Authentication Key）用来加密保护DEK。在使用时，需用户先输入AK验证并解密DEK，之后操作系统才能使用DEK访问加密磁盘上的数据。下图是一个软件FDE的描述。
由于需执行特定程序展示UI提供用户输入AK并验证，故这部分启动代码不能加密。因此引了入Pre-Boot Authentication 及PBA environment的概念。
在PBA实现上，硬件FDE方案（SED产品）一般出厂时内嵌Pre-Boot environment（小的OS或bootloader），上电后先运行Pre-Boot程序并验证AK，再进行正常的加载引导等。
软件FDE方案采用不加密boot分区的方式，一般在initial ramdisk集成PBA功能并完成验证。
软件FDE方案发展历史久，主流OS环境均有成熟方案，例如Windows下的BitLocker、Apple OS/X下的FileVault、以及Linux/UNIX生态下的dm-crypt/LUKS。另外也有不依赖操作系统的三方FDE方案，如TrueCrypt、VeraCrypt等。更多软件FDE方案可以参考链接 https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_disk_encryption_software 及下图。
对Linux下dm-crypt/LUKS方案感兴趣的同学可以在Ubuntu虚拟机上测试研究。下面是几个关键场景截图：Ubuntu虚拟机安装时使能磁盘加密配置、启动阶段PBA验证、系统主分区sda5加密后的磁盘类型（可看到boot分区sda1未加密）。
3.2、FBE
File-Based Encryption，又称Filesystem-Level Encryption，文件系统加密。相比于FBE，第二个名字更能体现方案基于文件系统的技术特点。而基于文件系统的特点，一方面决定了只能由软件实现，另一方面决定了各方案差异也主要围绕在文件系统。
常见FBE方案，一般分为Stackable cryptographic filesystem 和Native/General filesystem with encryption两种。
第一种，新增一个加解密文件系统，堆叠在现有存储软件栈的某一层。例如Linux内核自v2.6.19开始支持，已很成熟稳定的eCryptfs方案，就是在VFS -> Native FS层之间加入新加解密文件系统支持。类似还有基于用户态文件系统FUSE的各种方案。
第二种，在现有文件系统中引入加解密功能。例如Linux内核自v4.1支持的Ext4文件系统加密，自v4.2支持的F2FS文件系统加密，自v4.10后支持的UBIFS文件系统加密。需要说明的是，内核中Ext4、F2FS、ubifs共用加解密功能模块，即内核fscrypt特性。另外，Android系统引入的FBE方案，底层内核实现也是基于F2FS+fscrypt。
两种类型及更多业界FBE实现，可参考链接 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_cryptographic_file_systems 及下图：
和FDE方案相比，FBE有几个显著的特点：
1、支持单独的目录或文件加密，方便灵活使用配置。只加密目标对象，不加密整个磁盘，降低了系统加解密负载开销。
2、支持不同目录/文件使用不同加密密钥。
3、加密目录和非加密目录并存（甚至一个加密目录中加密和非加密文件也可以并存）。加密目录文件的备份传输灵活方便。
更多FDE和FBE的详细对比，以及Linux中FBE具体实现，请参见后续章节。
3.2、FDE vs FBE
前面分析已经知道，软件FDE和FBE都是基于文件系统，差别主要在文件系统实现差异，整理对比如下：
【说明】软件FDE/FBE主要是指其加解密功能主体在软件（文件系统）实现，并不意味着不使用硬件，相反为了提高性能，也会利用类似Crypto Engine等硬件引擎来加速。
从整个系统软硬件架构分析，可将硬件FDE、软件FDE、以FBE实现和系统软硬件架构的关系位置描述如下图：
上图中，磁盘加密方案，越往上层实现用户使用配置越灵活，但性能差；越往下层实现越不灵活，但对用户越透明且性能越好。结合前文描述，将FDE和FBE两种方案的差异对比整理如下：
3.3、Linux系统FBE
从Linux系统软件架构看，典型FDE和FBE实现方案分布如下图，包括基于dm-crypt的软件FDE方案、基于通用文件系统的fscrypt FBE方案、基于VFS的eCryptfs FBE方案，以及众多基于FUSE的FBE方案。
前面章节已经简单介绍过基于dm-crypt的FDE方案在ubuntu虚拟机上的验证情况，这里先简单介绍Linux系统和内核的几种软件FBE实现方案和特点，后续章节会以eCryptfs为例做详细分析。
FUSE-Based
FUSE即Filesystem in Userspace，用户态文件系统。FUSE设计初衷就是为方便用户不修改编译内核的情况下，在user space实现定制文件系统。FUSE架构原理和实现如下图，内核态FUSE和用户态libfuse为App –> VFS -> 用户文件系统链路服务，用户定制实现主要在User-Level Filesystem部分。
由于天然的灵活性，基于FUSE实现FBE的方案有很多，例如gocryptfs、EncFS、CryFS、securefs等。但是，FUSE引入的多次系统调用和拷贝等开销，也导致基于FUSE的FBE方案通常性能都不好。gocryptfs项目有一个stackable FBE各方案的对比分析（链接https://nuetzlich.net/gocryptfs/comparison/），该分析数据也验证说明了FUSE FBE方案的优缺点。
首先是各种stackable FBE方案介绍和整体特点，从数量上看，FUSE FBE方案占据绝大多数，非FUSE方案只有eCryptfs。
