Merge tag 'v5.9' into next
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / fscrypt.rst
1 =====================================
2 Filesystem-level encryption (fscrypt)
3 =====================================
4
5 Introduction
6 ============
7
8 fscrypt is a library which filesystems can hook into to support
9 transparent encryption of files and directories.
10
11 Note: "fscrypt" in this document refers to the kernel-level portion,
12 implemented in ``fs/crypto/``, as opposed to the userspace tool
13 `fscrypt <https://github.com/google/fscrypt>`_.  This document only
14 covers the kernel-level portion.  For command-line examples of how to
15 use encryption, see the documentation for the userspace tool `fscrypt
16 <https://github.com/google/fscrypt>`_.  Also, it is recommended to use
17 the fscrypt userspace tool, or other existing userspace tools such as
18 `fscryptctl <https://github.com/google/fscryptctl>`_ or `Android's key
19 management system
20 <https://source.android.com/security/encryption/file-based>`_, over
21 using the kernel's API directly.  Using existing tools reduces the
22 chance of introducing your own security bugs.  (Nevertheless, for
23 completeness this documentation covers the kernel's API anyway.)
24
25 Unlike dm-crypt, fscrypt operates at the filesystem level rather than
26 at the block device level.  This allows it to encrypt different files
27 with different keys and to have unencrypted files on the same
28 filesystem.  This is useful for multi-user systems where each user's
29 data-at-rest needs to be cryptographically isolated from the others.
30 However, except for filenames, fscrypt does not encrypt filesystem
31 metadata.
32
33 Unlike eCryptfs, which is a stacked filesystem, fscrypt is integrated
34 directly into supported filesystems --- currently ext4, F2FS, and
35 UBIFS.  This allows encrypted files to be read and written without
36 caching both the decrypted and encrypted pages in the pagecache,
37 thereby nearly halving the memory used and bringing it in line with
38 unencrypted files.  Similarly, half as many dentries and inodes are
39 needed.  eCryptfs also limits encrypted filenames to 143 bytes,
40 causing application compatibility issues; fscrypt allows the full 255
41 bytes (NAME_MAX).  Finally, unlike eCryptfs, the fscrypt API can be
42 used by unprivileged users, with no need to mount anything.
43
44 fscrypt does not support encrypting files in-place.  Instead, it
45 supports marking an empty directory as encrypted.  Then, after
46 userspace provides the key, all regular files, directories, and
47 symbolic links created in that directory tree are transparently
48 encrypted.
49
50 Threat model
51 ============
52
53 Offline attacks
54 ---------------
55
56 Provided that userspace chooses a strong encryption key, fscrypt
57 protects the confidentiality of file contents and filenames in the
58 event of a single point-in-time permanent offline compromise of the
59 block device content.  fscrypt does not protect the confidentiality of
60 non-filename metadata, e.g. file sizes, file permissions, file
61 timestamps, and extended attributes.  Also, the existence and location
62 of holes (unallocated blocks which logically contain all zeroes) in
63 files is not protected.
64
65 fscrypt is not guaranteed to protect confidentiality or authenticity
66 if an attacker is able to manipulate the filesystem offline prior to
67 an authorized user later accessing the filesystem.
68
69 Online attacks
70 --------------
71
72 fscrypt (and storage encryption in general) can only provide limited
73 protection, if any at all, against online attacks.  In detail:
74
75 Side-channel attacks
76 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
77
78 fscrypt is only resistant to side-channel attacks, such as timing or
79 electromagnetic attacks, to the extent that the underlying Linux
80 Cryptographic API algorithms are.  If a vulnerable algorithm is used,
81 such as a table-based implementation of AES, it may be possible for an
82 attacker to mount a side channel attack against the online system.
83 Side channel attacks may also be mounted against applications
84 consuming decrypted data.
85
86 Unauthorized file access
87 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
88
89 After an encryption key has been added, fscrypt does not hide the
90 plaintext file contents or filenames from other users on the same
91 system.  Instead, existing access control mechanisms such as file mode
92 bits, POSIX ACLs, LSMs, or namespaces should be used for this purpose.
93
94 (For the reasoning behind this, understand that while the key is
95 added, the confidentiality of the data, from the perspective of the
96 system itself, is *not* protected by the mathematical properties of
97 encryption but rather only by the correctness of the kernel.
98 Therefore, any encryption-specific access control checks would merely
99 be enforced by kernel *code* and therefore would be largely redundant
100 with the wide variety of access control mechanisms already available.)
101
102 Kernel memory compromise
103 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
104
105 An attacker who compromises the system enough to read from arbitrary
106 memory, e.g. by mounting a physical attack or by exploiting a kernel
107 security vulnerability, can compromise all encryption keys that are
108 currently in use.
109
110 However, fscrypt allows encryption keys to be removed from the kernel,
111 which may protect them from later compromise.
112
113 In more detail, the FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY ioctl (or the
114 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY_ALL_USERS ioctl) can wipe a master
115 encryption key from kernel memory.  If it does so, it will also try to
116 evict all cached inodes which had been "unlocked" using the key,
117 thereby wiping their per-file keys and making them once again appear
118 "locked", i.e. in ciphertext or encrypted form.
119
120 However, these ioctls have some limitations:
121
122 - Per-file keys for in-use files will *not* be removed or wiped.
123   Therefore, for maximum effect, userspace should close the relevant
124   encrypted files and directories before removing a master key, as
125   well as kill any processes whose working directory is in an affected
126   encrypted directory.
127
128 - The kernel cannot magically wipe copies of the master key(s) that
129   userspace might have as well.  Therefore, userspace must wipe all
130   copies of the master key(s) it makes as well; normally this should
131   be done immediately after FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY, without waiting
132   for FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY.  Naturally, the same also applies
133   to all higher levels in the key hierarchy.  Userspace should also
134   follow other security precautions such as mlock()ing memory
135   containing keys to prevent it from being swapped out.
136
137 - In general, decrypted contents and filenames in the kernel VFS
138   caches are freed but not wiped.  Therefore, portions thereof may be
139   recoverable from freed memory, even after the corresponding key(s)
140   were wiped.  To partially solve this, you can set
141   CONFIG_PAGE_POISONING=y in your kernel config and add page_poison=1
142   to your kernel command line.  However, this has a performance cost.
143
144 - Secret keys might still exist in CPU registers, in crypto
145   accelerator hardware (if used by the crypto API to implement any of
146   the algorithms), or in other places not explicitly considered here.
147
148 Limitations of v1 policies
149 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
150
151 v1 encryption policies have some weaknesses with respect to online
152 attacks:
153
154 - There is no verification that the provided master key is correct.
155   Therefore, a malicious user can temporarily associate the wrong key
156   with another user's encrypted files to which they have read-only
157   access.  Because of filesystem caching, the wrong key will then be
158   used by the other user's accesses to those files, even if the other
159   user has the correct key in their own keyring.  This violates the
160   meaning of "read-only access".
161
162 - A compromise of a per-file key also compromises the master key from
163   which it was derived.
164
165 - Non-root users cannot securely remove encryption keys.
166
167 All the above problems are fixed with v2 encryption policies.  For
168 this reason among others, it is recommended to use v2 encryption
169 policies on all new encrypted directories.
