如何管理 ZFS 数据加密

作者：Darren Moffat

如何在 ZFS 文件系统中加密数据以及如何管理文件系统或存储池的数据加密。


2012 年 7 月发布

Oracle Solaris 11 为 ZFS 添加了透明数据加密功能。所有数据和文件系统元数据（如所有权、访问控制列表、配额信息等等）永久存储在 ZFS 池中时均经过加密。

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ZFS 池可以同时支持加密和非加密的 ZFS 数据集（文件系统和 ZVOL）。数据加密对应用和其他 Oracle Solaris 文件服务（如 NFS 或 CIFS）完全透明。由于加密是 ZFS 的优秀特性，我们可以同时支持压缩、加密和重复数据消除。加密数据集的加密密钥管理可以委托给用户和/或 Oracle Solaris 区域。具有 ZFS 加密功能的 Oracle Solaris 提供了一个非常灵活的系统来保护处于静止状态的数据，不需要任何应用更改或资格。

ZFS 可以轻松地加密数据和管理数据加密。加密文件系统和非加密文件系统可以共处同一个存储池中。您还可以对不同系统使用不同的加密密钥，可以在本地或远程管理加密。本文向您介绍具体方法。

关于 ZFS 数据加密

通过 ZFS 属性控制 ZFS 文件系统的加密和密钥管理策略，适用正常的 ZFS 继承规则。这样就可以非常轻松地在文件系统层次结构的给定点设置策略，然后自动继承。管理员（或授权用户）管理存储池中加密数据集的一个或多个主封装密钥。

以下是一个非常简单的使用 ZFS 加密的示例：

# zfs create -o encryption=on rpool/export/project

Enter passphrase for 'rpool/export/project':

Enter again:

# zfs create rpool/export/project/A

# zfs create rpool/export/project/A/design

# zfs create rpool/export/project/B

在这个简单示例中，我们使用一个以交互方式请求的密码短语；稍后将讨论管理封装密钥的其他方法，其中很多方法更适合企业部署。注意，project 下创建的文件系统未提示输入密码短语，因为除非另行告知，否则 ZFS 文件系统会自动从父文件系统继承封装密钥和加密属性值。

管理加密密钥

使用 ZFS 创建加密文件系统时，系统创建一个新的（随机生成）数据加密密钥。管理员无权访问数据加密密钥，而只是管理封装密钥。

封装密钥是 128、192、256 位的 AES 密钥。它们用于解密数据集的实际数据加密密钥。封装密钥可以随时更改，即使是挂载和共享数据集时。

封装密钥可以来自多个不同位置，具体取决于根据系统所需的加密和密钥管理策略类型。ZFS 可用于本地和集中密钥管理以及委托封装密钥更改和更改密钥类型。

如何在本地管理加密密钥

我们在第一个启用加密的简单示例中已经看到，如果不指定密钥管理策略，ZFS 将以交互方式提示输入密码短语。在大多数数据中心部署中，这种办法可能并不理想，因此我们需要通过非交互方式从别处获取密钥。封装密钥可以是密码短语，也可以是原始 AES 密钥。最简单的非交互式方法是将封装密钥或密码短语存储在文件中，并告知 ZFS 在哪个文件中查找该密钥。如果使用此方法，则假设其他文件系统通过其他方式（如在可移动磁盘上）保证足够安全。只有在系统启动后初次挂载 ZFS 文件系统时才需要封装密钥，如果需要的话，稍后可以移除可移动介质。

# zfs create -o encryption=on -o keysource=raw,file:///media/stick/mykey tank/project/A

# zfs create -o encryption=on -o keysource=passphrase,file:///media/stick/passkey tank/project/B

在上面的示例中，原始密钥文件和密码短语文件必须已经存在。keysource 属性显示我们如何指定密钥的格式和位置。注意，如果我们要使用一个文件，必须将其指定为 file:// 样式的 URI，这么做的原因稍后就会明白。

要为封装密钥提供额外的保护，还可以将封装密钥存储在可以使用 PKCS#11 API 从 Oracle Solaris 加密框架访问的安全密钥库中。Oracle Solaris 通过软令牌提供本地加密密钥库；还可以使用一种可以存储 AES 密钥的硬件安全模块。

# pktool genkey keystore=pkcs11 keytype=aes keylen=128 label=mykey

Enter PIN for Sun Software PKCS#11 softtoken:

# zfs create -o encryption=on -o keysource=raw,pkcs11:object=mykey tank/project/C

Enter PKCS#11 token PIN for 'tank/project/C':

在上面的示例中，我们在默认软令牌密钥库中为用户创建了一个 AES 密钥。这个密钥库需要身份验证才能创建和使用其中存储的密钥，因此会提示我们输入密钥库 PIN（它实际上是一个密码短语，但由于历史原因，在 PKCS#11 术语中使用 PIN 一词）。keysource 属性所用的 PKCS#11 URI 语法允许指定 PIN 文件的路径。使用此方法可确保实际封装密钥在 PKCS#11 密钥库中加密和保护。

如何远程管理加密密钥

在某些情况下，可能更希望有一个集中式密钥管理系统，该系统为服务器的无人值守重启提供 ZFS 加密的文件系统，并且提供对封装密钥生命周期的集中控制。ZFS 提供了两种远程密钥管理方法。

第一种方法是使用远程密钥管理系统（如 Oracle Key Manager 系统），Oracle Solaris 可通过 PKCS#11 令牌访问它。在这种情况下，语法与上面的本地软令牌示例非常类似，只是密钥资料实际上在远程系统上存储和管理。

