LUKS – Verschlüsselte Platten retten.

Aus gegeben Anlass ( an dieser Stelle nochmal dank an den Ubuntu-Server-Installer) ein kleinen hinweis was man machen kann, wenn einem der CryptHeader zerstörrt wurde.

Zuerst muss man Ruhe bewahren. Dann sich die Fakten klar machen. Bei modernen Verschlüsslungsverfahren wird nicht gesamte Platte mit einmal verschlüsselt sondern immer häppchenweise. Eine zerstörte verschlüsselte Partition lässt sich genauso wieder herstellen wie eine normale Partition. Mit einem Unterschied: der CryptHeader. Dieser enthällt den Hauptschlüssel, ohne diesen hat man verloren. Sowohl ein eventuell eingerichtetes KeyFile als auch das Password leifern nur zugriff auf diesen Schlüssel. Ist dieser Schlüssel im eimer, so bleibt nur noch das Entschlüsseln per BruteForce… wie Erfolgversprechend das ist, hängt von der Schlüssellänge ab… Wenn man ein Backup einpsielen kann, ist es jetzt aber der richtige Zeitpunkt dies zu tun….

Meine Lektion vom Wochenende, ohne CryptoHeader hat man kaum eine Chance. Eventuell kann man noch wie hier beschrieben versuchen zu retten, was zu retten ist und den Header selber „neu schreiben“. Das funktioniert allerdings nur, solange der Schlüssel selber noch intakt ist. Die chancen dafür stehen gar nicht schlecht. Der eigendliche Schlüssel wird relativ weit hinten „versteckt“. Bei mir erst ab Byte 4096 (wenn ich die Daten richtig interpretiere).1

Um einem solchen Stress aber aus dem weg zu gehen gibt es eine ganz einfache Methode: einfach den Luks-Header sichern! War das früher nur über dd un der Kenntniss der HeaderLength möglich, geht das ganze jetzt komfortabel über das cryptsetup-Kommando. Dazu muss man die gewünschte Partition unmount und das CryptDevice schließen, anschließend kann man folgenden Befehl ausfürhen:

Wichtig dabei anzumerken ist, dass das HeaderFile auf keinen fall in der verschlüsselten Partition liegen sollte. Das bringt wenig. Es macht auch keinen sinn, dieses File irgendwo aufzubewahren, wo man ohne weiteres keinen Zugriff drauf bekommt. Von diesem File geht in erster linie keine Sicherheitsrisiko aus. Da es ein Angreifer eh ohne weiteres von der Platte ausgelesen werden kann und dies tun wird, um so das Password zu schneller brechen. Man sollte dieses file aber auch nicht unbedingt bei Facebook einstellen 😉

Performance vs Verschlüsselung

Wenn man einen File-Server betreibt, so kann man unglaublich viel Zeit darin investieren, den Raid zu planen, die Verschlüsselung einzurichten und das Netzwerk zu tunen. All das nutzt aber nichts, wenn am Ende der Benutzer glaubt, die Bytes einzeln über die Leitung schieben zu müssen.

Dass kann bzw wird passieren, wenn man seinen File-Server verschlüsselt. Der tollste RAID bringt wenig, wenn er auf den CPU warten muss, weil dieser fröhlich am ent-/verschlüsseln ist. Hier liegt ein grundlegender Widerspruch zwischen zwei Anforderungen vor. Jeh stärker man die Verschlüsselung forciert, desto langsamer wird der Datenzugriff.