170
171 Key hierarchy
172 =============
173
174 Master Keys
175 -----------
176
177 Each encrypted directory tree is protected by a *master key*.  Master
178 keys can be up to 64 bytes long, and must be at least as long as the
179 greater of the key length needed by the contents and filenames
180 encryption modes being used.  For example, if AES-256-XTS is used for
181 contents encryption, the master key must be 64 bytes (512 bits).  Note
182 that the XTS mode is defined to require a key twice as long as that
183 required by the underlying block cipher.
184
185 To "unlock" an encrypted directory tree, userspace must provide the
186 appropriate master key.  There can be any number of master keys, each
187 of which protects any number of directory trees on any number of
188 filesystems.
189
190 Master keys must be real cryptographic keys, i.e. indistinguishable
191 from random bytestrings of the same length.  This implies that users
192 **must not** directly use a password as a master key, zero-pad a
193 shorter key, or repeat a shorter key.  Security cannot be guaranteed
194 if userspace makes any such error, as the cryptographic proofs and
195 analysis would no longer apply.
196
197 Instead, users should generate master keys either using a
198 cryptographically secure random number generator, or by using a KDF
199 (Key Derivation Function).  The kernel does not do any key stretching;
200 therefore, if userspace derives the key from a low-entropy secret such
201 as a passphrase, it is critical that a KDF designed for this purpose
202 be used, such as scrypt, PBKDF2, or Argon2.
203
204 Key derivation function
205 -----------------------
206
207 With one exception, fscrypt never uses the master key(s) for
208 encryption directly.  Instead, they are only used as input to a KDF
209 (Key Derivation Function) to derive the actual keys.
210
211 The KDF used for a particular master key differs depending on whether
212 the key is used for v1 encryption policies or for v2 encryption
213 policies.  Users **must not** use the same key for both v1 and v2
214 encryption policies.  (No real-world attack is currently known on this
215 specific case of key reuse, but its security cannot be guaranteed
216 since the cryptographic proofs and analysis would no longer apply.)
217
218 For v1 encryption policies, the KDF only supports deriving per-file
219 encryption keys.  It works by encrypting the master key with
220 AES-128-ECB, using the file's 16-byte nonce as the AES key.  The
221 resulting ciphertext is used as the derived key.  If the ciphertext is
222 longer than needed, then it is truncated to the needed length.
223
224 For v2 encryption policies, the KDF is HKDF-SHA512.  The master key is
225 passed as the "input keying material", no salt is used, and a distinct
226 "application-specific information string" is used for each distinct
227 key to be derived.  For example, when a per-file encryption key is
228 derived, the application-specific information string is the file's
229 nonce prefixed with "fscrypt\\0" and a context byte.  Different
230 context bytes are used for other types of derived keys.
231
232 HKDF-SHA512 is preferred to the original AES-128-ECB based KDF because
233 HKDF is more flexible, is nonreversible, and evenly distributes
234 entropy from the master key.  HKDF is also standardized and widely
235 used by other software, whereas the AES-128-ECB based KDF is ad-hoc.
236
237 Per-file encryption keys
238 ------------------------
239
240 Since each master key can protect many files, it is necessary to
241 "tweak" the encryption of each file so that the same plaintext in two
242 files doesn't map to the same ciphertext, or vice versa.  In most
243 cases, fscrypt does this by deriving per-file keys.  When a new
244 encrypted inode (regular file, directory, or symlink) is created,
245 fscrypt randomly generates a 16-byte nonce and stores it in the
246 inode's encryption xattr.  Then, it uses a KDF (as described in `Key
247 derivation function`_) to derive the file's key from the master key
248 and nonce.
249
250 Key derivation was chosen over key wrapping because wrapped keys would
251 require larger xattrs which would be less likely to fit in-line in the
252 filesystem's inode table, and there didn't appear to be any
253 significant advantages to key wrapping.  In particular, currently
254 there is no requirement to support unlocking a file with multiple
255 alternative master keys or to support rotating master keys.  Instead,
256 the master keys may be wrapped in userspace, e.g. as is done by the
257 `fscrypt <https://github.com/google/fscrypt>`_ tool.
258
259 DIRECT_KEY policies
260 -------------------
261
262 The Adiantum encryption mode (see `Encryption modes and usage`_) is
263 suitable for both contents and filenames encryption, and it accepts
264 long IVs --- long enough to hold both an 8-byte logical block number
265 and a 16-byte per-file nonce.  Also, the overhead of each Adiantum key
266 is greater than that of an AES-256-XTS key.
267
268 Therefore, to improve performance and save memory, for Adiantum a
269 "direct key" configuration is supported.  When the user has enabled
270 this by setting FSCRYPT_POLICY_FLAG_DIRECT_KEY in the fscrypt policy,
271 per-file encryption keys are not used.  Instead, whenever any data
272 (contents or filenames) is encrypted, the file's 16-byte nonce is
273 included in the IV.  Moreover:
274
275 - For v1 encryption policies, the encryption is done directly with the
276   master key.  Because of this, users **must not** use the same master
277   key for any other purpose, even for other v1 policies.
278
279 - For v2 encryption policies, the encryption is done with a per-mode
280   key derived using the KDF.  Users may use the same master key for
281   other v2 encryption policies.
282
283 IV_INO_LBLK_64 policies
284 -----------------------
285
286 When FSCRYPT_POLICY_FLAG_IV_INO_LBLK_64 is set in the fscrypt policy,
287 the encryption keys are derived from the master key, encryption mode
288 number, and filesystem UUID.  This normally results in all files
289 protected by the same master key sharing a single contents encryption
290 key and a single filenames encryption key.  To still encrypt different
291 files' data differently, inode numbers are included in the IVs.
292 Consequently, shrinking the filesystem may not be allowed.
293
294 This format is optimized for use with inline encryption hardware
295 compliant with the UFS standard, which supports only 64 IV bits per
296 I/O request and may have only a small number of keyslots.
297
298 IV_INO_LBLK_32 policies
299 -----------------------
300
301 IV_INO_LBLK_32 policies work like IV_INO_LBLK_64, except that for
302 IV_INO_LBLK_32, the inode number is hashed with SipHash-2-4 (where the
303 SipHash key is derived from the master key) and added to the file
304 logical block number mod 2^32 to produce a 32-bit IV.
305
306 This format is optimized for use with inline encryption hardware
307 compliant with the eMMC v5.2 standard, which supports only 32 IV bits
308 per I/O request and may have only a small number of keyslots.  This
309 format results in some level of IV reuse, so it should only be used
310 when necessary due to hardware limitations.
311
312 Key identifiers
313 ---------------
314
315 For master keys used for v2 encryption policies, a unique 16-byte "key
316 identifier" is also derived using the KDF.  This value is stored in
317 the clear, since it is needed to reliably identify the key itself.
318
319 Dirhash keys
320 ------------
321
322 For directories that are indexed using a secret-keyed dirhash over the
323 plaintext filenames, the KDF is also used to derive a 128-bit
324 SipHash-2-4 key per directory in order to hash filenames.  This works
325 just like deriving a per-file encryption key, except that a different
326 KDF context is used.  Currently, only casefolded ("case-insensitive")
327 encrypted directories use this style of hashing.
328
329 Encryption modes and usage
330 ==========================
331
332 fscrypt allows one encryption mode to be specified for file contents
333 and one encryption mode to be specified for filenames.  Different
334 directory trees are permitted to use different encryption modes.