另一种方法是通过 Web 服务提供集中密钥管理。ZFS 可从任何支持对 URI 执行简单 GET 请求的 Web 服务获取封装密钥或密码短语，例如：

# zfs create -o encryption=on -o keysource=raw,https://keys.example.com/mykey tank/project/R

可以通过 HTTP 或 HTTPS 访问 Web 服务。ZFS 使用 libcurl 和 OpenSSL 访问 Web 服务；这要求 Web 服务用于 SSL/TLS 的 X.509 证书应由一个已知 CA 证书签署或是一个已知的自签名证书。Oracle Solaris 允许按以下方式扩充标准证书列表：

# cp myservercert.pem /etc/certs/CA/

# svcadm refresh ca-certificates

如何更改封装密钥

封装密钥在初始创建或挂载之后，可随时针对数据集层次结构进行更改。更改封装密钥不会重新加密磁盘上的任何数据，它是以原子方式对素有继承该封装密钥的数据集进行的。还可以在更改封装密钥值的同时，更改其格式和位置。这样，即使文件系统中有数据，也可以在本地和远程密钥管理之间执行在线迁移。现在回到我们原来的简单示例，更改密钥：

$ zfs key -c rpool/export/project

Enter new passphrase for 'rpool/export/project':

注意，ZFS 没有提示输入当前密码短语，因为文件系统已经挂载，ZFS 知道封装密钥。它还知道哪个用户有权更改封装密钥。

如何更改数据加密密钥

除了能够更改封装密钥（仅用于加密数据加密密钥），ZFS 还能够随时随地开始对新写入的数据使用新数据加密密钥。这就可以采用符合 NIST SP800-57 密钥生命周期的方式同时管理封装密钥和数据加密密钥。

# zfs key -K tank/project/A

# zfs clone -K tank/project/C@snap-1 tank/project/D

在上面的第一个示例中，我们更改了 tank/project/A 文件系统上此时间点之后写入的所有新数据的数据加密密钥。在上面的第二个示例中，我们通过克隆现有快照创建了一个新文件系统，但明确要求使用新的数据加密密钥写入该克隆独有的所有数据。

上次数据加密密钥更改的时间存储在只读的 rekeydate 属性中：

$ zfs get creation,rekeydate tank/project/A

NAME            PROPERTY   VALUE                  SOURCE

tank/project/A  creation   Thu Oct  6 12:10 2011  -

tank/project/A  rekeydate  Thu Nov  9 11:01 2011  local

如何委托密钥管理

ZFS 委托系统提供了一种机制，允许用户对 ZFS 数据集执行某些操作。使用和更改密钥以及更改封装密钥的格式和位置均有单独的 ZFS 委托：key、keychange 和 keysource。

使用这些委托的组合可以构建一个密钥托管系统，授权某些用户知道和使用某个数据集的封装密钥，但不能更改其值或位置。其他用户可能被授权更改封装密钥的值，但不能使用它，并且这些用户可能或可能不会被授权更改封装密钥的位置（例如，在本地和远程密钥管理模式之间）。

# zfs allow -u bob keychange tank/project/C

以上示例允许用户 bob 更改数据集及其子集的封装密钥值，但不能更改 keysource 属性。这种情况下还要注意，用户 bob 在启动后实际上无法挂载 ZFS 数据集，也不能强制卸载该数据集及其密钥。root 用户（及系统启动本身）拥有所有 ZFS 委托。

如何选择加密属性值

ZFS 加密属性的 on 值映射到 aes-128-ccm，因为这是目前提供的六种可用加密模式中最快的一种，而且认为它可以为许多部署提供足够的安全。根据文件系统或 ZVOL 负载的不同，您可能未能注意到（或者您注意到但并不关心）AES 密钥长度和模式之间的区别。

在 Oracle SPARC T2、T3 和 T4 处理器和带 AES-NI 扩展的 Intel 处理器上，ZFS 的所有加密均有硬件加速。SPARC T2、T3 和 T4 处理器还加速了对 ZFS 数据集启用加密时总是用于数据和元数据的 SHA256 检验和。

同时提供了 AES CCM 和 AES GCM，这样如果一种方法有缺陷（加密算法模式有时会产生与其基本算法无关的缺陷），仍然可以安全地使用另一种方法。您可能希望选择 aes-128-gcm 而非 aes-128-ccm，原因之一就是 GCM 是 NSA Suite B 中的 AES 模式之一。ZFS 加密的设计和实现可以扩展为新的数据加密和密钥封装算法/模式组合。

在 CCM 和 GCM 模式之间选择的另一个原因是只有 CCM 模式（aes-128-ccm、aes-192-ccm 和 aes-256-ccm）才能结合使用 ZFS 加密和重复数据消除。

只有在文件系统或该文件系统克隆内部且仅当数据加密密钥未更改（即如果未 使用 zfs key -K 和 zfs clone -K）时，才会消除重复的加密数据。

总结

使用 ZFS 加密还可以完成很多工作，包括组合加密、压缩和重复数据删除。ZFS 加密已完全集成到 ZFS 存储系统和管理工具中。它甚至可以为 Oracle Solaris 区域提供完全透明的加密。

另请参见

有关 ZFS 和加密的更多信息，请参见以下资源：

下面是其他一些资源：

关于作者

Darren 是 Solaris 核心技术组的高级首席工程师。他是一名 Oracle Solaris 安全架构师，专攻身份验证、加密和应用控制。他还以架构师身份领导开发了 ZFS 加密功能。

他曾于 Sun 的 Solaris 开发部门任职 12 年，后随 Oracle 收购 Sun 而加入 Oracle。在开发部门工作之前，Darren 在 Sun 服务部门工作，为 Trusted Solaris 及其他 Solaris 安全功能提供支持。加入 Sun 之前，Darren 任职于英国国防部。他毕业于苏格兰格拉斯哥大学计算科学系。

修订版 1.0，2012 年 7 月 23 日

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