20.12.加密磁盘分区

20.12.1. 使用 gbde 进行磁盘加密

gbde(4) 工具的目标是为攻击者提供极大的挑战，防止其访问 冷存储 设备的内容。但是，如果计算机在运行时被攻击并且存储设备已被附加，或者攻击者拥有有效的密码短语，它将不会保护存储设备的内容。因此，提供物理安全性是非常重要的，同时也需要保护加密机制所使用的密码短语。

此工具提供了几个障碍来保护每个磁盘扇区中存储的数据。它使用 128 位 AES CBC 模式加密磁盘扇区的内容。磁盘上的每个扇区都使用不同的 AES 密钥进行加密。有关加密设计的更多信息，包括扇区密钥是如何从用户提供的密码短语派生的，请参阅 gbde(4)。

FreeBSD 提供了内核模块 gbde，可以使用以下命令加载：

# kldload geom_bde

如果使用的是自定义内核配置文件，请确保它包含以下行：

options GEOM_BDE

以下示例演示了如何向系统添加一块新的硬盘，该硬盘将持有一个加密分区，并将其挂载为 /private。

过程：使用 gbde 加密分区

1. 添加新硬盘 按照 添加磁盘 中的说明将新硬盘安装到系统中。对于本示例，已添加新硬盘分区 /dev/ad4s1c，/dev/ad0s1* 代表现有的标准 FreeBSD 分区。

   # ls /dev/ad*
   /dev/ad0        /dev/ad0s1b     /dev/ad0s1e     /dev/ad4s1
   /dev/ad0s1      /dev/ad0s1c     /dev/ad0s1f     /dev/ad4s1c
   /dev/ad0s1a     /dev/ad0s1d     /dev/ad4

2. 创建用于存储 gbde 锁文件的目录

   # mkdir /etc/gbde

   gbde 锁文件包含 gbde 访问加密分区所需的信息。如果没有访问锁文件，gbde 将无法解密加密分区中的数据，且不支持进行任何手动干预。每个加密分区使用一个单独的锁文件。

3. 初始化 gbde 分区 在使用之前，必须初始化 gbde 分区。此初始化只需要执行一次。执行此命令后将打开默认编辑器，以便在模板中设置各种配置选项。对于 UFS 文件系统，将 sector_size 设置为 2048：

   # gbde init /dev/ad4s1c -i -L /etc/gbde/ad4s1c.lock
   #
   # 扇区大小是可以读取或写入的最小数据单位。
   # 将其设置得过小会降低性能并减少可用空间。
   # 将其设置得过大可能会导致文件系统无法正常工作。512 是
   # 最小值且始终安全。对于 UFS，请使用碎片大小
   
   sector_size	=	2048
   [...]

   保存编辑后，用户需要两次输入在初始化加密分区时选择的密码短语。密码短语必须一致。gbde 保护数据的能力完全依赖于密码短语的质量。有关如何选择既安全又易于记住的密码短语的提示，请参见 http://world.std.com/~reinhold/diceware.htm。

   此初始化会为 gbde 分区创建一个锁文件。在本示例中，它存储为 /etc/gbde/ad4s1c.lock。锁文件必须以 ".lock" 结尾，以便 /etc/rc.d/gbde 启动脚本能够正确检测。

   注意

   锁文件 必须 与任何加密分区的内容一起备份。没有锁文件，合法所有者将无法访问加密分区上的数据。

4. 将加密分区附加到内核

   # gbde attach /dev/ad4s1c -l /etc/gbde/ad4s1c.lock

   此命令将提示输入在加密分区初始化时选择的密码短语。新加密设备将出现在 /dev 目录中，名称为 /dev/device_name.bde：

   # ls /dev/ad*
   /dev/ad0        /dev/ad0s1b     /dev/ad0s1e     /dev/ad4s1
   /dev/ad0s1      /dev/ad0s1c     /dev/ad0s1f     /dev/ad4s1c
   /dev/ad0s1a     /dev/ad0s1d     /dev/ad4        /dev/ad4s1c.bde

5. 在加密设备上创建文件系统 待加密设备附加到内核，就可以在设备上创建文件系统。此示例创建一个启用了软更新的 UFS 文件系统。确保指定具有 *.bde 扩展名的分区：

   # newfs -U /dev/ad4s1c.bde

6. 挂载加密分区 创建一个挂载点并挂载加密文件系统：

   # mkdir /private
   # mount /dev/ad4s1c.bde /private

7. 验证加密文件系统是否可用 现在，加密文件系统应该可见并可用：

   % df -H
   Filesystem        Size   Used  Avail Capacity  Mounted on
   /dev/ad0s1a      1037M    72M   883M     8%    /
   /devfs            1.0K   1.0K     0B   100%    /dev
   /dev/ad0s1f       8.1G    55K   7.5G     0%    /home
   /dev/ad0s1e      1037M   1.1M   953M     0%    /tmp
   /dev/ad0s1d       6.1G   1.9G   3.7G    35%    /usr
   /dev/ad4s1c.bde   150G   4.1K   138G     0%    /private

每次启动后，必须手动将加密文件系统重新附加到内核、检查错误并挂载，才能使用文件系统。为了配置这些步骤，可以将以下行添加到 /etc/rc.conf：

gbde_autoattach_all="YES"
gbde_devices="ad4s1c"
gbde_lockdir="/etc/gbde"