335 Currently, the following pairs of encryption modes are supported:
336
337 - AES-256-XTS for contents and AES-256-CTS-CBC for filenames
338 - AES-128-CBC for contents and AES-128-CTS-CBC for filenames
339 - Adiantum for both contents and filenames
340
341 If unsure, you should use the (AES-256-XTS, AES-256-CTS-CBC) pair.
342
343 AES-128-CBC was added only for low-powered embedded devices with
344 crypto accelerators such as CAAM or CESA that do not support XTS.  To
345 use AES-128-CBC, CONFIG_CRYPTO_ESSIV and CONFIG_CRYPTO_SHA256 (or
346 another SHA-256 implementation) must be enabled so that ESSIV can be
347 used.
348
349 Adiantum is a (primarily) stream cipher-based mode that is fast even
350 on CPUs without dedicated crypto instructions.  It's also a true
351 wide-block mode, unlike XTS.  It can also eliminate the need to derive
352 per-file encryption keys.  However, it depends on the security of two
353 primitives, XChaCha12 and AES-256, rather than just one.  See the
354 paper "Adiantum: length-preserving encryption for entry-level
355 processors" (https://eprint.iacr.org/2018/720.pdf) for more details.
356 To use Adiantum, CONFIG_CRYPTO_ADIANTUM must be enabled.  Also, fast
357 implementations of ChaCha and NHPoly1305 should be enabled, e.g.
358 CONFIG_CRYPTO_CHACHA20_NEON and CONFIG_CRYPTO_NHPOLY1305_NEON for ARM.
359
360 New encryption modes can be added relatively easily, without changes
361 to individual filesystems.  However, authenticated encryption (AE)
362 modes are not currently supported because of the difficulty of dealing
363 with ciphertext expansion.
364
365 Contents encryption
366 -------------------
367
368 For file contents, each filesystem block is encrypted independently.
369 Starting from Linux kernel 5.5, encryption of filesystems with block
370 size less than system's page size is supported.
371
372 Each block's IV is set to the logical block number within the file as
373 a little endian number, except that:
374
375 - With CBC mode encryption, ESSIV is also used.  Specifically, each IV
376   is encrypted with AES-256 where the AES-256 key is the SHA-256 hash
377   of the file's data encryption key.
378
379 - With `DIRECT_KEY policies`_, the file's nonce is appended to the IV.
380   Currently this is only allowed with the Adiantum encryption mode.
381
382 - With `IV_INO_LBLK_64 policies`_, the logical block number is limited
383   to 32 bits and is placed in bits 0-31 of the IV.  The inode number
384   (which is also limited to 32 bits) is placed in bits 32-63.
385
386 - With `IV_INO_LBLK_32 policies`_, the logical block number is limited
387   to 32 bits and is placed in bits 0-31 of the IV.  The inode number
388   is then hashed and added mod 2^32.
389
390 Note that because file logical block numbers are included in the IVs,
391 filesystems must enforce that blocks are never shifted around within
392 encrypted files, e.g. via "collapse range" or "insert range".
393
394 Filenames encryption
395 --------------------
396
397 For filenames, each full filename is encrypted at once.  Because of
398 the requirements to retain support for efficient directory lookups and
399 filenames of up to 255 bytes, the same IV is used for every filename
400 in a directory.
401
402 However, each encrypted directory still uses a unique key, or
403 alternatively has the file's nonce (for `DIRECT_KEY policies`_) or
404 inode number (for `IV_INO_LBLK_64 policies`_) included in the IVs.
405 Thus, IV reuse is limited to within a single directory.
406
407 With CTS-CBC, the IV reuse means that when the plaintext filenames
408 share a common prefix at least as long as the cipher block size (16
409 bytes for AES), the corresponding encrypted filenames will also share
410 a common prefix.  This is undesirable.  Adiantum does not have this
411 weakness, as it is a wide-block encryption mode.
412
413 All supported filenames encryption modes accept any plaintext length
414 >= 16 bytes; cipher block alignment is not required.  However,
415 filenames shorter than 16 bytes are NUL-padded to 16 bytes before
416 being encrypted.  In addition, to reduce leakage of filename lengths
417 via their ciphertexts, all filenames are NUL-padded to the next 4, 8,
418 16, or 32-byte boundary (configurable).  32 is recommended since this
419 provides the best confidentiality, at the cost of making directory
420 entries consume slightly more space.  Note that since NUL (``\0``) is
421 not otherwise a valid character in filenames, the padding will never
422 produce duplicate plaintexts.
423
424 Symbolic link targets are considered a type of filename and are
425 encrypted in the same way as filenames in directory entries, except
426 that IV reuse is not a problem as each symlink has its own inode.
427
428 User API
429 ========
430
431 Setting an encryption policy
432 ----------------------------
433
434 FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY
435 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
436
437 The FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY ioctl sets an encryption policy on an
438 empty directory or verifies that a directory or regular file already
439 has the specified encryption policy.  It takes in a pointer to a
440 :c:type:`struct fscrypt_policy_v1` or a :c:type:`struct
441 fscrypt_policy_v2`, defined as follows::
442
443     #define FSCRYPT_POLICY_V1               0
444     #define FSCRYPT_KEY_DESCRIPTOR_SIZE     8
445     struct fscrypt_policy_v1 {
446             __u8 version;
447             __u8 contents_encryption_mode;
448             __u8 filenames_encryption_mode;
449             __u8 flags;
450             __u8 master_key_descriptor[FSCRYPT_KEY_DESCRIPTOR_SIZE];
451     };
452     #define fscrypt_policy  fscrypt_policy_v1
453
454     #define FSCRYPT_POLICY_V2               2
455     #define FSCRYPT_KEY_IDENTIFIER_SIZE     16
456     struct fscrypt_policy_v2 {
457             __u8 version;
458             __u8 contents_encryption_mode;
459             __u8 filenames_encryption_mode;
460             __u8 flags;
461             __u8 __reserved[4];
462             __u8 master_key_identifier[FSCRYPT_KEY_IDENTIFIER_SIZE];
463     };
464
465 This structure must be initialized as follows:
466
467 - ``version`` must be FSCRYPT_POLICY_V1 (0) if the struct is
468   :c:type:`fscrypt_policy_v1` or FSCRYPT_POLICY_V2 (2) if the struct
469   is :c:type:`fscrypt_policy_v2`.  (Note: we refer to the original
470   policy version as "v1", though its version code is really 0.)  For
471   new encrypted directories, use v2 policies.
472
473 - ``contents_encryption_mode`` and ``filenames_encryption_mode`` must
474   be set to constants from ``<linux/fscrypt.h>`` which identify the
475   encryption modes to use.  If unsure, use FSCRYPT_MODE_AES_256_XTS
476   (1) for ``contents_encryption_mode`` and FSCRYPT_MODE_AES_256_CTS
477   (4) for ``filenames_encryption_mode``.
478
479 - ``flags`` contains optional flags from ``<linux/fscrypt.h>``:
480
481   - FSCRYPT_POLICY_FLAGS_PAD_*: The amount of NUL padding to use when
482     encrypting filenames.  If unsure, use FSCRYPT_POLICY_FLAGS_PAD_32
483     (0x3).
484   - FSCRYPT_POLICY_FLAG_DIRECT_KEY: See `DIRECT_KEY policies`_.
485   - FSCRYPT_POLICY_FLAG_IV_INO_LBLK_64: See `IV_INO_LBLK_64
486     policies`_.
487   - FSCRYPT_POLICY_FLAG_IV_INO_LBLK_32: See `IV_INO_LBLK_32
488     policies`_.