其次，相比于eCryptfs，FUSE方案在性能上整体处于劣势。尽管gocryptfs在顺序读写上性能不错，但在其他测试如解压缩、MD5计算、目录递归访问/删除等测试项上看，劣势也比较明显。这和我们在3.2章节对比FDE和FBE、以及分析磁盘加密在软件栈不同层级实现的效果差异是一致的。
更多关于FUSE FBE各方案的特点，如文件内容加密、文件名加密等，可参考上述对比链接或各方案主页，在此不详细介绍。
eCryptfs
eCryptfs衍生于Cryptfs项目，早期方案和设计思想源自2005和2007的两篇论文，即《eCryptfs: an enterprise-class cryptographic filesystem for Linux》和《eCryptfs: a Stacked Cryptographic Filesystem》。eCryptfs项目分为内核部分和用户态部分，内核态代码于v2.6.19版本合入社区主线，用户态代码在软件包ecryptfs-utils中维护。
eCryptfs和上面介绍的FUSE方案一样，也属于stackable FBE类型，故不依赖于OS底层文件系统类型，可以堆叠在各种文件系统之上，灵活性很好。也支持对不同文件、目录加密，以及文件名加密。
当前eCryptfs项目开源社区活跃度不高，早期用户/产品也在迁移，但其方案和设计原理仍然值得深入学习分析。详细测试验证和原理分析请见第4章。
fscrypt
fscrypt是在内核文件系统上实现的一个native FBE方案。fscrypt特性也包括内核态和用户态两部分，内核态部分是实现在fs/crypto目录的公用加解密模块，支持ext4、F2FS、UBIFS文件系统集成使用。用户态工具fscrypt则实现各种命令行工具方便用户使用。
fscrypt作为FBE方案，支持不同目录/文件采用不同密钥，对于metadata，fscrypt支持文件名filename加密，其他metadata如timestamp、size、attribute等不加密。fscrypt最大的应用即Android 采用的FBE方案，结合F2FS文件系统，对手机上的数据进行data at rest encryption保护。本文受限于篇幅，不做详细分析。
四、eCryptfs详解
本章节我们先用简单用例验证eCryptfs加密效果特点，使大家对方案有个整体感性认识，同时也会提供一个C版本用例作参考。其次对测试结果进行初步分析，接着详细分析eCryptfs方案架构原理和核心机制，最后对关键业务流程代码进行简单梳理。
测试环境使用Ubuntu 20.04虚拟机，因Ubuntu系统默认打开eCryptfs内核配置（CONFIG_ECRYPT_FS=y），只需apt安装用户态工具ecryptfs-utils即可。
4.1、测试用例
下图是一个脚本基础测试用例。先创建test目录和文件hello，之后使用 mount -t ecryptfs方式对test目录进行加密，为避免命令行交互，将所有加密参数（passwd、cipher、key size等）通过命令行-o传递。加密后在test目录创建新文件hello_encrypted。最后umount取消目录加密。
从第一个测试用例可以观察到的现象/特性有：
1、执行mount，写入hello_encrypted文件内容后可以正确访问，但umount后则为密文。说明eCryptfs作为堆叠加密文件系统，是通过mount/unmount操作来开关使能的。功能打开时，用户读写操作是感知不到数据加解密过程的，即透明加密。
2、hello文件内容在mount前写入，在mount前后都能正确访问（用例只测了读操作，实际写也可以）。说明eCryptfs支持非加密文件和加密文件在一个目录内混合存储，并能正确访问（实际操作强烈不建议，见下个用例）。
3、对于加密文件hello_encrypted，明文状态下长度为16 Bytes，加密状态下为12KB，变化比较明显。
如果对上述测试用例稍加改动，调整mount -t ecryptfs参数，如改变passwd，取消no_sig_cache=y配置，打开文件名加密参数即ecryptfs_enable_filename_crypto=y，测试效果如下图：
从第二个改动后的用例可以观察到的现象/特性有 ：
4、ecryptfs支持文件名加密。因为文件名加密密钥FNEK未在参数中指定，mount helper会提示/默认使用文件内容加密密钥（即图中fnek_sig和fs_sig相同，需说明的是加密密钥并非参数中的passwd，后续架构和密钥管理章节会说明）。
5、虽然ecryptfs_passthrough特性仍打开，即允许加密和非加密文件共存，但与上一个用例效果不同。启动文件名加密并mount后，未加密文件hello无法在test中显示，umount后又可正常访问。两个用例中passthrough特性在不同参数下表现不同，因此实际应用中，强烈不建议加密和非加密文件在一个目录混存。
另外补充一个现象/特性：
6、umount后，即加密的test目录是可以直接传输/拷贝到其他主机/网络进行存储备份的。其他用户使用时，只需用相同参数重新mount即可正确访问。
关于用例中mount -t ecryptfs命令的相关参数汇总如下，详情可参考man ecryptfs手册及ecryptfs-utils源码。部分参数和意义会在架构分析和密钥管理章节进一步说明。
需要说明的是，上述脚本用例的功能基本都可以用ecryptfs-utils提供接口API实现。下面是作者实现的一个C用例的部分代码参考。因为C程序需引用ecryptfs.h头文件并使用相关API函数，需要安装libecryptfs-dev软件包，并在编译时指定-lecryptfs链接对应库文件。
C用例中需要注意的是，mount操作前必须进行ecryptfs_add_passphrase_key_to_keyring，即将passphrase转换成对应的key（实际为FEKEK，见后续分析），并注册到内核keyring，同时返回一个key_sig给用户后续使用。
