这是信息系统安全实验系列的第八篇~
1. 实验目的
（1）掌握eCryptfs的执行过程和设计原理；
（2）学会安装eCryptfs，掌握使用eCryptfs加密文件系统。
2. 实验环境
安装Ubuntu14.04的虚拟机，eCryptfs等软件。
3. 背景知识
eCryptfs简介
eCryptfs 是在 Linux 内核 2.6.19 版本中引入的一个功能强大的企业级加密文件系统，堆叠在其它文件系统之上（如 Ext2, Ext3, ReiserFS, JFS 等），为应用程序提供透明、动态、高效和安全的加密功能。
本质上，eCryptfs插在 VFS（虚拟文件系统层）和 下层物理文件系统之间，充当一个“过滤器”的角色。用户应用程序对加密文件的写请求，经系统调用层到达 VFS 层，VFS 转给 eCryptfs 文件系统组件处理，处理完毕后，再转给下层物理文件系统；读请求（包括打开文件）流程则相反。
eCryptfs使用了两种方法来加密单个文件：
（1）eCryptfs 先使用一种对称**加密算法来加密文件的内容，** FEK（File Encryption Key）随机产生。
（2）显然 FEK 不能以明文的形式存放，因此 eCryptfs 使用用户提供的口令（Passphrase）、公开**算法（如 RSA 算法）或 TPM（Trusted Platform Module）的公钥来加密保护刚才提及的 FEK。如果使用用户口令，则口令先被散列函数处理，然后再使用一种对称**算法加密 FEK。口令/公钥称为 FEFEK（File Encryption Key Encryption Key），加密后的 FEK 则称为 EFEK（Encrypted File Encryption Key）。由于允许多个授权用户访问同一个加密文件，因此 EFEK 可能有多份。
这种综合的方式既保证了加密解密文件数据的速度，又极大地提高了安全性。虽然文件名没有数据那么重要，但是入侵者可以通过文件名获得有用的信息或者确定攻击目标，因此，最新版的 eCryptfs 支持文件名的加密。
4. 实验过程记录
（1）eCryptfs进行读/写操作时的工作流程
① 读操作
若执行读操作的文件的路径经过了加密挂载点，则需要对文件进行解密。
首先，读头部信息，即数据块的第一页。从头部信息中解析出加密算法、标志、**信息等等。其中最关键的是要把加密的文件加***（EFEK）解密为文件加***（FEK）。为此，查看**环上是否有需要的认证令牌，如果有，则用认证令牌FEKEK对EFEK进行解密得到FEK；如果没有，则需要用户提供解密口令，利用该口令算出（撒盐+多次MD5运算）文件加***的加***（FEKEK，也称为认证令牌），将得到的FEKEK与头部信息中的FEKEK标识符进行比对，比对正确则用FEKEK对EFEK进行解密，得到FEK。
其次，解密文件。用FEK对文件数据块进行解密。
② 写操作
若执行写操作的文件的路径经过了加密挂载点，则需要对文件进行加密。
首先，加密数据块。系统生成一串随机数作为文件加***（FEK），再把文件数据划分成数据块（页），用FEK对这些数据块加密。
其次，添加头部信息。把文件大小、eCryptfs标记、标志、RFC2440Tag3和Tag11包存为一页，添加到数据块的头部。其中Tag3和Tag11分别是**信息及其标识信息，包括加密的文件加***（EFEK）、加密算法等等。加密的文件加***（EFEK）的生成过程如下：用户提供的口令在撒盐后经过多次MD5运算形成文件加***的加***（FEKEK，也称为认证令牌），把FEKEK挂在**环上。密码运算API用FEKEK对FEK进行加密，形成加密的文件加***（EFEK）。
最后，存储加密后的文件。
（2）eCryptfs支持哪些加密方式？每种加密方式的加密块大小及使用**长度是多少？
eCryptfs支持如下的加密方式：
表1（eCryptfs支持的加密方式）
|
加密方式 |
加密块大小 |
最小**长度 |
最大**长度 |
|
aes |
16 |
16 |
32 |
|
blowfish |
8 |
16 |
56 |
|
des3_ede |
8 |
24 |
24 |
|
twofish |
16 |
16 |
32 |
|