489
490   v1 encryption policies only support the PAD_* and DIRECT_KEY flags.
491   The other flags are only supported by v2 encryption policies.
492
493   The DIRECT_KEY, IV_INO_LBLK_64, and IV_INO_LBLK_32 flags are
494   mutually exclusive.
495
496 - For v2 encryption policies, ``__reserved`` must be zeroed.
497
498 - For v1 encryption policies, ``master_key_descriptor`` specifies how
499   to find the master key in a keyring; see `Adding keys`_.  It is up
500   to userspace to choose a unique ``master_key_descriptor`` for each
501   master key.  The e4crypt and fscrypt tools use the first 8 bytes of
502   ``SHA-512(SHA-512(master_key))``, but this particular scheme is not
503   required.  Also, the master key need not be in the keyring yet when
504   FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY is executed.  However, it must be added
505   before any files can be created in the encrypted directory.
506
507   For v2 encryption policies, ``master_key_descriptor`` has been
508   replaced with ``master_key_identifier``, which is longer and cannot
509   be arbitrarily chosen.  Instead, the key must first be added using
510   `FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY`_.  Then, the ``key_spec.u.identifier``
511   the kernel returned in the :c:type:`struct fscrypt_add_key_arg` must
512   be used as the ``master_key_identifier`` in the :c:type:`struct
513   fscrypt_policy_v2`.
514
515 If the file is not yet encrypted, then FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY
516 verifies that the file is an empty directory.  If so, the specified
517 encryption policy is assigned to the directory, turning it into an
518 encrypted directory.  After that, and after providing the
519 corresponding master key as described in `Adding keys`_, all regular
520 files, directories (recursively), and symlinks created in the
521 directory will be encrypted, inheriting the same encryption policy.
522 The filenames in the directory's entries will be encrypted as well.
523
524 Alternatively, if the file is already encrypted, then
525 FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY validates that the specified encryption
526 policy exactly matches the actual one.  If they match, then the ioctl
527 returns 0.  Otherwise, it fails with EEXIST.  This works on both
528 regular files and directories, including nonempty directories.
529
530 When a v2 encryption policy is assigned to a directory, it is also
531 required that either the specified key has been added by the current
532 user or that the caller has CAP_FOWNER in the initial user namespace.
533 (This is needed to prevent a user from encrypting their data with
534 another user's key.)  The key must remain added while
535 FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY is executing.  However, if the new
536 encrypted directory does not need to be accessed immediately, then the
537 key can be removed right away afterwards.
538
539 Note that the ext4 filesystem does not allow the root directory to be
540 encrypted, even if it is empty.  Users who want to encrypt an entire
541 filesystem with one key should consider using dm-crypt instead.
542
543 FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY can fail with the following errors:
544
545 - ``EACCES``: the file is not owned by the process's uid, nor does the
546   process have the CAP_FOWNER capability in a namespace with the file
547   owner's uid mapped
548 - ``EEXIST``: the file is already encrypted with an encryption policy
549   different from the one specified
550 - ``EINVAL``: an invalid encryption policy was specified (invalid
551   version, mode(s), or flags; or reserved bits were set); or a v1
552   encryption policy was specified but the directory has the casefold
553   flag enabled (casefolding is incompatible with v1 policies).
554 - ``ENOKEY``: a v2 encryption policy was specified, but the key with
555   the specified ``master_key_identifier`` has not been added, nor does
556   the process have the CAP_FOWNER capability in the initial user
557   namespace
558 - ``ENOTDIR``: the file is unencrypted and is a regular file, not a
559   directory
560 - ``ENOTEMPTY``: the file is unencrypted and is a nonempty directory
561 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption
562 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
563   support for filesystems, or the filesystem superblock has not
564   had encryption enabled on it.  (For example, to use encryption on an
565   ext4 filesystem, CONFIG_FS_ENCRYPTION must be enabled in the
566   kernel config, and the superblock must have had the "encrypt"
567   feature flag enabled using ``tune2fs -O encrypt`` or ``mkfs.ext4 -O
568   encrypt``.)
569 - ``EPERM``: this directory may not be encrypted, e.g. because it is
570   the root directory of an ext4 filesystem
571 - ``EROFS``: the filesystem is readonly
572
573 Getting an encryption policy
574 ----------------------------
575
576 Two ioctls are available to get a file's encryption policy:
577
578 - `FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX`_
579 - `FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY`_
580
581 The extended (_EX) version of the ioctl is more general and is
582 recommended to use when possible.  However, on older kernels only the
583 original ioctl is available.  Applications should try the extended
584 version, and if it fails with ENOTTY fall back to the original
585 version.
586
587 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX
588 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
589
590 The FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX ioctl retrieves the encryption
591 policy, if any, for a directory or regular file.  No additional
592 permissions are required beyond the ability to open the file.  It
593 takes in a pointer to a :c:type:`struct fscrypt_get_policy_ex_arg`,
594 defined as follows::
595
596     struct fscrypt_get_policy_ex_arg {
597             __u64 policy_size; /* input/output */
598             union {
599                     __u8 version;
600                     struct fscrypt_policy_v1 v1;
601                     struct fscrypt_policy_v2 v2;
602             } policy; /* output */
603     };
604
605 The caller must initialize ``policy_size`` to the size available for
606 the policy struct, i.e. ``sizeof(arg.policy)``.
607
608 On success, the policy struct is returned in ``policy``, and its
609 actual size is returned in ``policy_size``.  ``policy.version`` should
610 be checked to determine the version of policy returned.  Note that the
611 version code for the "v1" policy is actually 0 (FSCRYPT_POLICY_V1).
612
613 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX can fail with the following errors:
614
615 - ``EINVAL``: the file is encrypted, but it uses an unrecognized
616   encryption policy version
617 - ``ENODATA``: the file is not encrypted
618 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption,
619   or this kernel is too old to support FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX
620   (try FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY instead)
621 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
622   support for this filesystem, or the filesystem superblock has not
623   had encryption enabled on it
624 - ``EOVERFLOW``: the file is encrypted and uses a recognized
625   encryption policy version, but the policy struct does not fit into
626   the provided buffer
627
628 Note: if you only need to know whether a file is encrypted or not, on
629 most filesystems it is also possible to use the FS_IOC_GETFLAGS ioctl
630 and check for FS_ENCRYPT_FL, or to use the statx() system call and
631 check for STATX_ATTR_ENCRYPTED in stx_attributes.
632
633 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY
634 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
635
636 The FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY ioctl can also retrieve the
637 encryption policy, if any, for a directory or regular file.  However,
638 unlike `FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX`_,
639 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY only supports the original policy
640 version.  It takes in a pointer directly to a :c:type:`struct
641 fscrypt_policy_v1` rather than a :c:type:`struct
642 fscrypt_get_policy_ex_arg`.
643
644 The error codes for FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY are the same as those
645 for FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY_EX, except that
646 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY also returns ``EINVAL`` if the file is
647 encrypted using a newer encryption policy version.
648
649 Getting the per-filesystem salt
650 -------------------------------
651
652 Some filesystems, such as ext4 and F2FS, also support the deprecated
653 ioctl FS_IOC_GET_ENCRYPTION_PWSALT.  This ioctl retrieves a randomly
654 generated 16-byte value stored in the filesystem superblock.  This
655 value is intended to used as a salt when deriving an encryption key
656 from a passphrase or other low-entropy user credential.
