Qemu镜像安全加密测试

简介

本文介绍两种qemu镜像加密方式，一种是已经过时的方式，另外一种是luks方式，作为对比和学习使用。

1.已经过时的qemu自带的加密方式介绍

这种加密方式已经被原作者(Daniel P. Berrange [email protected])废除(deprecated)，本章节先介绍一下这种方式的基本操作和废除原因¹²³，以避免日后使用使用方式或者研究思路有错误。

1.1.创建secret uuid的xml

# cat demo-secret.xml
<secret ephemeral='no' private='no'>
  <uuid>0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f</uuid>
  <usage type='volume'>
    <volume>/home/VirtualMachines/demo.qcow2</volume>
  </usage>
</secret>

ephemeral是短暂的意思，如果设置为yes，则vm重启之后，加密就会消失，这一般应用于有第三方加密管理的情况下，这里选择no。
privacy是表明是否libvirt可以给用户看到与该uuid关联的secret信息，如果设置为yes，就是writeonly的。
uuid就是一个secret的唯一标识，如果不指定uuid，下一步会随机生成一个。

1.2.产生uuid

# virsh secret-define demo-secret.xml
  Secret 1a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f created

1.3.给secret赋值

# MYSECRET=`echo "open seseme" | base64`
  # virsh secret-set-value 0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f $MYSECRET
  Secret value set

base64是一种编码格式，这样，一个拥有唯一标识符uuid的secret就产生完整了。

1.4.创建一个存储池

#virsh pool-dumpxml VirtualMachines

<pool type='dir'>
  <name>VirtualMachines</name>
  <source>
  </source>
  <target>
    <path>/home/VirtualMachines</path>
  </target>
</pool>

这是一个目录类型的存储池，必须先用mkdir创建/home/VirtualMachines目录

#virsh pool-define xxxx.xml

1.5.在存储池中创建一个镜像

# cat demo-disk.xml
<volume>
  <name>demo.qcow2</name>
  <capacity>5368709120</capacity>
  <target>
    <format type='qcow2'/>
    <encryption format='qcow'>
      <secret type='passphrase' uuid='0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f'/>
    </encryption>
  </target>
</volume>

# virsh vol-create VirtualMachines demo-disk.xml
Vol demo.qcow2 created from demo-disk.xml

可以查看该demo.qcow2的信息

# file demo.qcow2 
demo.qcow2: QEMU QCOW Image (v2), 5368709120 bytes, AES-encrypted.

这里注意，该’passphrase’ 并没有按照例子设置具体值，也能正常工作。

1.6.在虚拟机中使用该镜像

# cat demo-guest.xml
<domain type='qemu'>
  <name>demo</name>
  <memory>500200</memory>
  <vcpu>4</vcpu>
  <os>
    <type arch='i686' machine='pc'>hvm</type>
    <kernel>/home/vmlinuz-PAE</kernel>
    <initrd>/home/initrd-PAE.img</initrd>
    <boot dev='hd'/>
  </os>
  <devices>
    <emulator>/usr/bin/qemu-kvm</emulator>
    <disk type='file' device='disk'>
      <driver name='qemu' type='qcow2'/>
      <source file='/home/VirtualMachines/demo.qcow2'/>
      <target dev='hda' bus='ide'/>
      <encryption format='qcow'>
        <secret type='passphrase' uuid='0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f'/>
      </encryption>
    </disk>
    <input type='tablet' bus='usb'/>
    <input type='mouse' bus='ps2'/>
    <graphics type='vnc' port='-1' autoport='yes'/>
  </devices>
</domain>

这是一个空硬盘，可以直接用内核文件vmlinuz和initrd做PXE启动。

2.弃用以上加密方式

2.1.原作者Daniel Berrange的观点

A. AES-CBC加密算法本身很脆弱，容易受到选择明文攻击
B. 本实现直接用的1.3小节中的passphrase当作加密密钥，密钥的选择不安全，太短并且缺乏随机性
C. 当加密被入侵之后，没有机制可以修改密钥，镜像安全得不到保证

2.2.Markus Armbruster更深入的操作

首先创建三个文件⁴

[root@localhost home]# qemu-img create -f raw backing.img 4m
Formatting 'backing.img', fmt=raw size=4194304
[root@localhost home]# qemu-img create -f qcow2 -o encryption,backing_file=backing.img,backing_fmt=raw geheim.qcow2 4m
Formatting 'geheim.qcow2', fmt=qcow2 size=4194304 backing_file=backing.img backing_fmt=raw encryption=on cluster_size=65536 lazy_refcounts=off refcount_bits=16
[root@localhost home]# qemu-img create -f qcow2 -o backing_file=backing.img, backing_fmt=raw normal.qcow2 4m
Formatting 'normal.qcow2', fmt=qcow2 size=4194304 backing_file=backing.img backing_fmt=raw encryption=off cluster_size=65536 lazy_refcounts=off refcount_bits=16