cast6 |
16 |
16 |
32 |
|
cast5 |
8 |
5 |
16 |
（3）eCryptfs功能验证
① 安装eCryptfs
使用apt-get命令即可安装，如下图所示：
图1（安装eCryptfs）
② 查看eCryptfs使用命令
使用man命令即可查看，如下图所示：
图2（查看eCryptfs使用命令）
③ 创建目录
在主文件夹下新建两个文件夹 realdir、mounteddir，使用 realdir作为文件真实目录，用 mounteddir作为挂载目录，如下图所示：
图3-1（输入命令创建目录）
图3-2（查看创建的目录）
④ 挂载
输入mount命令，在passphrase后输入密码123456；在select cipher后按回车，默认为[aes]加密方式；在select key bytes后按回车，默认加密位数为16位；在enable plaintext passthrough(y/n)后输入n，以确保不会误将秘密写入未经加密文件；在enable filename encryption (y/n)后输入n，在没有解密的情况下也可以列出文件夹内部的文件名。如下图所示：
图4（选择挂载选项）
出现输入有误的警告后，在Would you like to proceed with the mount (yes/no)后输入yes，完成加密；在Would you like to append sig [799d2f922c0f1f26] to [/root/.ecryptfs/sig-cache.txt] in order to avoid this warning in the future (yes/no)后输入yes，把密码标识保存到/root/.ecryptfs/sig-cache.txt中。如下图所示：
图5（完成挂载）
挂载完毕后，使用mount命令检查挂载是否成功，如下图所示：
图6（挂载成功）
由上图可知，挂载成功。
⑤ 测试一
在mounteddir目录中，创建文件file1，随意输入内容。如下图所示：
图7（文件file1内容）
使用cat realdir/file1查看文件，结果如下图所示：
图8（通过realdir查看文件）
使用cat mounteddir/file1查看文件，结果如下图所示：
图9（通过mounteddir查看文件）
由图8和图9可以发现，通过realdir查看文件将不会被解密，所以得到乱码；通过mounteddir查看文件将被解密，得到原内容。
【分析】因为之前realdir和mounteddir之间的挂载关系，所以通过mounteddir执行写操作时，会把文件加密后存储；通过mounteddir执行读操作时，会把文件解密后再显示在屏幕上；通过realdir执行读操作时，不会解密文件，所以会把加密后的文件显示在屏幕上，即显示为乱码。
⑥ 测试二
在realdir目录中，创建文件file2，随意输入内容。如下图所示：
图10（文件file2内容）
使用cat realdir/file2查看文件，结果如下图所示：
图11（通过realdir查看文件）
使用cat mounteddir/file2查看文件，结果如下图所示：
图12（通过mounteddir查看文件）
由图11和图12可以发现，通过realdir查看文件将被解密，得到原内容；通过mounteddir查看文件将出现输出错误。
【分析】通过realdir执行写操作时，并不会加密文件，所以存储在realdir目录下的file2是以明文存储的，通过realdir执行读操作时，会把file2的内容显示出来。但通过mounteddir执行读操作时，会对文件进行解密，但因为之前并没有加密的过程，所以文件的头部信息是缺失的，使得解密失败，从而出现输出错误。
⑦ 取消挂载
输入umount命令取消挂载，如下图所示：
图13（取消挂载）
使用mount命令查看挂载是否取消成功，如下图所示：
图14（查看挂载是否取消成功）
由上图与图6对比可知，取消挂载成功。
*参考资料
https://linux.cn/article-4470-1.html
https://blog.****.net/github_34308866/article/details/51564823