这要求在启动时通过控制台输入密码短语。输入正确的密码短语后，加密分区将自动挂载。更多 gbde 启动选项可以在 rc.conf(5) 中查看。

当心

sysinstall 与 gbde 加密的设备不兼容。所有 *.bde 设备在启动 sysinstall 之前必须从内核中分离，否则它将在初始设备探测期间崩溃。要分离示例中使用的加密设备，请使用以下命令：

# gbde detach /dev/ad4s1c

20.12.2. 使用 geli 进行磁盘加密

另一种可用的加密 GEOM 类是 geli。该控制实用程序提供了一些功能，并使用不同的加密方案进行工作。它提供以下特性：

• 利用 crypto(9) 框架，并在可用时自动使用加密硬件。

• 支持多种加密算法，如 AES-XTS、AES-CBC 和 Camellia-CBCAES。

• 允许加密根分区。在系统启动时，将要求输入用于访问加密根分区的密码。

• 允许使用两个独立的密钥。

• 它执行简单的扇区到扇区的加密，因此速度很快。

• 允许备份和恢复主密钥。如果用户销毁了他们的密钥，仍然可以通过恢复备份的密钥来访问数据。

• 允许使用随机的一次性密钥附加磁盘，这对于交换分区和临时文件系统非常有用。

更多功能和使用示例可以参考 geli(8)。

以下示例描述了如何生成一个密钥文件，该文件将作为加密提供者的主密钥的一部分，挂载在 /private 下。该密钥文件将提供一些随机数据，用于加密主密钥。主密钥也将由密码保护。提供者的扇区大小将设置为 4kB。该示例描述了如何附加到 geli 提供者，如何在其上创建文件系统、挂载、操作并最终如何卸载它。

过程：使用 geli 加密分区

1. 加载 geli 支持geli 支持作为可加载的内核模块提供。要配置系统在启动时自动加载该模块，请将以下行添加到 /boot/loader.conf：

   geom_eli_load="YES"

   要立即加载内核模块：

   # kldload geom_eli

   对于自定义内核，确保内核配置文件包含以下行：

   options GEOM_ELI
   device crypto

2. 生成主密钥 以下命令生成一个主密钥，所有数据都将使用该密钥进行加密。此密钥不可更改。它不会直接使用，而是使用一个或多个用户密钥对其进行加密。用户密钥由一个可选的组合构成，包括来自文件 /root/da2.key 的随机字节和/或密码。在此例中，密钥文件的数据源是 /dev/random。此命令还将提供者的扇区大小设置为 4kB，以提高性能：

   # dd if=/dev/random of=/root/da2.key bs=64 count=1
   # geli init -K /root/da2.key -s 4096 /dev/da2
   输入新密码：
   再次输入新密码：

   使用密码和密钥文件并不是强制性的，可以单独使用任何一种方法来保护主密钥。

   如果密钥文件作为 "-" 提供，将使用标准输入。例如，以下命令生成三个密钥文件：

   # cat keyfile1 keyfile2 keyfile3 | geli init -K - /dev/da2

3. 使用生成的密钥附加提供者 要附加提供者，请指定密钥文件、磁盘名称和密码：

   # geli attach -k /root/da2.key /dev/da2
   输入密码：

   这将创建一个新的设备，扩展名为 .eli：

   # ls /dev/da2*
   /dev/da2  /dev/da2.eli

4. 创建新文件系统 接下来，使用 UFS 文件系统格式化该设备，并将其挂载到现有挂载点：

   # dd if=/dev/random of=/dev/da2.eli bs=1m
   # newfs /dev/da2.eli
   # mount /dev/da2.eli /private

   加密文件系统现在应该可以使用：

   # df -H
   Filesystem     Size   Used  Avail Capacity  Mounted on
   /dev/ad0s1a    248M    89M   139M    38%    /
   /devfs         1.0K   1.0K     0B   100%    /dev
   /dev/ad0s1f    7.7G   2.3G   4.9G    32%    /usr
   /dev/ad0s1d    989M   1.5M   909M     0%    /tmp
   /dev/ad0s1e    3.9G   1.3G   2.3G    35%    /var
   /dev/da2.eli   150G   4.1K   138G     0%    /private

完成对加密分区的操作后，如果不再需要 /private 分区，建议通过卸载并将 geli 加密分区从内核中分离来将该设备放入冷存储：

# umount /private
# geli detach da2.eli

提供了一个 rc.d 脚本，以简化在启动时挂载 geli 加密设备。对于此示例，请将以下行添加到 /etc/rc.conf：

geli_devices="da2"
geli_da2_flags="-k /root/da2.key"

这将配置 /dev/da2 作为具有主密钥 /root/da2.key 的 geli 提供者。在系统关闭之前，系统将自动将提供者从内核中分离。在启动过程中，脚本将提示输入密码，然后附加提供者。启动过程中的其他内核消息可能会在密码提示之前或之后显示。如果启动过程似乎停滞，请仔细查看其他消息中的密码提示。输入正确的密码后，提供者将被附加。然后，文件系统将挂载，通常通过 /etc/fstab 中的条目进行挂载。有关如何配置文件系统以在启动时挂载的说明，请参考 “挂载和卸载文件系统”。