Configuring Linux
Information Security
*nix
Server Administration
Data storage
26 June

Взлом и защита шифрования дисков LUKS


Шифрование дисков предназначено для защиты данных в компьютере от несанкционированного физического доступа. Бытует распространённое заблуждение, что дисковое шифрование с этой задачей действительно справляется, а сценарии, в которых это не так, представляются уж слишком экзотическими и нереалистичными. В этой статье показано, что извлечение мастер-ключа шифрованного тома LUKS легко осуществимо на практике, и предложен (давно не новый) метод защиты.

Суть проблемы


Отдельно стоит остановиться на предназначении дискового шифрования. Действительно, когда физический доступ невозможен и данными владеет запущенная система, проблем никаких нет. Могут быть проблемы с безопасностью самой системы, но тут шифрование дисков никак не поможет. Дисковое шифрование должно оберегать данные, когда у любопытствующей стороны есть возможность получить доступ к дискам минуя систему, например физически подключив диски к своей системе или загрузив свою ОС на инспектируемом компьютере. Сценарий физического доступа — единственный сценарий, при котором дисковое шифрование имеет какой-то смысл.

Проблема состоит в том, что атакующий может незаметно вмешаться в цепь загрузки ОС и вынудить систему выдать ключи шифрования, как только она их получит при очередном запуске.

Такая атака требует лишь одного акта доступа к компьютеру: данные с диска можно скопировать совместно с подменой цепи загрузки, а потом расшифровать их, дождавшись появления ключа. В сравнении с незашифрованными дисками неудобство состоит только в том, что нужно озаботиться тем, как ключ будет передан, и дождаться запуска.

Далее перейдём к демонстрации такой техники на практике. Может оказаться так, что для её реализации атакующему потребуется меньше усилий, чем владелец системы затратил на настройку какого-то своего экзотического метода разблокировки дисков (например, удалённо).

Практическая демонстрация


Демо я проведу на примере виртуальной машины с Debian 9, на которой шифрование дисков было включено при установке системы.

Установка Debian 9 с шифрованием создаёт загрузочный раздел и раздел с шифрованным LVM. Снимок экрана установленной системы с запросом пароля расшифровки для наглядности:



Всё готово, можно приступать. Выключаем машину, копируем диск. В моем случае это выглядит так:

[root@dt1 ~]# virsh destroy debian9-boothack 
Домен debian9-boothack разрушен

[root@dt1 ~]# cp -v /var/lib/libvirt/images/debian9-boothack.qcow2 ~
'/var/lib/libvirt/images/debian9-boothack.qcow2' -> '/root/debian9-boothack.qcow2'


Монтируем диск машины, извлекаем инитрамдрайв:

[root@dt1 ~]# mkdir /guest
[root@dt1 ~]# guestmount -a /var/lib/libvirt/images/debian9-boothack.qcow2 -m /dev/sda1 /guest
[root@dt1 ~]# cp -v /guest/initrd.img-4.9.0-9-amd64 ~user/tmp
'/guest/initrd.img-4.9.0-9-amd64' -> '/home/user/tmp/initrd.img-4.9.0-9-amd64'


Распаковываем инитрамдрайв:

[user@dt1 tmp]$ mkdir unpacked
[user@dt1 tmp]$ cd unpacked/
[user@dt1 unpacked]$ zcat ../initrd.img-4.9.0-9-amd64 | cpio -idm
[user@dt1 unpacked]$ ls
bin  conf  etc  init  lib  lib64  run  sbin  scripts

Готово, можно редактировать инитрамдрайв. Зная, что машина имеет постоянное сетевое подключение, я хочу организовать зашифрованную отправку мастер-ключа после открытия дисков. Для этого мне потребуется:

  1. Утилита для шифрованной отправки по сети. Добавляю её в /sbin
  2. Шелл-скрипт для извлечения ключа и отправки. Отправляется в /scripts/local-top и добавляется в список /scripts/local-top/ORDER после cryptoroot.
  3. Недостающий родной скрипт обработки событий udhcpc, чтобы запустить автонастройку сети прямо в рамдрайве, пользуясь встроенными средствами. Его законное место в /etc/udhcpc/default.script

Исполняемый файл secsend собран статически, чтобы устранить зависимости от каких-либо библиотек. При обычных условиях сборка даёт на выходе файл размером 2,7 МБ, что довольно ощутимо по сравнению с размером рамдрайва — 62 мегабайта в распакованном виде и 20 в сжатом. Однако, при сборке всех библиотек и исполняемого файла с минималистичной musl libc размер выходного файла получается ~250 КБ и 120 КБ после сжатия UPX. Сам secsend просто читает стандартный вход, шифрует его cryptobox-ом из libsodium с использованием заданного публичного ключа Curve25519 и отправляет данные на заданный адрес по TCP. Его использование непринципиально для основной цели демонстрации, он скорее показывает что атакующий по сути ничем не ограничен: можно запускать код, который делает что хочет атакующий и как он этого хочет.