Die erreichten Werte skalieren dabei jedoch nicht wie erwartet. Und überhaupt fällt es im ersten Moment schwer, die wirklich wichtigen Parameter auszumachen. Zuallererst müssen die Rahmenparameter abgesteckt werden:

  • Wichtig ist die LAN-Anbindung. 100MBit/s oder 1GBit/s. Beides Transferraten sind wesentlich langsamer, als dass was fast alle RAIDs (auch Software RAIDs) Zustande bringen. Aus dem Stand schaffte mein Testsystem 251,59MByte/s (write) und 293,41MByte/s (read). An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass man von Bits in Byte umrechnen muss. (1GBit/s=1024MBit/s = 128MByte).
  • Der zweite Rahmenparameter sind die Clients, bzw. deren Festplatten. Die maximale Transferrate ergibt sich aus der Lese/Schreibgeschwindigkeit dieser Komponente. In großen Netzwerken sollte kann man das getrost ignorieren, da immer mehrere Clients den Server ans Limit fahren. Im Privatgebrauch, mit weniger als fünf Clients, sollte man aber schon mal schauen wie viel Power man wirklich braucht. Dazu nimmt man seine „schnellste“ Kiste (in meinem Fall 60MByite/s Read/40MByte/s Write) und nimmt die mal 1.5. Das ist zwar kein wissenschaftlich ermittelter Wert, aber über den Daumen reicht das.

Neben diesen „harten“ Rahmenbedingungen gibt es noch eine Reihe weicher „Auswahlkriterieren“. Bei fast jedem Benchmarktool bekommt man verschiedene Werte der „Festplatte“ ausgewiesen. Sequenzjelles(Block) Lesen/Schreiben, zufälliges Lesen/schreiben und so weiter. Eine Fülle von Informationen von denen man nicht weiß, welcher Wert wichtiger ist. Zur Vereinfachung lässt sich sagen, dass bei einem Fileserver in 90% der Fälle das sequenzielle Lesen/Schreiben wichtiger ist.

Zum Testszenario: Alle Verschlüsselungs/Cipher-Algorithmen-Kombination musste ein 750GB Device verschlüsseln, wobei auch verschiedene Schlüssellängen durchprobiert wurden. Als überlagertes Dateisystem kam XFS zum Einsatz. Der CPU (ein 2.5GHz Intel Core 2 Duo) übernahm dabei nur die Krypto-Aufgaben. Der (Hardware) RAID-Controler war für die IO Zuständig. Die 4GB RAM kann man ausklammern, da der Benchmark (in diesem Fall bonnie++) bewusst den RAM umgeht. Bei einem Testfile von 8GByte Nutzt einem weder der 4GByte-RAM noch die 256 MByte Controller-Cache irgendwas. Was ja auch Sinn dieser Test ist. Das ganze lief unter einem 64 Bit Ubuntu 9.04

Zum Ergebnisdiagramm:  Der RAID lieferte nativ (unverschlüsselt) 252 MByte/s (Block Write) und 293,41 MByte/s (Block Read). Dies ist nicht auf dem Diagramm zu sehen, weil dann die Skalierung unvorteilhaft geworden wäre. Die ersten 3 Testwerte stellen daher die „praktischen“ Referenzwerte dar. Als maximal physikalische Obergrenze steht dabei die 1GBits Ethernet Verbindung. In der Praxis bringt die es bei mir ungefähr auf 800 Mbit/s (100MByte/s), folglich sind alle IO-Bandbreiten, mit mehr Leistung sinnlos. Als zweiten Referenzwert hab ich die Festplattenleistung aller meiner Clients gemessen und deren Ergebnis gemittelt. Mehr Leistung als diese ist zwar nett, da dadurch mehrere Rechner gleichzeitig auf dem Server arbeiten können aber sonderlich viel mehr Leistung wird nicht gebraucht, da dass Netzwerk aus nicht mal 5 Rechnern besteht. Der dritte Referenzwert ist der Wert der (mich) am meisten überrascht hat. Es ist die Rohleistung die der Standard SMB-Client (libsmbclient 2:3.3.2-1ubuntu3.2) auf die Leitung bringt. Überraschend deswegen, weil er schneller schreiben als lesen kann. Ob dies an meiner Serverkonfig liegt, konnte ich noch nicht verifizieren.

Alle Tests fanden Donnerstag von 23 bis Freitag 2 Uhr statt.