657
658 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_PWSALT is deprecated.  Instead, prefer to
659 generate and manage any needed salt(s) in userspace.
660
661 Getting a file's encryption nonce
662 ---------------------------------
663
664 Since Linux v5.7, the ioctl FS_IOC_GET_ENCRYPTION_NONCE is supported.
665 On encrypted files and directories it gets the inode's 16-byte nonce.
666 On unencrypted files and directories, it fails with ENODATA.
667
668 This ioctl can be useful for automated tests which verify that the
669 encryption is being done correctly.  It is not needed for normal use
670 of fscrypt.
671
672 Adding keys
673 -----------
674
675 FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY
676 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
677
678 The FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY ioctl adds a master encryption key to
679 the filesystem, making all files on the filesystem which were
680 encrypted using that key appear "unlocked", i.e. in plaintext form.
681 It can be executed on any file or directory on the target filesystem,
682 but using the filesystem's root directory is recommended.  It takes in
683 a pointer to a :c:type:`struct fscrypt_add_key_arg`, defined as
684 follows::
685
686     struct fscrypt_add_key_arg {
687             struct fscrypt_key_specifier key_spec;
688             __u32 raw_size;
689             __u32 key_id;
690             __u32 __reserved[8];
691             __u8 raw[];
692     };
693
694     #define FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_DESCRIPTOR        1
695     #define FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_IDENTIFIER        2
696
697     struct fscrypt_key_specifier {
698             __u32 type;     /* one of FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_* */
699             __u32 __reserved;
700             union {
701                     __u8 __reserved[32]; /* reserve some extra space */
702                     __u8 descriptor[FSCRYPT_KEY_DESCRIPTOR_SIZE];
703                     __u8 identifier[FSCRYPT_KEY_IDENTIFIER_SIZE];
704             } u;
705     };
706
707     struct fscrypt_provisioning_key_payload {
708             __u32 type;
709             __u32 __reserved;
710             __u8 raw[];
711     };
712
713 :c:type:`struct fscrypt_add_key_arg` must be zeroed, then initialized
714 as follows:
715
716 - If the key is being added for use by v1 encryption policies, then
717   ``key_spec.type`` must contain FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_DESCRIPTOR, and
718   ``key_spec.u.descriptor`` must contain the descriptor of the key
719   being added, corresponding to the value in the
720   ``master_key_descriptor`` field of :c:type:`struct
721   fscrypt_policy_v1`.  To add this type of key, the calling process
722   must have the CAP_SYS_ADMIN capability in the initial user
723   namespace.
724
725   Alternatively, if the key is being added for use by v2 encryption
726   policies, then ``key_spec.type`` must contain
727   FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_IDENTIFIER, and ``key_spec.u.identifier`` is
728   an *output* field which the kernel fills in with a cryptographic
729   hash of the key.  To add this type of key, the calling process does
730   not need any privileges.  However, the number of keys that can be
731   added is limited by the user's quota for the keyrings service (see
732   ``Documentation/security/keys/core.rst``).
733
734 - ``raw_size`` must be the size of the ``raw`` key provided, in bytes.
735   Alternatively, if ``key_id`` is nonzero, this field must be 0, since
736   in that case the size is implied by the specified Linux keyring key.
737
738 - ``key_id`` is 0 if the raw key is given directly in the ``raw``
739   field.  Otherwise ``key_id`` is the ID of a Linux keyring key of
740   type "fscrypt-provisioning" whose payload is a :c:type:`struct
741   fscrypt_provisioning_key_payload` whose ``raw`` field contains the
742   raw key and whose ``type`` field matches ``key_spec.type``.  Since
743   ``raw`` is variable-length, the total size of this key's payload
744   must be ``sizeof(struct fscrypt_provisioning_key_payload)`` plus the
745   raw key size.  The process must have Search permission on this key.
746
747   Most users should leave this 0 and specify the raw key directly.
748   The support for specifying a Linux keyring key is intended mainly to
749   allow re-adding keys after a filesystem is unmounted and re-mounted,
750   without having to store the raw keys in userspace memory.
751
752 - ``raw`` is a variable-length field which must contain the actual
753   key, ``raw_size`` bytes long.  Alternatively, if ``key_id`` is
754   nonzero, then this field is unused.
755
756 For v2 policy keys, the kernel keeps track of which user (identified
757 by effective user ID) added the key, and only allows the key to be
758 removed by that user --- or by "root", if they use
759 `FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY_ALL_USERS`_.
760
761 However, if another user has added the key, it may be desirable to
762 prevent that other user from unexpectedly removing it.  Therefore,
763 FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY may also be used to add a v2 policy key
764 *again*, even if it's already added by other user(s).  In this case,
765 FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY will just install a claim to the key for the
766 current user, rather than actually add the key again (but the raw key
767 must still be provided, as a proof of knowledge).
768
769 FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY returns 0 if either the key or a claim to
770 the key was either added or already exists.
771
772 FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY can fail with the following errors:
773
774 - ``EACCES``: FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_DESCRIPTOR was specified, but the
775   caller does not have the CAP_SYS_ADMIN capability in the initial
776   user namespace; or the raw key was specified by Linux key ID but the
777   process lacks Search permission on the key.
778 - ``EDQUOT``: the key quota for this user would be exceeded by adding
779   the key
780 - ``EINVAL``: invalid key size or key specifier type, or reserved bits
781   were set
782 - ``EKEYREJECTED``: the raw key was specified by Linux key ID, but the
783   key has the wrong type
784 - ``ENOKEY``: the raw key was specified by Linux key ID, but no key
785   exists with that ID
786 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption
787 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
788   support for this filesystem, or the filesystem superblock has not
789   had encryption enabled on it
790
791 Legacy method
792 ~~~~~~~~~~~~~
793
794 For v1 encryption policies, a master encryption key can also be
795 provided by adding it to a process-subscribed keyring, e.g. to a
796 session keyring, or to a user keyring if the user keyring is linked
797 into the session keyring.
798
799 This method is deprecated (and not supported for v2 encryption
800 policies) for several reasons.  First, it cannot be used in
801 combination with FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY (see `Removing keys`_),
802 so for removing a key a workaround such as keyctl_unlink() in
803 combination with ``sync; echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches`` would
804 have to be used.  Second, it doesn't match the fact that the
805 locked/unlocked status of encrypted files (i.e. whether they appear to
806 be in plaintext form or in ciphertext form) is global.  This mismatch
807 has caused much confusion as well as real problems when processes
808 running under different UIDs, such as a ``sudo`` command, need to
809 access encrypted files.
810
811 Nevertheless, to add a key to one of the process-subscribed keyrings,
812 the add_key() system call can be used (see:
813 ``Documentation/security/keys/core.rst``).  The key type must be
814 "logon"; keys of this type are kept in kernel memory and cannot be
815 read back by userspace.  The key description must be "fscrypt:"
816 followed by the 16-character lower case hex representation of the
817 ``master_key_descriptor`` that was set in the encryption policy.  The
818 key payload must conform to the following structure::
819
820     #define FSCRYPT_MAX_KEY_SIZE            64
821
822     struct fscrypt_key {
823             __u32 mode;
824             __u8 raw[FSCRYPT_MAX_KEY_SIZE];
825             __u32 size;
826     };
827
828 ``mode`` is ignored; just set it to 0.  The actual key is provided in
829 ``raw`` with ``size`` indicating its size in bytes.  That is, the
830 bytes ``raw[0..size-1]`` (inclusive) are the actual key.