这里qemu-img执行了三次，可以看到，出现了一个backing_file参数，如果“-o”选项中使用了backing_file这个选项来指定其后端镜像文件，那么这个创建的镜像文件仅记录与后端镜像文件的差异部分。后端镜像文件不会被修改，除非在QEMU monitor中使用“commit”命令或者使用“qemu-img commit”命令去手动提交这些改动。这种情况下，size参数不是必须需的，其值默认为后端镜像文件的大小。另外，直接使用“-b backfile”参数也与“-o backing_file=backfile”效果相同。
剩下的操作，现在的QEMU版本已经不支持，会提示报错

[root@localhost home]# qemu-system-x86_64 -nodefaults -display none -monitor stdio geheim.qcow2
qemu-system-x86_64: -monitor stdio: Use of AES-CBC encrypted qcow2 images is no longer supported in system emulators

剩下的分析可以查看附录[2]，当前QEMU版本推荐的硬盘加密方式是LUKS(Linux Unified Key Setup)。

3. LUKS(Linux Unified Key Setup)加密简介

#用vmware添加一块新磁盘，/dev/sdc，然后进行加密
[root@localhost ~]#  cryptsetup -v -y -c aes-cbc-plain luksFormat /dev/sdc

WARNING!
========
This will overwrite data on /dev/sdc irrevocably.

Are you sure? (Type uppercase yes): YES
Enter passphrase: 
Verify passphrase: 
Command successful.
#映射分区，需要输入密码，之后就不用了
[root@localhost ~]# cryptsetup luksOpen /dev/sdc test_disk //把sdb1映射为test_disk
Enter passphrase for /dev/sdc: 
[root@localhost ~]# ll -d /dev/mapper/test_disk 
lrwxrwxrwx. 1 root root 7 Oct 19 02:02 /dev/mapper/test_disk -> ../dm-2
#查看映射分区状态
[root@localhost ~]# cryptsetup status /dev/mapper/
cl-root    cl-swap    control    test_disk  
[root@localhost ~]# cryptsetup status /dev/mapper/cl-root 
[root@localhost ~]# cryptsetup status /dev/mapper/cl-swap 
[root@localhost ~]# cryptsetup status /dev/mapper/control 
/dev/mapper/control is inactive.
[root@localhost ~]# cryptsetup status /dev/mapper/test_disk 
/dev/mapper/test_disk is active.
  type:    LUKS1
  cipher:  aes-cbc-plain
  keysize: 256 bits
  device:  /dev/sdc
  offset:  4096 sectors
  size:    10481664 sectors
  mode:    read/write

可以看到，未加密的映射分区是没有加密信息的，其中有个/dev/mapper/control不知道是做什么的，以后再研究。可以看到/dev/mapper/test_disk分区的加密信息，使用的aes-cbc-plain加密算法，用qemu-img命令生成的加密镜像，从qemu报错可以看出，现在的qemu版本不支持这种aes-cbc算法，目前无法确定用LUKS生成的加密镜像如果用这种算法，qemu会不会报错，猜测是会报错的，后面再进行验证。

#挂载分区
[root@localhost home]# mkfs.xfs /dev/mapper/test_disk 
meta-data=/dev/mapper/test_disk  isize=512    agcount=4, agsize=327552 blks
         =                       sectsz=512   attr=2, projid32bit=1
         =                       crc=1        finobt=0, sparse=0
data     =                       bsize=4096   blocks=1310208, imaxpct=25
         =                       sunit=0      swidth=0 blks
naming   =version 2              bsize=4096   ascii-ci=0 ftype=1
log      =internal log           bsize=4096   blocks=2560, version=2
         =                       sectsz=512   sunit=0 blks, lazy-count=1
realtime =none                   extsz=4096   blocks=0, rtextents=0
[root@localhost home]# mount /dev/sdc /home/crypto_test/
mount: unknown filesystem type 'crypto_LUKS'  //不能直接挂载，要挂载在映射设备上
[root@localhost home]# mount /dev/mapper/test_disk /home/crypto_test/
[root@localhost home]# df -h
Filesystem             Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/mapper/test_disk  5.0G   33M  5.0G   1% /home/crypto_test