Verschlüsselung Performance Statistic
Verschlüsselung Performance Statistik

CPU Auslastung
CPU Auslastung

Speicher Auslastung
CPU Auslastung

Die Auswertung: Da der Referenzbalken der Unverschlüsselten Performance fehlt, sieht das Ergebnis Feld ganz brauchbar aus. Das täuscht. Als erstes fällt auf, dass sich alle Algoritmen-Mischungen ungefähr gleich geschlagen haben. In absoluten Zahlen ausgedrückt sieht das wie folgt aus:

  • Write Char: Der schlechteste Wert ist 66.25 MByte/s und erreicht somit noch immer 91% der nativen Leistung. Ach die Streuung ist vernachlässigbar, Zwischen dem schnellsten und langsamsten Algorithmus liegen gerade mal 3 MByte/s.
  • Write Block: Der eigentlich interessante Wert für einen Fileserver weißt die erste Überraschung auf. Hier bringt es der schnellte Algorithmus gerade mal auf 61% (152 KByte) der ursprünglichen Leistung. Die Streuung ist hier auch am größten. Zwischen den beiden Extremen liegen 60 KByte/s. Das ist gemessen am absoluten Leistungsverlust (99MByte/s) ein enormer Wert.
  • Rewrite: Hier zeigt sich wieder ein ähnliches Bild wie beim „Write Char“-Test. Das Ergebnisfeld ist dicht beieinander. Mit einem Maximalunterschied von 6KByte/s spielt es fast keine Rolle.
  • Read Char: Auch hier das gleiche Bild. Alle Algorithmen liegen dicht beieinander. Auch der Verlust hält sich in Grenzen. (7KByte/s)
  • Read Block: Die größte Überraschung am Schluss: Mit einem Leistungsverlust von fast 80% schlagen sich alle Algorithmen in dieser Disziplin schlecht. Zudem gibt es hier wieder nennenswerte Unterschiede zwischen den einzelnen Algorithmen.(20KByte/s bei einem absoluten Verlust von 230 KByte/s) Da dies eine Königsdisziplin der FileServer ist (Dateien ausliefern) gebietet es sich, hier genauer hin zuschauen.

Neben diesen Einzelwerten fällt auf, dass die Leistung der Algorithmen nicht skaliert wie man es erwartet. Das liegt zum einen daran, dass der absolute Verlust an der Dimensionierung der CPU im Vergleich zur nativen Leistung hängt. Auf Deutsch:Der CPU gibt die maximale IO-Geschwindigkeit an, ein Monster RAID + LowCost CPU ist blöd. Der RAID wird sich die ganze zeit langweilen, weil der CPU nur am Rödeln ist. Hier wird auch klar, dass nachrüsten von Speicher an so einer Leistungsgrenze wenig bringt. Der Flaschenhals ist die CPU. Dass sieht anders aus, wenn man einen Software- oder Fake-RAID benutzt. Zum anderen skallieren die Algorithmen selber nicht wie erwartet. Wenn ein Algorithmus gut im Random-Access ist, sagt das noch lange nichts über seine Leistung im Block-Lesen oder gar Schreiben aus.  Dass Schreiboperationen performanter als Leseoperationen durchgeführt werden, entzieht sich komplett meiner Logik.

Neben diesen reinen Duschsatzzahlen war es interessant Festzustellen, dass alle Algorithmen aus CPU-Sicht gleich aufwändig sind. Die Auslastung lag fast immer am Limit. Auch wenn das CPU-Diagramm etwas anderes vermuten lässt. Im ersten Moment sieht es so aus, dass der CPU eine hohe IDLE-Rate hat (Pink+Türkies). Das ist aber nur die halbe Wahrheit. Besonders bei dem langen Block nach den Test (von 3 Bis 4 Uhr – hier wurden 180 GByte Backupdaten wieder auf den RAID aufgespielt) fällt auf, dass es faktisch nur noch drei Statie gibt, in dem sich der CPU befindet: IDLE, IOWAIT oder SYSTEM.  Eigentlich müssten sich IOWAIT und SYSTEM zu 100% ergänzen. Der Grund für das IDLE ist einfach: Keine oder kaum Parallelisierung. Ein CPU hat sich immer gelangweilt. Das hat den Vorteil, dass das System trotz Vollast noch gute Antwortzeiten aufweist und einsatzfähig ist, kostet aber enorm an Durchsatz.