831
832 The key description prefix "fscrypt:" may alternatively be replaced
833 with a filesystem-specific prefix such as "ext4:".  However, the
834 filesystem-specific prefixes are deprecated and should not be used in
835 new programs.
836
837 Removing keys
838 -------------
839
840 Two ioctls are available for removing a key that was added by
841 `FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY`_:
842
843 - `FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY`_
844 - `FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY_ALL_USERS`_
845
846 These two ioctls differ only in cases where v2 policy keys are added
847 or removed by non-root users.
848
849 These ioctls don't work on keys that were added via the legacy
850 process-subscribed keyrings mechanism.
851
852 Before using these ioctls, read the `Kernel memory compromise`_
853 section for a discussion of the security goals and limitations of
854 these ioctls.
855
856 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY
857 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
858
859 The FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY ioctl removes a claim to a master
860 encryption key from the filesystem, and possibly removes the key
861 itself.  It can be executed on any file or directory on the target
862 filesystem, but using the filesystem's root directory is recommended.
863 It takes in a pointer to a :c:type:`struct fscrypt_remove_key_arg`,
864 defined as follows::
865
866     struct fscrypt_remove_key_arg {
867             struct fscrypt_key_specifier key_spec;
868     #define FSCRYPT_KEY_REMOVAL_STATUS_FLAG_FILES_BUSY      0x00000001
869     #define FSCRYPT_KEY_REMOVAL_STATUS_FLAG_OTHER_USERS     0x00000002
870             __u32 removal_status_flags;     /* output */
871             __u32 __reserved[5];
872     };
873
874 This structure must be zeroed, then initialized as follows:
875
876 - The key to remove is specified by ``key_spec``:
877
878     - To remove a key used by v1 encryption policies, set
879       ``key_spec.type`` to FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_DESCRIPTOR and fill
880       in ``key_spec.u.descriptor``.  To remove this type of key, the
881       calling process must have the CAP_SYS_ADMIN capability in the
882       initial user namespace.
883
884     - To remove a key used by v2 encryption policies, set
885       ``key_spec.type`` to FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_IDENTIFIER and fill
886       in ``key_spec.u.identifier``.
887
888 For v2 policy keys, this ioctl is usable by non-root users.  However,
889 to make this possible, it actually just removes the current user's
890 claim to the key, undoing a single call to FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY.
891 Only after all claims are removed is the key really removed.
892
893 For example, if FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY was called with uid 1000,
894 then the key will be "claimed" by uid 1000, and
895 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY will only succeed as uid 1000.  Or, if
896 both uids 1000 and 2000 added the key, then for each uid
897 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY will only remove their own claim.  Only
898 once *both* are removed is the key really removed.  (Think of it like
899 unlinking a file that may have hard links.)
900
901 If FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY really removes the key, it will also
902 try to "lock" all files that had been unlocked with the key.  It won't
903 lock files that are still in-use, so this ioctl is expected to be used
904 in cooperation with userspace ensuring that none of the files are
905 still open.  However, if necessary, this ioctl can be executed again
906 later to retry locking any remaining files.
907
908 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY returns 0 if either the key was removed
909 (but may still have files remaining to be locked), the user's claim to
910 the key was removed, or the key was already removed but had files
911 remaining to be the locked so the ioctl retried locking them.  In any
912 of these cases, ``removal_status_flags`` is filled in with the
913 following informational status flags:
914
915 - ``FSCRYPT_KEY_REMOVAL_STATUS_FLAG_FILES_BUSY``: set if some file(s)
916   are still in-use.  Not guaranteed to be set in the case where only
917   the user's claim to the key was removed.
918 - ``FSCRYPT_KEY_REMOVAL_STATUS_FLAG_OTHER_USERS``: set if only the
919   user's claim to the key was removed, not the key itself
920
921 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY can fail with the following errors:
922
923 - ``EACCES``: The FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_DESCRIPTOR key specifier type
924   was specified, but the caller does not have the CAP_SYS_ADMIN
925   capability in the initial user namespace
926 - ``EINVAL``: invalid key specifier type, or reserved bits were set
927 - ``ENOKEY``: the key object was not found at all, i.e. it was never
928   added in the first place or was already fully removed including all
929   files locked; or, the user does not have a claim to the key (but
930   someone else does).
931 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption
932 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
933   support for this filesystem, or the filesystem superblock has not
934   had encryption enabled on it
935
936 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY_ALL_USERS
937 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
938
939 FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY_ALL_USERS is exactly the same as
940 `FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY`_, except that for v2 policy keys, the
941 ALL_USERS version of the ioctl will remove all users' claims to the
942 key, not just the current user's.  I.e., the key itself will always be
943 removed, no matter how many users have added it.  This difference is
944 only meaningful if non-root users are adding and removing keys.
945
946 Because of this, FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY_ALL_USERS also requires
947 "root", namely the CAP_SYS_ADMIN capability in the initial user
948 namespace.  Otherwise it will fail with EACCES.
949
950 Getting key status
951 ------------------
952
953 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_KEY_STATUS
954 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
955
956 The FS_IOC_GET_ENCRYPTION_KEY_STATUS ioctl retrieves the status of a
957 master encryption key.  It can be executed on any file or directory on
958 the target filesystem, but using the filesystem's root directory is
959 recommended.  It takes in a pointer to a :c:type:`struct
960 fscrypt_get_key_status_arg`, defined as follows::
961
962     struct fscrypt_get_key_status_arg {
963             /* input */
964             struct fscrypt_key_specifier key_spec;
965             __u32 __reserved[6];
966
967             /* output */
968     #define FSCRYPT_KEY_STATUS_ABSENT               1
969     #define FSCRYPT_KEY_STATUS_PRESENT              2
970     #define FSCRYPT_KEY_STATUS_INCOMPLETELY_REMOVED 3
971             __u32 status;
972     #define FSCRYPT_KEY_STATUS_FLAG_ADDED_BY_SELF   0x00000001
973             __u32 status_flags;
974             __u32 user_count;
975             __u32 __out_reserved[13];
976     };
977
978 The caller must zero all input fields, then fill in ``key_spec``:
979
980     - To get the status of a key for v1 encryption policies, set
981       ``key_spec.type`` to FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_DESCRIPTOR and fill
982       in ``key_spec.u.descriptor``.
983
984     - To get the status of a key for v2 encryption policies, set
985       ``key_spec.type`` to FSCRYPT_KEY_SPEC_TYPE_IDENTIFIER and fill
986       in ``key_spec.u.identifier``.
987
988 On success, 0 is returned and the kernel fills in the output fields:
989
990 - ``status`` indicates whether the key is absent, present, or
991   incompletely removed.  Incompletely removed means that the master
992   secret has been removed, but some files are still in use; i.e.,
993   `FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY`_ returned 0 but set the informational
994   status flag FSCRYPT_KEY_REMOVAL_STATUS_FLAG_FILES_BUSY.
995
996 - ``status_flags`` can contain the following flags:
997
998     - ``FSCRYPT_KEY_STATUS_FLAG_ADDED_BY_SELF`` indicates that the key
999       has added by the current user.  This is only set for keys
1000       identified by ``identifier`` rather than by ``descriptor``.
