Documentation/block/inline-encryption.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 =================
   4 Inline Encryption
   5 =================
   6
   7 Background
   8 ==========
   9
  10 Inline encryption hardware sits logically between memory and the disk, and can
  11 en/decrypt data as it goes in/out of the disk. Inline encryption hardware has a
  12 fixed number of "keyslots" - slots into which encryption contexts (i.e. the
  13 encryption key, encryption algorithm, data unit size) can be programmed by the
  14 kernel at any time. Each request sent to the disk can be tagged with the index
  15 of a keyslot (and also a data unit number to act as an encryption tweak), and
  16 the inline encryption hardware will en/decrypt the data in the request with the
  17 encryption context programmed into that keyslot. This is very different from
  18 full disk encryption solutions like self encrypting drives/TCG OPAL/ATA
  19 Security standards, since with inline encryption, any block on disk could be
  20 encrypted with any encryption context the kernel chooses.
  21
  22
  23 Objective
  24 =========
  25
  26 We want to support inline encryption (IE) in the kernel.
  27 To allow for testing, we also want a crypto API fallback when actual
  28 IE hardware is absent. We also want IE to work with layered devices
  29 like dm and loopback (i.e. we want to be able to use the IE hardware
  30 of the underlying devices if present, or else fall back to crypto API
  31 en/decryption).
  32
  33
  34 Constraints and notes
  35 =====================
  36
  37 - IE hardware has a limited number of "keyslots" that can be programmed
  38   with an encryption context (key, algorithm, data unit size, etc.) at any time.
  39   One can specify a keyslot in a data request made to the device, and the
  40   device will en/decrypt the data using the encryption context programmed into
  41   that specified keyslot. When possible, we want to make multiple requests with
  42   the same encryption context share the same keyslot.
  43
  44 - We need a way for upper layers like filesystems to specify an encryption
  45   context to use for en/decrypting a struct bio, and a device driver (like UFS)
  46   needs to be able to use that encryption context when it processes the bio.
  47
  48 - We need a way for device drivers to expose their inline encryption
  49   capabilities in a unified way to the upper layers.
  50
  51
  52 Design
  53 ======
  54
  55 We add a :c:type:`struct bio_crypt_ctx` to :c:type:`struct bio` that can
  56 represent an encryption context, because we need to be able to pass this
  57 encryption context from the upper layers (like the fs layer) to the
  58 device driver to act upon.
  59
  60 While IE hardware works on the notion of keyslots, the FS layer has no
  61 knowledge of keyslots - it simply wants to specify an encryption context to
  62 use while en/decrypting a bio.
  63
  64 We introduce a keyslot manager (KSM) that handles the translation from
  65 encryption contexts specified by the FS to keyslots on the IE hardware.
  66 This KSM also serves as the way IE hardware can expose its capabilities to
  67 upper layers. The generic mode of operation is: each device driver that wants
  68 to support IE will construct a KSM and set it up in its struct request_queue.
  69 Upper layers that want to use IE on this device can then use this KSM in
  70 the device's struct request_queue to translate an encryption context into
  71 a keyslot. The presence of the KSM in the request queue shall be used to mean
  72 that the device supports IE.
  73
  74 The KSM uses refcounts to track which keyslots are idle (either they have no
  75 encryption context programmed, or there are no in-flight struct bios
  76 referencing that keyslot). When a new encryption context needs a keyslot, it
  77 tries to find a keyslot that has already been programmed with the same
  78 encryption context, and if there is no such keyslot, it evicts the least
  79 recently used idle keyslot and programs the new encryption context into that
  80 one. If no idle keyslots are available, then the caller will sleep until there
  81 is at least one.
  82
  83
  84 blk-mq changes, other block layer changes and blk-crypto-fallback
  85 =================================================================
  86
  87 We add a pointer to a ``bi_crypt_context`` and ``keyslot`` to
  88 :c:type:`struct request`. These will be referred to as the ``crypto fields``
  89 for the request. This ``keyslot`` is the keyslot into which the
  90 ``bi_crypt_context`` has been programmed in the KSM of the ``request_queue``
  91 that this request is being sent to.
  92
  93 We introduce ``block/blk-crypto-fallback.c``, which allows upper layers to remain
  94 blissfully unaware of whether or not real inline encryption hardware is present
  95 underneath. When a bio is submitted with a target ``request_queue`` that doesn't
  96 support the encryption context specified with the bio, the block layer will
  97 en/decrypt the bio with the blk-crypto-fallback.