4.2、结果分析
从上节测试结果中，汇总相关测试项以及eCryptfs效果特性如下表，需要说明的有两点：
一是对test目录重复mount且每次使用不同密钥的效果。从下图用例看，对应passwd mount后生成的文件，只能在该mount context中正确访问。这个用例仅为简单说明，在参数变化情况下，例如文件名加密，情况可能更复杂和不确定，因此也不建议使用。
二是文件加密后大小变化问题，这个原因在于eCryptfs的方案本身设计。下图是eCryptfs明文和密文的映射关系及论文中的说明，分别出自2006年设计文档《eCryptfs v0.1 Design Document》和2007年论文《eCryptfs: a Stacked Cryptographic Filesystem》。从中可看出加密文件格式会多增加一个header信息（预留一个page）。对于文件内容则是按页分块加密。为了综合性能考虑，故使文件大小做到page对齐，最小12KB。
从方案设计和文件格式看，加密对于小文件来说损耗有点大，文件越大影响越小。下图是分别用4M、40M、400M文件测试对比结果，不论源文件大小，加密后的文件size增加8KB。
4.3、整体架构
eCryptfs整体架构如下图，主要是内核模块eCryptfs以及用户态进程ecryptfsd。ecryptfsd进程只在使用key type为openssl模式时需要，使用passphrase模式（如上述测试用例）时不需要。ecryptfs-utils可作为用户态辅助工具或C接口编程参考。
应用程序发起系统调用时先经过VFS，判断目录类型为eCryptfs时调用eCryptfs模块的注册函数。之后eCryptfs根据mount session中保存的key signature参数从keyring中找到对应密钥（FEKEK），再调用crypto模块API完成文件加解密。
eCryptfs核心加解密机制如下图，主要特点归纳如下：
1、FEK（File Encryption Key）唯一，即每个文件的加密密钥均不同，是随文件创建时生成的一个随机数。
2、每个文件的FEK经过FEKEK（File Encryption Key Encryption Key）加密保护，加密后FEK称为EFEK（Encrypted File Encryption Key），并保存在eCryptfs加密文件的header信息中（如前述page 0区域）。
3、passphrase模式下，FEKEK是基于用户passphrase_passwd派生而来，派生方式是hash计算（参考代码分析章节）。
4、文件内容按照page大小（Data Extent）进行块加密。
核心过程可简单描述为：
1、新文件加密时，生成随机数FEK，对文件内容进行分块加密并存储。根据用户传递的key_sig参数从keyring找到对应的FEKEK，用FEKEK加密FEK，生成EFEK并保存在文件header中。
2、解密时，同样根绝key_sig找到FEKEK，用FEKEK解密EFEK后得到FEK，再用FEK解密文件内容。
4.4、密钥管理
从上节中我们了解到eCryptfs中核心机制中主要有两个KEY，即FEKEK和FEK，前者和用户输入passphrase_passwd有关，后者是每个文件唯一的随机数。下面结合ecryptfs-utils源码，分别介绍这两个KEY的生成过程。
1、用户passphrase_passwd 到 FEKEK的转换
从C测试用例中看到，opt参数只有key_sig信息，并不指定FEKEK。且mount操作前提是已添加对应key（FEKEK）到内核keyring。脚本命令实际是mount helper协助（隐式）完成了添加keyring的操作。
核心函数即C用例中调用的ecryptfs_add_passphrase_key_to_key_ring，这个函数的调用关系如下图：
首先ecryptfs_generate_passphrase_auth_tok会根据用户输入的passphrases信息、salt信息（参数指定，ecryptfs-utils有一个默认值ECRYPTFS_DEFAULT_SALT如下图），在generate_passphrase_sig函数中进行hash计算，并将结果记录在变量fekek中，然后对fekek再进行一次hash计算，结果记录为passphrase_sig/auth_token_sig，并返回给用户后续使用（key_sig）。
generate_payload则为每一次session创建一个auth_tok结构体，记录更多加解密相关信息。
最后调用ecryptfs_add_auth_tok_to_keyring中，将对应FEKEK、key_sig、salt等信息都添加到keyring。至此就完成了从passphrase_passwd到FEKEK的转换和内核keyring添加。
2、FEK的生成过程
FEK作为文件内容加密key，是每个文件唯一的随机数。生成时机是在create系统调用阶段，具体是在内核函数ecryptfs_new_file_context 和 ecryptfs_generate_new_key中完成，代码见下。
4.5、代码分析
本节将eCryptfs方案核心过程的代码调用关系进行了简单梳理并罗列，供读者参考和对照阅读，不做详细分析。
1、Mount过程关键函数调用。
从mount_crypt_stat关键结构体，以及tokens结构体中可看出，mount opt只接受key signature信息。
2、Create过程关键函数调用。
create过程中创建新文件，此时ecryptfs_crypt_stat结构体中保存了每个文件的加密参数信息。
3、open过程关键函数调用。
4、read & write过程关键函数调用。
五、总结