In hab mich für den aes-xts-plain mit einer Schlüssellänge von 256 entschieden. Da dieser die beste Block-Read/Write Performance hat. AES-ECB ist zwar nochmal eine ganze Ecke schneller (besonders beim lesenden Zugriff) jedoch ist dieser Algorithmus für eine reihe von Angriffen anfällig, die bis zur Extraktion der Krypto-Keys gehen.

[UPDATE] Nach der Veröffentlichung in den ubuntuusers-Foren hat mich Red Radish darauf hingewiesen, dass viele der hier genannten Verschlüsselungs-Algoritmen zwar möglich aber wenig sinnvoll sind. Leider ging das aus den Seiten die ich biss her gelesen hab nicht hervor. Die Anzahl der „sinnvollen“ Ciphers sind:

  • aes-ecb
  • aes-cbc-essiv:sha256
  • aes-lrw-benbi
  • aes-xts-plain
  • twofish-cbc-essiv:sha256
  • twofish-lrw-benbi
  • twofish-xts-plain

Danach sieht das Diagramm etwas übersichtlicher aus.


Verschlüsselung Performance Statistic
Verschlüsselung Performance Statistik

Links:

Verschlüsselung von RAIDs

Will man einen RAID verschlüsseln, steht man vor verschiedenen Problemen. Zuallererst muss man sich klar werden, dass eine Verschlüsselung die Datensicherheit (Redundanz) gefährden kann. Tausend Backups nützen nichts wenn der Schlüssel bzw. das Schlüsselfile verloren gegangen ist. Das klingt banal, schießt einen aber ins Knie, wenn der RAID bei einem Systemausfall die wichtigen Daten am Leben hält, das Schlüsselfile aber mit ins Nirwana gegangen ist.

Umgekehrt torpediert dein RAID meist mit der schieren Masse an  Daten die Datensicherheit im Sinne des Zugriffsschutzes. Je mehr Daten man mit dem gleichen Schlüssel verschlüsselt, desto „leichter“ lässt sich der Schlüssel aus dieser Menge extrahieren. Ab 2 GByte sollte man sich intensiv damit beschäftigen, welchen Verschlüsselungsalgorithmus (Cipher) man verwenden kann und mit welcher Schlüssellänge man arbeiten sollte.

Neben solchen theoretischen Vorüberlegungen muss man sich aber auch klar werden wie man Verschlüsseln will. Welche Features will man nutzen, worauf kann man verzichten. Ich für meinen Teil hatte klare Vorstellungen von meinem Setup:

  • FullDiskEncryption (FDE): Das RAID Array soll im ganzen verschlüsselt werden.
  • Dynamische RAID-Vergrößerung: Ab gewissen Speichergrößen ist eine Verdopplung des Speichers nicht mehr praktikabel oder schlicht bezahlbar.

Beide Punkte zusammen haben jedoch ihren Knackpunkt. Nicht alle Verschlüsselungstechnologien sind bei FDE (oder überhaupt) in der Lage einmal verschlüsselte Container/Volumes in der Größe zu verändern. TrueCrypt kann dies nur bei Containern und dann mit einem Performance-Overhead, der inakzeptabel ist. Bei den OpenSource-Technologien bleibt dann nur noch dm-crypt über. Dieses hat jedoch die „Schwäche“, dass der Verschlüsselungheader (welcher Cipher, Start, Ende, etc) selber unverschlüsselt auf der Platte liegt. Sicherheitstechnisch ist das kein Problem. Auch wenn der Angreifer den Cipher kennt, beißt er sich bei den richtigen Algorithmen und Schlüssellängen die Zähne aus. Nur kann ein dm-crypt Benutzer nicht glaubhaft abstreiten, dass er eben dm-crypt nicht benutzt.