После добавления этих трёх файлов и редактирования ещё одного можно запаковывать всё обратно и возвращать изменённый файл на место:

[user@dt1 unpacked]$ find . | cpio -o -c | gzip -9 > ../initrd.img-4.9.0-9-amd64
125736 блоков
[user@dt1 unpacked]$ sudo cp -v ../initrd.img-4.9.0-9-amd64 /guest
'../initrd.img-4.9.0-9-amd64' -> '/guest/initrd.img-4.9.0-9-amd64'
[user@dt1 unpacked]$ sudo guestunmount /guest

Потребуется некоторый сервер для приёма зашифрованного мастер-ключа, например такой (Python 3.5.3+). Запустив его с указанием секретной части ключевой пары, дожидаемся, пока условная жертва включит свой компьютер:



При включении виртуальной машины с зашифрованным диском всё внешне выглядит как обычно, ничего не изменилось:



А вот на стороне слушателя подключений появился секретный мастер-ключ:



С этого момента сама виртуальная машина с данными и её пользователь со знанием пароля шифрования уже не представляют интереса для злоумышленника. Особо отмечу, что смена парольной фразы не меняет мастер-ключ, которым зашифрован весь том. Даже если между снятием копии и отправкой ключа как-то затесалась смена парольной фразы — это не помеха. Воспользуемся мастер-ключом для открытия тома. Для этого преобразуем его 16ричную запись в логе в бинарный файл:

[root@dt1 ~]# echo 'fa0c53***********4bd8c' | xxd -r -p > master.key

Монтируем диски со снятой копии:

[root@dt1 ~]# modprobe nbd max_part=8
[root@dt1 ~]# qemu-nbd --connect=/dev/nbd0 /root/debian9-boothack.qcow2 
[root@dt1 ~]# ls /dev/nbd0*
/dev/nbd0  /dev/nbd0p1  /dev/nbd0p2  /dev/nbd0p5
[root@dt1 ~]# file -s /dev/nbd0p5
/dev/nbd0p5: LUKS encrypted file, ver 1 [aes, xts-plain64, sha256] UUID: fb732477-ef98-40b5-86a2-8526c349f031
[root@dt1 ~]# cryptsetup --master-key-file=master.key luksOpen /dev/nbd0p5 crackeddisk
[root@dt1 ~]# pvs
  PV                      VG                  Fmt  Attr PSize    PFree
  /dev/mapper/crackeddisk debian9-boothack-vg lvm2 a--    19,75g    0 
  /dev/sda3               dt1                 lvm2 a--  <215,01g 8,00m
[root@dt1 ~]# lvs
  LV     VG                  Attr       LSize   Pool Origin Data%  Meta%  Move Log Cpy%Sync Convert
  root   debian9-boothack-vg -wi-a-----  18,75g                                                    
  swap_1 debian9-boothack-vg -wi-a-----   1,00g                                                    
  root   dt1                 -wi-ao---- 215,00g                                                    
[root@dt1 ~]# mkdir /hackedroot
[root@dt1 ~]# mount /dev/mapper/debian9--boothack--vg-root /hackedroot/
[root@dt1 ~]# ls /hackedroot/
bin  boot  dev  etc  home  initrd.img  initrd.img.old  lib  lib64  lost+found  media  mnt  opt  proc  root  run  sbin  srv  sys  tmp  usr  var  vmlinuz  vmlinuz.old
[root@dt1 ~]# cat /hackedroot/etc/hostname 
debian9-boothack

Данные извлечены.

Меры защиты


Как можно заключить — корень проблемы в запуске недоверенного кода. Вот небольшой обзор методик, которые стоит рассмотреть в контексте этого вопроса.

Шифрование загрузочного раздела


Некоторые дистрибутивы предлагают и такую возможность при установке (например OpenSuSE). В таком случае загрузочный раздел расшифровывается загрузчиком, а затем с него загружаются ядро и инитрамдрайв. Такой подход не имеет особого смысла по следующим причинам:

  • Самый главный вопрос с подменой кода всё равно остаётся открытым. Только теперь подменять нужно будет загрузчик.
  • Для загрузочного раздела важнее не конфиденциальность данных, а целостность данных. Обычное шифрование LUKS не предоставляет такой гарантии. Некоторая выгода здесь заключается только в том, что на таком зашифрованном разделе трудно сформировать осмысленную подмену.
  • И шифрование LUKS2 с проверкой целостности (dm-integrity) тоже не защищает от вмешательств, потому что оно не даёт гарантий против атак, связанных с повторным воспроизведением секторов. Например, имея дамп такого раздела и конфиг загрузчика на нём, всё равно можно взять и откатить ядро на состояние, скопированное ранее. Это не даёт преимуществ конкретно в вопросе извлечения ключа (разве что если старое ядро было уязвимо и это можно каким-то образом использовать), это скорее довод в пользу бесполезности шифрования загрузочного раздела.