1001
1002 - ``user_count`` specifies the number of users who have added the key.
1003   This is only set for keys identified by ``identifier`` rather than
1004   by ``descriptor``.
1005
1006 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_KEY_STATUS can fail with the following errors:
1007
1008 - ``EINVAL``: invalid key specifier type, or reserved bits were set
1009 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption
1010 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
1011   support for this filesystem, or the filesystem superblock has not
1012   had encryption enabled on it
1013
1014 Among other use cases, FS_IOC_GET_ENCRYPTION_KEY_STATUS can be useful
1015 for determining whether the key for a given encrypted directory needs
1016 to be added before prompting the user for the passphrase needed to
1017 derive the key.
1018
1019 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_KEY_STATUS can only get the status of keys in
1020 the filesystem-level keyring, i.e. the keyring managed by
1021 `FS_IOC_ADD_ENCRYPTION_KEY`_ and `FS_IOC_REMOVE_ENCRYPTION_KEY`_.  It
1022 cannot get the status of a key that has only been added for use by v1
1023 encryption policies using the legacy mechanism involving
1024 process-subscribed keyrings.
1025
1026 Access semantics
1027 ================
1028
1029 With the key
1030 ------------
1031
1032 With the encryption key, encrypted regular files, directories, and
1033 symlinks behave very similarly to their unencrypted counterparts ---
1034 after all, the encryption is intended to be transparent.  However,
1035 astute users may notice some differences in behavior:
1036
1037 - Unencrypted files, or files encrypted with a different encryption
1038   policy (i.e. different key, modes, or flags), cannot be renamed or
1039   linked into an encrypted directory; see `Encryption policy
1040   enforcement`_.  Attempts to do so will fail with EXDEV.  However,
1041   encrypted files can be renamed within an encrypted directory, or
1042   into an unencrypted directory.
1043
1044   Note: "moving" an unencrypted file into an encrypted directory, e.g.
1045   with the `mv` program, is implemented in userspace by a copy
1046   followed by a delete.  Be aware that the original unencrypted data
1047   may remain recoverable from free space on the disk; prefer to keep
1048   all files encrypted from the very beginning.  The `shred` program
1049   may be used to overwrite the source files but isn't guaranteed to be
1050   effective on all filesystems and storage devices.
1051
1052 - Direct I/O is not supported on encrypted files.  Attempts to use
1053   direct I/O on such files will fall back to buffered I/O.
1054
1055 - The fallocate operations FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE and
1056   FALLOC_FL_INSERT_RANGE are not supported on encrypted files and will
1057   fail with EOPNOTSUPP.
1058
1059 - Online defragmentation of encrypted files is not supported.  The
1060   EXT4_IOC_MOVE_EXT and F2FS_IOC_MOVE_RANGE ioctls will fail with
1061   EOPNOTSUPP.
1062
1063 - The ext4 filesystem does not support data journaling with encrypted
1064   regular files.  It will fall back to ordered data mode instead.
1065
1066 - DAX (Direct Access) is not supported on encrypted files.
1067
1068 - The st_size of an encrypted symlink will not necessarily give the
1069   length of the symlink target as required by POSIX.  It will actually
1070   give the length of the ciphertext, which will be slightly longer
1071   than the plaintext due to NUL-padding and an extra 2-byte overhead.
1072
1073 - The maximum length of an encrypted symlink is 2 bytes shorter than
1074   the maximum length of an unencrypted symlink.  For example, on an
1075   EXT4 filesystem with a 4K block size, unencrypted symlinks can be up
1076   to 4095 bytes long, while encrypted symlinks can only be up to 4093
1077   bytes long (both lengths excluding the terminating null).
1078
1079 Note that mmap *is* supported.  This is possible because the pagecache
1080 for an encrypted file contains the plaintext, not the ciphertext.
1081
1082 Without the key
1083 ---------------
1084
1085 Some filesystem operations may be performed on encrypted regular
1086 files, directories, and symlinks even before their encryption key has
1087 been added, or after their encryption key has been removed:
1088
1089 - File metadata may be read, e.g. using stat().
1090
1091 - Directories may be listed, in which case the filenames will be
1092   listed in an encoded form derived from their ciphertext.  The
1093   current encoding algorithm is described in `Filename hashing and
1094   encoding`_.  The algorithm is subject to change, but it is
1095   guaranteed that the presented filenames will be no longer than
1096   NAME_MAX bytes, will not contain the ``/`` or ``\0`` characters, and
1097   will uniquely identify directory entries.
1098
1099   The ``.`` and ``..`` directory entries are special.  They are always
1100   present and are not encrypted or encoded.
1101
1102 - Files may be deleted.  That is, nondirectory files may be deleted
1103   with unlink() as usual, and empty directories may be deleted with
1104   rmdir() as usual.  Therefore, ``rm`` and ``rm -r`` will work as
1105   expected.
1106
1107 - Symlink targets may be read and followed, but they will be presented
1108   in encrypted form, similar to filenames in directories.  Hence, they
1109   are unlikely to point to anywhere useful.
1110
1111 Without the key, regular files cannot be opened or truncated.
1112 Attempts to do so will fail with ENOKEY.  This implies that any
1113 regular file operations that require a file descriptor, such as
1114 read(), write(), mmap(), fallocate(), and ioctl(), are also forbidden.
1115
1116 Also without the key, files of any type (including directories) cannot
1117 be created or linked into an encrypted directory, nor can a name in an
1118 encrypted directory be the source or target of a rename, nor can an
1119 O_TMPFILE temporary file be created in an encrypted directory.  All
1120 such operations will fail with ENOKEY.
1121
1122 It is not currently possible to backup and restore encrypted files
1123 without the encryption key.  This would require special APIs which
1124 have not yet been implemented.
1125
1126 Encryption policy enforcement
1127 =============================
1128
1129 After an encryption policy has been set on a directory, all regular
1130 files, directories, and symbolic links created in that directory
1131 (recursively) will inherit that encryption policy.  Special files ---
1132 that is, named pipes, device nodes, and UNIX domain sockets --- will
1133 not be encrypted.
1134
1135 Except for those special files, it is forbidden to have unencrypted
1136 files, or files encrypted with a different encryption policy, in an
1137 encrypted directory tree.  Attempts to link or rename such a file into
1138 an encrypted directory will fail with EXDEV.  This is also enforced
1139 during ->lookup() to provide limited protection against offline
1140 attacks that try to disable or downgrade encryption in known locations
1141 where applications may later write sensitive data.  It is recommended
1142 that systems implementing a form of "verified boot" take advantage of
1143 this by validating all top-level encryption policies prior to access.
1144
1145 Implementation details
1146 ======================
1147
1148 Encryption context
1149 ------------------
1150
1151 An encryption policy is represented on-disk by a :c:type:`struct
1152 fscrypt_context_v1` or a :c:type:`struct fscrypt_context_v2`.  It is
1153 up to individual filesystems to decide where to store it, but normally
1154 it would be stored in a hidden extended attribute.  It should *not* be
1155 exposed by the xattr-related system calls such as getxattr() and
1156 setxattr() because of the special semantics of the encryption xattr.