  98
  99 If the bio is a ``WRITE`` bio, a bounce bio is allocated, and the data in the bio
 100 is encrypted stored in the bounce bio - blk-mq will then proceed to process the
 101 bounce bio as if it were not encrypted at all (except when blk-integrity is
 102 concerned). ``blk-crypto-fallback`` sets the bounce bio's ``bi_end_io`` to an
 103 internal function that cleans up the bounce bio and ends the original bio.
 104
 105 If the bio is a ``READ`` bio, the bio's ``bi_end_io`` (and also ``bi_private``)
 106 is saved and overwritten by ``blk-crypto-fallback`` to
 107 ``bio_crypto_fallback_decrypt_bio``.  The bio's ``bi_crypt_context`` is also
 108 overwritten with ``NULL``, so that to the rest of the stack, the bio looks
 109 as if it was a regular bio that never had an encryption context specified.
 110 ``bio_crypto_fallback_decrypt_bio`` will decrypt the bio, restore the original
 111 ``bi_end_io`` (and also ``bi_private``) and end the bio again.
 112
 113 Regardless of whether real inline encryption hardware is used or the
 114 blk-crypto-fallback is used, the ciphertext written to disk (and hence the
 115 on-disk format of data) will be the same (assuming the hardware's implementation
 116 of the algorithm being used adheres to spec and functions correctly).
 117
 118 If a ``request queue``'s inline encryption hardware claimed to support the
 119 encryption context specified with a bio, then it will not be handled by the
 120 ``blk-crypto-fallback``. We will eventually reach a point in blk-mq when a
 121 :c:type:`struct request` needs to be allocated for that bio. At that point,
 122 blk-mq tries to program the encryption context into the ``request_queue``'s
 123 keyslot_manager, and obtain a keyslot, which it stores in its newly added
 124 ``keyslot`` field. This keyslot is released when the request is completed.
 125
 126 When the first bio is added to a request, ``blk_crypto_rq_bio_prep`` is called,
 127 which sets the request's ``crypt_ctx`` to a copy of the bio's
 128 ``bi_crypt_context``. bio_crypt_do_front_merge is called whenever a subsequent
 129 bio is merged to the front of the request, which updates the ``crypt_ctx`` of
 130 the request so that it matches the newly merged bio's ``bi_crypt_context``. In particular, the request keeps a copy of the ``bi_crypt_context`` of the first
 131 bio in its bio-list (blk-mq needs to be careful to maintain this invariant
 132 during bio and request merges).
 133
 134 To make it possible for inline encryption to work with request queue based
 135 layered devices, when a request is cloned, its ``crypto fields`` are cloned as
 136 well. When the cloned request is submitted, blk-mq programs the
 137 ``bi_crypt_context`` of the request into the clone's request_queue's keyslot
 138 manager, and stores the returned keyslot in the clone's ``keyslot``.
 139
 140
 141 API presented to users of the block layer
 142 =========================================
 143
 144 ``struct blk_crypto_key`` represents a crypto key (the raw key, size of the
 145 key, the crypto algorithm to use, the data unit size to use, and the number of
 146 bytes required to represent data unit numbers that will be specified with the
 147 ``bi_crypt_context``).
 148
 149 ``blk_crypto_init_key`` allows upper layers to initialize such a
 150 ``blk_crypto_key``.
 151
 152 ``bio_crypt_set_ctx`` should be called on any bio that a user of
 153 the block layer wants en/decrypted via inline encryption (or the
 154 blk-crypto-fallback, if hardware support isn't available for the desired
 155 crypto configuration). This function takes the ``blk_crypto_key`` and the
 156 data unit number (DUN) to use when en/decrypting the bio.
 157
 158 ``blk_crypto_config_supported`` allows upper layers to query whether or not the
 159 an encryption context passed to request queue can be handled by blk-crypto
 160 (either by real inline encryption hardware, or by the blk-crypto-fallback).
 161 This is useful e.g. when blk-crypto-fallback is disabled, and the upper layer
 162 wants to use an algorithm that may not supported by hardware - this function
 163 lets the upper layer know ahead of time that the algorithm isn't supported,
 164 and the upper layer can fallback to something else if appropriate.
 165
 166 ``blk_crypto_start_using_key`` - Upper layers must call this function on
 167 ``blk_crypto_key`` and a ``request_queue`` before using the key with any bio
 168 headed for that ``request_queue``. This function ensures that either the
 169 hardware supports the key's crypto settings, or the crypto API fallback has
 170 transforms for the needed mode allocated and ready to go. Note that this
 171 function may allocate an ``skcipher``, and must not be called from the data
 172 path, since allocating ``skciphers`` from the data path can deadlock.