本文首先介绍了磁盘加密技术背景，包括威胁模型，技术路线和特点，随后根据加密对象差异，分别介绍了FDE和FBE两种磁盘加密方案，包括软硬件实现、文件系统实现差异等，并做了对比分析。最后重点介绍了Linux系统中典型FBE方案及特点，并以eCryptfs为例进行了详细分析。
希望能帮助读者对磁盘加密技术概念、FDE和FBE区别、业界FBE方案特点、以及FBE实现关键技术能有进一步了解。受限于篇幅，很多技术细节和方案无法再深入展开，如fscrypt。希望在后续文章中能结合Android FBE对fscrypt做进一步分享。
参考资料：
Data in use https://en.wikipedia.org/wiki/Data_in_use
Data in transit https://en.wikipedia.org/wiki/Data_in_transit
Data at rest https://en.wikipedia.org/wiki/Data_at_rest
Data at rest encryption https://wiki.archlinux.org/title/Data-at-rest_encryption
Disk Encryption https://en.wikipedia.org/wiki/Disk_encryption
Full Disk Encryption https://en.wikipedia.org/wiki/Disk_encryption#Full_disk_encryption
Pre-boot Authentication https://en.wikipedia.org/wiki/Pre-boot_authentication
What is full disk encryption https://specopssoft.com/blog/what-is-full-disk-encryption/
Hardware-based full disk encryption https://en.wikipedia.org/wiki/Hardware-based_full_disk_encryption
Self Encryption Drives https://wiki.archlinux.org/title/Self-encrypting_drives
Disk Encryption Software https://en.wikipedia.org/wiki/Disk_encryption_software
Comparison of disk encryption software https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_disk_encryption_software
Filesystem-level encryption https://en.wikipedia.org/wiki/Filesystem-level_encryption
List of cryptographic filesystems https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_cryptographic_file_systems
Filesystem in Userspace，FUSE https://en.wikipedia.org/wiki/Filesystem_in_Userspace
Comparison of FUSE-Based FBE https://nuetzlich.net/gocryptfs/comparison/
fscrypt kernel documentation https://docs.kernel.org/filesystems/fscrypt.html
eCryptfs documentation https://www.ecryptfs.org/documentation
eCryptfs Linux Manual Page https://linux.die.net/man/7/ecryptfs
2005.07 eCryptfs: an enterprise-class cryptographic filesystem for Linux https://web.archive.org/web/20080916022422/http://www.linuxsymposium.org/2005/linuxsymposium_procv1.pdf
2006.03 eCryptfs v0.1 Design Document http://www.dubeyko.com/development/FileSystems/eCryptfs/ecryptfs_design_doc_v0_1.pdf
2007.05 eCryptfs: a Stacked Cryptographic Filesystem http://www.dubeyko.com/development/FileSystems/eCryptfs/ecryptfs-article.pdf
2016.01动态加密技术综述，梁金千 http://blog.nsfocus.net/dynamic-encryption-technology-review/
2017.09 File-system and Block-layer Encryption: Theory, Practice, and Improvement https://www.snia.org/educational-library/file-system-and-block-layer-encryption-theory-practice-and-improvement-2017
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