1157 (In particular, there would be much confusion if an encryption policy
1158 were to be added to or removed from anything other than an empty
1159 directory.)  These structs are defined as follows::
1160
1161     #define FSCRYPT_FILE_NONCE_SIZE 16
1162
1163     #define FSCRYPT_KEY_DESCRIPTOR_SIZE  8
1164     struct fscrypt_context_v1 {
1165             u8 version;
1166             u8 contents_encryption_mode;
1167             u8 filenames_encryption_mode;
1168             u8 flags;
1169             u8 master_key_descriptor[FSCRYPT_KEY_DESCRIPTOR_SIZE];
1170             u8 nonce[FSCRYPT_FILE_NONCE_SIZE];
1171     };
1172
1173     #define FSCRYPT_KEY_IDENTIFIER_SIZE  16
1174     struct fscrypt_context_v2 {
1175             u8 version;
1176             u8 contents_encryption_mode;
1177             u8 filenames_encryption_mode;
1178             u8 flags;
1179             u8 __reserved[4];
1180             u8 master_key_identifier[FSCRYPT_KEY_IDENTIFIER_SIZE];
1181             u8 nonce[FSCRYPT_FILE_NONCE_SIZE];
1182     };
1183
1184 The context structs contain the same information as the corresponding
1185 policy structs (see `Setting an encryption policy`_), except that the
1186 context structs also contain a nonce.  The nonce is randomly generated
1187 by the kernel and is used as KDF input or as a tweak to cause
1188 different files to be encrypted differently; see `Per-file encryption
1189 keys`_ and `DIRECT_KEY policies`_.
1190
1191 Data path changes
1192 -----------------
1193
1194 For the read path (->readpage()) of regular files, filesystems can
1195 read the ciphertext into the page cache and decrypt it in-place.  The
1196 page lock must be held until decryption has finished, to prevent the
1197 page from becoming visible to userspace prematurely.
1198
1199 For the write path (->writepage()) of regular files, filesystems
1200 cannot encrypt data in-place in the page cache, since the cached
1201 plaintext must be preserved.  Instead, filesystems must encrypt into a
1202 temporary buffer or "bounce page", then write out the temporary
1203 buffer.  Some filesystems, such as UBIFS, already use temporary
1204 buffers regardless of encryption.  Other filesystems, such as ext4 and
1205 F2FS, have to allocate bounce pages specially for encryption.
1206
1207 Fscrypt is also able to use inline encryption hardware instead of the
1208 kernel crypto API for en/decryption of file contents.  When possible,
1209 and if directed to do so (by specifying the 'inlinecrypt' mount option
1210 for an ext4/F2FS filesystem), it adds encryption contexts to bios and
1211 uses blk-crypto to perform the en/decryption instead of making use of
1212 the above read/write path changes.  Of course, even if directed to
1213 make use of inline encryption, fscrypt will only be able to do so if
1214 either hardware inline encryption support is available for the
1215 selected encryption algorithm or CONFIG_BLK_INLINE_ENCRYPTION_FALLBACK
1216 is selected.  If neither is the case, fscrypt will fall back to using
1217 the above mentioned read/write path changes for en/decryption.
1218
1219 Filename hashing and encoding
1220 -----------------------------
1221
1222 Modern filesystems accelerate directory lookups by using indexed
1223 directories.  An indexed directory is organized as a tree keyed by
1224 filename hashes.  When a ->lookup() is requested, the filesystem
1225 normally hashes the filename being looked up so that it can quickly
1226 find the corresponding directory entry, if any.
1227
1228 With encryption, lookups must be supported and efficient both with and
1229 without the encryption key.  Clearly, it would not work to hash the
1230 plaintext filenames, since the plaintext filenames are unavailable
1231 without the key.  (Hashing the plaintext filenames would also make it
1232 impossible for the filesystem's fsck tool to optimize encrypted
1233 directories.)  Instead, filesystems hash the ciphertext filenames,
1234 i.e. the bytes actually stored on-disk in the directory entries.  When
1235 asked to do a ->lookup() with the key, the filesystem just encrypts
1236 the user-supplied name to get the ciphertext.
1237
1238 Lookups without the key are more complicated.  The raw ciphertext may
1239 contain the ``\0`` and ``/`` characters, which are illegal in
1240 filenames.  Therefore, readdir() must base64-encode the ciphertext for
1241 presentation.  For most filenames, this works fine; on ->lookup(), the
1242 filesystem just base64-decodes the user-supplied name to get back to
1243 the raw ciphertext.
1244
1245 However, for very long filenames, base64 encoding would cause the
1246 filename length to exceed NAME_MAX.  To prevent this, readdir()
1247 actually presents long filenames in an abbreviated form which encodes
1248 a strong "hash" of the ciphertext filename, along with the optional
1249 filesystem-specific hash(es) needed for directory lookups.  This
1250 allows the filesystem to still, with a high degree of confidence, map
1251 the filename given in ->lookup() back to a particular directory entry
1252 that was previously listed by readdir().  See :c:type:`struct
1253 fscrypt_nokey_name` in the source for more details.
1254
1255 Note that the precise way that filenames are presented to userspace
1256 without the key is subject to change in the future.  It is only meant
1257 as a way to temporarily present valid filenames so that commands like
1258 ``rm -r`` work as expected on encrypted directories.
1259
1260 Tests
1261 =====
1262
1263 To test fscrypt, use xfstests, which is Linux's de facto standard
1264 filesystem test suite.  First, run all the tests in the "encrypt"
1265 group on the relevant filesystem(s).  One can also run the tests
1266 with the 'inlinecrypt' mount option to test the implementation for
1267 inline encryption support.  For example, to test ext4 and
1268 f2fs encryption using `kvm-xfstests
1269 <https://github.com/tytso/xfstests-bld/blob/master/Documentation/kvm-quickstart.md>`_::
1270
1271     kvm-xfstests -c ext4,f2fs -g encrypt
1272     kvm-xfstests -c ext4,f2fs -g encrypt -m inlinecrypt
1273
1274 UBIFS encryption can also be tested this way, but it should be done in
1275 a separate command, and it takes some time for kvm-xfstests to set up
1276 emulated UBI volumes::
1277
1278     kvm-xfstests -c ubifs -g encrypt
1279
1280 No tests should fail.  However, tests that use non-default encryption
1281 modes (e.g. generic/549 and generic/550) will be skipped if the needed
1282 algorithms were not built into the kernel's crypto API.  Also, tests
1283 that access the raw block device (e.g. generic/399, generic/548,
1284 generic/549, generic/550) will be skipped on UBIFS.
1285
1286 Besides running the "encrypt" group tests, for ext4 and f2fs it's also
1287 possible to run most xfstests with the "test_dummy_encryption" mount
1288 option.  This option causes all new files to be automatically
1289 encrypted with a dummy key, without having to make any API calls.
1290 This tests the encrypted I/O paths more thoroughly.  To do this with
1291 kvm-xfstests, use the "encrypt" filesystem configuration::
1292
1293     kvm-xfstests -c ext4/encrypt,f2fs/encrypt -g auto
1294     kvm-xfstests -c ext4/encrypt,f2fs/encrypt -g auto -m inlinecrypt
1295
1296 Because this runs many more tests than "-g encrypt" does, it takes
1297 much longer to run; so also consider using `gce-xfstests
1298 <https://github.com/tytso/xfstests-bld/blob/master/Documentation/gce-xfstests.md>`_
1299 instead of kvm-xfstests::
1300
1301     gce-xfstests -c ext4/encrypt,f2fs/encrypt -g auto
1302     gce-xfstests -c ext4/encrypt,f2fs/encrypt -g auto -m inlinecrypt