Использование TPM для хранения ключа шифрования и валидации безопасной среды загрузки


TPM — по сути криптопроцессор, который работает как безопасный анклав или смарткарта в системе. Секретные данные, зашифрованные с его помощью, могут быть расшифрованы только с помощью него и только на его условиях — когда сходятся значения PCR системы, которые зависят от состояния платформы и запускаемого в ней кода. Технология достаточно перспективная и может позволить реализовать безопасное шифрование в системе, не требуя ввода ключа (например, выполняя вход по отпечатку пальца или по несвязанным с шифрованием методам аутентификации). В идеальном случае он должен работать совместно с UEFI Secure Boot, запрещая расшифровку, когда конфигурация не сходится.

Однако в линуксе поддержка TPM пока находится в зачаточном состоянии. Загрузчик TrustedGRUB2 (приспособленный для работы с TPM загрузчик) не поддерживает UEFI и от этого пропадает весь смысл затеи. Кроме того наличие рабочего TPM 2.0 только сейчас начинает появляться в железе, зачастую вместе с обновлениями BIOS. Большинство материнских плат не имеют дискретного TPM-модуля, вместо этого TPM программно реализован внутри Intel ME. По всем этим причинам я пока не рассматриваю такую конфигурацию как рабочую и пригодную для широкого использования.

Использование UEFI Secure Boot для полного покрытия загрузочной цепи электронной подписью


Существуют дистрибутивы (Fedora, OpenSuSE) и одиночные решения, которые позволяют использовать Secure Boot в Linux. Однако, коробочные решения зачастую не обеспечивают целостность кода в цепи загрузки. Они предназначены преимущественно для того, чтобы Linux просто запускался при включенном Secure Boot. Обычно просто используется EFI shim, подписанный сертификатом Microsoft, который дальше запускает всё что угодно. Соответственно, при использовании внешнего сертифицирования покрыть подписью инитрамдрайв, который генерируется прямо в установленной системе, просто невозможно.

На хабре имеются статьи, которые предлагают использовать собственную PKI для подписи кода. Это позволяет подписывать всё, что нужно, самостоятельно и таким образом покрыть всю цепь UEFI → загрузчик → ядро и инитрамдрайв.

  1. Укрощаем UEFI SecureBoot — первая статья на хабре на эту тему, очень подробная.
  2. Используем Secure Boot в Linux на всю катушку — здесь особенно хорошо написано, почему Secure Boot с установленными сертификатами Microsoft эквивалентен его отсутствию.

Требуемый результат получается во второй статье. Подпись инитрамдрайва достигается слиянием рамдрайва и ядра в одно EFI-приложение, без использования загрузчика, и UEFI напрямую проверяет подпись сразу оптом. Оба руководства требуют массу ручной работы на каждой защищаемой системе.

Доступное решение


Мне встретился подход к полноценному внедрению Secure Boot, совместимый с общепринятой схемой загрузки и не требующий серьёзного вмешательства в систему: отдельный загрузчик, отдельный рамдрайв, отдельное ядро. UEFI проверяет подпись только загрузчика GRUB2, загрузчик имеет вшитый конфиг с ключом для проверки подписи и паролем администратора, и дальше проверяет ядро и рамдрайв. Подписанный загрузчик устанавливается параллельно со старым и при необходимости сохраняется возможность запуститься обычным образом, выключив Secure Boot. Разумеется, эта возможность должна быть закрыта паролем администратора в меню настроек UEFI.

Я решил автоматизировать процесс внедрения Secure Boot с собственным PKI и сделать его простым и независимым от дистрибутива насколько возможно. В результате получился вот такой набор из рецепта Makefile и утилит: https://github.com/Snawoot/linux-secureboot-kit. Для debian, ubuntu, fedora и centos весь процесс требует всего несколько команд.

Конкретно на примере Debian 9 установка выглядит примерно следующим образом (предполагая, что UEFI уже в Setup Mode):

apt update && apt install -y unzip make sbsigntool
wget https://gist.github.com/Snawoot/1937d5bc76d7b0a29f2039aa679c0449/raw/74a63c99be07ec93cfc1df47d2e98e54920c97b7/efitools-1.9.2-static.tar.xz && \
tar xpJf efitools-1.9.2-static.tar.xz -C /
wget https://github.com/Snawoot/linux-secureboot-kit/archive/master.zip
unzip master.zip
cd linux-secureboot-kit-master/
make debian9-install

Здесь все команды введены от имени суперпользователя. В итоге остаётся только убедиться, что Secure Boot включён в меню BIOS и защитить настройки BIOS паролем администратора.

А вот как выглядит попытка подмены рамдрайва на такой инсталляции:



Подмена загрузчика (внешний вид зависит от платформы):



Итог


Одного лишь дискового шифрования недостаточно для обеспечения конфиденциальности данных. Подпись всей цепи загрузки с использованием UEFI Secure Boot и GPG позволяет достичь хорошего уровня защиты от подмены исполняемого кода при условии, что эксплуатант компьютера способен распознать сброс или подмену системной платы, или даже всего компьютера. В противном случае крайне трудно предложить адекватные способы защиты, если пользователь готов ввести пароль/передать ключ в любую машину, которая случайно оказалась на столе или в серверной.

+39
10.6k 90
Comments 29