 173
 174 ``blk_crypto_evict_key`` *must* be called by upper layers before a
 175 ``blk_crypto_key`` is freed. Further, it *must* only be called only once
 176 there are no more in-flight requests that use that ``blk_crypto_key``.
 177 ``blk_crypto_evict_key`` will ensure that a key is removed from any keyslots in
 178 inline encryption hardware that the key might have been programmed into (or the blk-crypto-fallback).
 179
 180 API presented to device drivers
 181 ===============================
 182
 183 A :c:type:``struct blk_keyslot_manager`` should be set up by device drivers in
 184 the ``request_queue`` of the device. The device driver needs to call
 185 ``blk_ksm_init`` on the ``blk_keyslot_manager``, which specifying the number of
 186 keyslots supported by the hardware.
 187
 188 The device driver also needs to tell the KSM how to actually manipulate the
 189 IE hardware in the device to do things like programming the crypto key into
 190 the IE hardware into a particular keyslot. All this is achieved through the
 191 :c:type:`struct blk_ksm_ll_ops` field in the KSM that the device driver
 192 must fill up after initing the ``blk_keyslot_manager``.
 193
 194 The KSM also handles runtime power management for the device when applicable
 195 (e.g. when it wants to program a crypto key into the IE hardware, the device
 196 must be runtime powered on) - so the device driver must also set the ``dev``
 197 field in the ksm to point to the `struct device` for the KSM to use for runtime
 198 power management.
 199
 200 ``blk_ksm_reprogram_all_keys`` can be called by device drivers if the device
 201 needs each and every of its keyslots to be reprogrammed with the key it
 202 "should have" at the point in time when the function is called. This is useful
 203 e.g. if a device loses all its keys on runtime power down/up.
 204
 205 ``blk_ksm_destroy`` should be called to free up all resources used by a keyslot
 206 manager upon ``blk_ksm_init``, once the ``blk_keyslot_manager`` is no longer
 207 needed.
 208
 209
 210 Layered Devices
 211 ===============
 212
 213 Request queue based layered devices like dm-rq that wish to support IE need to
 214 create their own keyslot manager for their request queue, and expose whatever
 215 functionality they choose. When a layered device wants to pass a clone of that
 216 request to another ``request_queue``, blk-crypto will initialize and prepare the
 217 clone as necessary - see ``blk_crypto_insert_cloned_request`` in
 218 ``blk-crypto.c``.
 219
 220
 221 Future Optimizations for layered devices
 222 ========================================
 223
 224 Creating a keyslot manager for a layered device uses up memory for each
 225 keyslot, and in general, a layered device merely passes the request on to a
 226 "child" device, so the keyslots in the layered device itself are completely
 227 unused, and don't need any refcounting or keyslot programming. We can instead
 228 define a new type of KSM; the "passthrough KSM", that layered devices can use
 229 to advertise an unlimited number of keyslots, and support for any encryption
 230 algorithms they choose, while not actually using any memory for each keyslot.
 231 Another use case for the "passthrough KSM" is for IE devices that do not have a
 232 limited number of keyslots.
 233
 234
 235 Interaction between inline encryption and blk integrity
 236 =======================================================
 237
 238 At the time of this patch, there is no real hardware that supports both these
 239 features. However, these features do interact with each other, and it's not
 240 completely trivial to make them both work together properly. In particular,
 241 when a WRITE bio wants to use inline encryption on a device that supports both
 242 features, the bio will have an encryption context specified, after which
 243 its integrity information is calculated (using the plaintext data, since
 244 the encryption will happen while data is being written), and the data and
 245 integrity info is sent to the device. Obviously, the integrity info must be
 246 verified before the data is encrypted. After the data is encrypted, the device
 247 must not store the integrity info that it received with the plaintext data
 248 since that might reveal information about the plaintext data. As such, it must
 249 re-generate the integrity info from the ciphertext data and store that on disk
 250 instead. Another issue with storing the integrity info of the plaintext data is
 251 that it changes the on disk format depending on whether hardware inline
 252 encryption support is present or the kernel crypto API fallback is used (since
 253 if the fallback is used, the device will receive the integrity info of the
 254 ciphertext, not that of the plaintext).
 255
 256 Because there isn't any real hardware yet, it seems prudent to assume that
 257 hardware implementations might not implement both features together correctly,
 258 and disallow the combination for now. Whenever a device supports integrity, the
 259 kernel will pretend that the device does not support hardware inline encryption
 260 (by essentially setting the keyslot manager in the request_queue of the device
 261 to NULL). When the crypto API fallback is enabled, this means that all bios with
 262 and encryption context will use the fallback, and IO will complete as usual.
 263 When the fallback is disabled, a bio with an encryption context will be failed.