挂载成功。

#关闭映射，先卸载后关闭
[root@localhost home]# umount /home/crypto_test/
[root@localhost home]# cryptsetup status /dev/mapper/test_disk 
/dev/mapper/test_disk is active.
  type:    LUKS1
  cipher:  aes-cbc-plain
  keysize: 256 bits
  device:  /dev/sdc
  offset:  4096 sectors
  size:    10481664 sectors
  mode:    read/write
[root@localhost home]# cryptsetup luksClose test_disk
[root@localhost home]# cryptsetup status /dev/mapper/test_disk 
/dev/mapper/test_disk is inactive.

4.Libvirt对镜像进行LUKS加密

4.1.需要的文件

参考第1节，步骤和需要的文件几乎完全一样，只是加密方式不同。本节只标出不同的地方，其他步骤参考第1节⁵。
需要的文件为：demo-disk.xml demo-pool.xml demo-secret.xml

#demo-secret.xml
<secret ephemeral='no' private='yes'>
  <uuid>0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f</uuid>
  <usage type='volume'>
    <volume>/home/crypto-test/twofish.luks</volume>
  </usage>
</secret>

#demo-pool.xml
<pool type='dir'>
  <name>test-pool</name>
  <source>
  </source>
  <target>
    <path>/home/crypto-test</path>
  </target>
</pool>

#demo-disk.xml
<volume>
  <name>twofish.luks</name>
  <capacity>3111111111</capacity>
  <target>
    <format type='raw'/>
    <encryption format='luks'>
      <secret type='passphrase' uuid='0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f'/>
      <cipher name='twofish' size='256' mode='cbc' hash='sha256'/>
      <ivgen name='plain64' hash='sha256'/>
    </encryption>
  </target>
</volume>

差异在于

<format type='raw'/>和<encryption format='luks'>

4.2.步骤

#查看镜像文件格式

[root@localhost crypto-test]# file twofish.luks 
twofish.luks: LUKS encrypted file, ver 1 [twofish, cbc-plain64:sha256, sha256] UUID: c46eef30-b6c2-473a-959d-84d941b0d893

#虚拟机disk配置

<disk type='file' device='disk'>
      <driver name='qemu' type='raw'/>
      <source file='/home/crypto-test/twofish.luks'/>
      <backingStore/>
      <target dev='hda' bus='ide'/>
      <encryption format='luks'>
        <secret type='passphrase' uuid='0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6f'/>
      </encryption>
      <alias name='ide0-0-0'/>
      <address type='drive' controller='0' bus='0' target='0' unit='0'/>
</disk>
<disk type='file' device='cdrom'>
      <driver name='qemu' type='raw'/>
      <source file='/home/ubuntu-14.04.1-server-amd64-20170531.iso'/>
      <backingStore/>
      <target dev='hdc' bus='ide'/>
      <readonly/>
      <alias name='ide0-1-0'/>
      <address type='drive' controller='0' bus='1' target='0' unit='0'/>
</disk>

在使用加密镜像的时候，由于实验中建立的是一个空镜像，里面没有操作系统，因此要带上一个cdrom，系统安装好之后，测试把删除，会找不到硬盘，加密生效。

故意将passphrase的最后一个字母从f改成e，再启动虚拟机

<encryption format='luks'>
        <secret type='passphrase' uuid='0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6e'/>
</encryption>

[root@localhost home]# virsh start vm_test_2
error: Failed to start domain vm_test_2
error: Secret not found: no secret with matching uuid '0a81f5b2-8403-7b23-c8d6-21ccc2f80d6e'

4.3.结论

使用了LUKS之后，libvirt配置的passphrase不再用来当作生成加密密钥，仅仅用来解锁加密密钥，并且可以随时更改[3]。并且在demo-disk.xml的encryption标签里面，还可以配置成其他的选项来选择加密算法和密钥生成方式。

Reference

---

1. Using QCow2 disk encryption with libvirt in Fedora 12（deprecated） ↩︎

2. [Qemu-devel] [PULL 03/17] block: Deprecate QCOW/QCOW2 encryption ↩︎

3. QEMU QCow2 built-in encryption: just say no. Deprecated now, to be deleted soon ↩︎

4. KVM虚拟机磁盘镜像文件管理命令qemu-img介绍及简单使用总结 ↩︎

5. Secret XML format ↩︎