Mir war die juristische Debatte erstmal egal, ich wollte ein verschlüsseltes dynamisches RAID-Device. Das hat mich ein ganzes Wochenende gekostet (500GB auf 750GB zu migrieren dauert immer ungefähr 4 Stunden). Es hat sich mir ein zentrales Problem in den weg gestellt. Es gibt für die Konsole kein Tool, dass eine Partition vergrößern kann, dessen Dateisystem es nicht erkennt. Man kann mittels fdisk die Partitionstabelle löschen und neu schreiben. So sadomasochistisch bin ich aber nicht veranlagt. Man riskiert immer vollen Datenverlust!

Man kann den Umweg über Logical Volume Manager (LVM) gehen. Dazu wird bei einem vergrößerten Device nicht die Partition vergrößert, sondern im neuen freien Bereich einfach eine weitere Partition erstellt. Diese wird dann dem Logischen Device hinzugefügt. Arbeitet man nur mit einem Fake- oder Software-RAID, mag das akzeptabel sein. Kommt es bei diesen zu einem Stromausfall darf man eh beten. Hardware-RAIDs nutzen jedoch BBUs um Datenverlust im Fehlerfall zu unterbinden. Was mit der LVM Zwischenschicht wieder ausgehebelt währe.

Möglichkeit drei ist einfach: man nutzt keine Partitionierung. Dazu muss man einfach wie folgt sein Device „beschreiben“

Nach dieser Aktion hat man eine MSDOS – Partitionierung, aber nicht erschrecken, die verschwindet gleich wieder ;).
Jetzt kann man die Festplatte direkt verschlüsseln, was z.B. bei einer GPT – Partitionstabelle nicht geht.

Beim Wiedereinhängen einfach luksFormat und mkfs weglassen, sonst blöd 😉
Interessant wird jetzt die Vergrößerung. Dazu im unter lagerten RAID erstmal das Device vergrößern. Um die neue Festplattengröße dem System bekannt zu machen muss man entweder mittels des RAID-Treibers ein rescann auslösen, man entlädt einfach den ganzen Treiber und hängt ihn wieder ein oder startet einfach neu.

Letztes geht nicht ohne das aushängen der gemountet Partition. Besser gesagt, es geht schon, bloß muss man dann mit Datenverlust rechnen. Ein Rescan sollte zu keinem Datenverlust führen, das ist jedoch Treiber-abhängig, in jedem Fall das Manual oder den Maintainer konsultieren. Für 3Ware (jetzt LSI) Raids müssen die Devices z.B. ausgehängt sein.

Ist die neue Festplattengröße im System bekannt, muss man sie nutzbar machen. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten:

  • Online – ohne Downtime des Dateisystems: Dies benötigt ein Dateisystem, was das Vergrößern/Verkleinern „on-the-Fly“ unterstützt. Das können z.b. EXT3 oder XFS.
  • Offline – mit Downtime des Dateisystems: Die kann mit allen Dateisystemen durchgeführt werden, die vergrößert/verkleinert werden können. Es ist auch ein Stück komfortabler.

    Beim öffnen des Device nutzt selbiges scheinbar automatisch allen verfügbaren Platz, wenn man nichts anderes (mittels resize) einstellt.

So kann kann in jedem Fall ohne viel Stress seine RAID-Device stückchenweise nach seinen Bedürfnissen erweitern. Dennoch sollte man von allen wichtigen Daten immer ein Backup haben! Zudem sollte man dieses Vorgehen ein, zwei mal geübt haben, bevor man es mit wichtigen Daten durchführt;)