cb845e8e5435304fa887408c0b78f1f1221fc65b
[linux-2.6-microblaze.git] / Documentation / filesystems / fsverity.rst
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
2
3 .. _fsverity:
4
5 =======================================================
6 fs-verity: read-only file-based authenticity protection
7 =======================================================
8
9 Introduction
10 ============
11
12 fs-verity (``fs/verity/``) is a support layer that filesystems can
13 hook into to support transparent integrity and authenticity protection
14 of read-only files.  Currently, it is supported by the ext4, f2fs, and
15 btrfs filesystems.  Like fscrypt, not too much filesystem-specific
16 code is needed to support fs-verity.
17
18 fs-verity is similar to `dm-verity
19 <https://www.kernel.org/doc/Documentation/device-mapper/verity.txt>`_
20 but works on files rather than block devices.  On regular files on
21 filesystems supporting fs-verity, userspace can execute an ioctl that
22 causes the filesystem to build a Merkle tree for the file and persist
23 it to a filesystem-specific location associated with the file.
24
25 After this, the file is made readonly, and all reads from the file are
26 automatically verified against the file's Merkle tree.  Reads of any
27 corrupted data, including mmap reads, will fail.
28
29 Userspace can use another ioctl to retrieve the root hash (actually
30 the "fs-verity file digest", which is a hash that includes the Merkle
31 tree root hash) that fs-verity is enforcing for the file.  This ioctl
32 executes in constant time, regardless of the file size.
33
34 fs-verity is essentially a way to hash a file in constant time,
35 subject to the caveat that reads which would violate the hash will
36 fail at runtime.
37
38 Use cases
39 =========
40
41 By itself, fs-verity only provides integrity protection, i.e.
42 detection of accidental (non-malicious) corruption.
43
44 However, because fs-verity makes retrieving the file hash extremely
45 efficient, it's primarily meant to be used as a tool to support
46 authentication (detection of malicious modifications) or auditing
47 (logging file hashes before use).
48
49 A standard file hash could be used instead of fs-verity.  However,
50 this is inefficient if the file is large and only a small portion may
51 be accessed.  This is often the case for Android application package
52 (APK) files, for example.  These typically contain many translations,
53 classes, and other resources that are infrequently or even never
54 accessed on a particular device.  It would be slow and wasteful to
55 read and hash the entire file before starting the application.
56
57 Unlike an ahead-of-time hash, fs-verity also re-verifies data each
58 time it's paged in.  This ensures that malicious disk firmware can't
59 undetectably change the contents of the file at runtime.
60
61 fs-verity does not replace or obsolete dm-verity.  dm-verity should
62 still be used on read-only filesystems.  fs-verity is for files that
63 must live on a read-write filesystem because they are independently
64 updated and potentially user-installed, so dm-verity cannot be used.
65
66 fs-verity does not mandate a particular scheme for authenticating its
67 file hashes.  (Similarly, dm-verity does not mandate a particular
68 scheme for authenticating its block device root hashes.)  Options for
69 authenticating fs-verity file hashes include:
70
71 - Trusted userspace code.  Often, the userspace code that accesses
72   files can be trusted to authenticate them.  Consider e.g. an
73   application that wants to authenticate data files before using them,
74   or an application loader that is part of the operating system (which
75   is already authenticated in a different way, such as by being loaded
76   from a read-only partition that uses dm-verity) and that wants to
77   authenticate applications before loading them.  In these cases, this
78   trusted userspace code can authenticate a file's contents by
79   retrieving its fs-verity digest using `FS_IOC_MEASURE_VERITY`_, then
80   verifying a signature of it using any userspace cryptographic
81   library that supports digital signatures.
82
83 - Integrity Measurement Architecture (IMA).  IMA supports fs-verity
84   file digests as an alternative to its traditional full file digests.
85   "IMA appraisal" enforces that files contain a valid, matching
86   signature in their "security.ima" extended attribute, as controlled
87   by the IMA policy.  For more information, see the IMA documentation.
88
89 - Trusted userspace code in combination with `Built-in signature
90   verification`_.  This approach should be used only with great care.
91
92 User API
93 ========
94
95 FS_IOC_ENABLE_VERITY
96 --------------------
97
98 The FS_IOC_ENABLE_VERITY ioctl enables fs-verity on a file.  It takes
99 in a pointer to a struct fsverity_enable_arg, defined as
100 follows::
101
102     struct fsverity_enable_arg {
103             __u32 version;
104             __u32 hash_algorithm;
105             __u32 block_size;
106             __u32 salt_size;
107             __u64 salt_ptr;
108             __u32 sig_size;
109             __u32 __reserved1;
110             __u64 sig_ptr;
111             __u64 __reserved2[11];
112     };
113
114 This structure contains the parameters of the Merkle tree to build for
115 the file.  It must be initialized as follows:
116
117 - ``version`` must be 1.
118 - ``hash_algorithm`` must be the identifier for the hash algorithm to
119   use for the Merkle tree, such as FS_VERITY_HASH_ALG_SHA256.  See
120   ``include/uapi/linux/fsverity.h`` for the list of possible values.
121 - ``block_size`` is the Merkle tree block size, in bytes.  In Linux
122   v6.3 and later, this can be any power of 2 between (inclusively)
123   1024 and the minimum of the system page size and the filesystem
124   block size.  In earlier versions, the page size was the only allowed
125   value.
126 - ``salt_size`` is the size of the salt in bytes, or 0 if no salt is
127   provided.  The salt is a value that is prepended to every hashed
128   block; it can be used to personalize the hashing for a particular
129   file or device.  Currently the maximum salt size is 32 bytes.
130 - ``salt_ptr`` is the pointer to the salt, or NULL if no salt is
131   provided.
132 - ``sig_size`` is the size of the builtin signature in bytes, or 0 if no
133   builtin signature is provided.  Currently the builtin signature is
134   (somewhat arbitrarily) limited to 16128 bytes.
135 - ``sig_ptr``  is the pointer to the builtin signature, or NULL if no
136   builtin signature is provided.  A builtin signature is only needed
137   if the `Built-in signature verification`_ feature is being used.  It
138   is not needed for IMA appraisal, and it is not needed if the file
139   signature is being handled entirely in userspace.
140 - All reserved fields must be zeroed.
141
142 FS_IOC_ENABLE_VERITY causes the filesystem to build a Merkle tree for
143 the file and persist it to a filesystem-specific location associated
144 with the file, then mark the file as a verity file.  This ioctl may
145 take a long time to execute on large files, and it is interruptible by
146 fatal signals.
147
148 FS_IOC_ENABLE_VERITY checks for write access to the inode.  However,
149 it must be executed on an O_RDONLY file descriptor and no processes
150 can have the file open for writing.  Attempts to open the file for
151 writing while this ioctl is executing will fail with ETXTBSY.  (This
152 is necessary to guarantee that no writable file descriptors will exist
153 after verity is enabled, and to guarantee that the file's contents are
154 stable while the Merkle tree is being built over it.)
155
156 On success, FS_IOC_ENABLE_VERITY returns 0, and the file becomes a
157 verity file.  On failure (including the case of interruption by a
158 fatal signal), no changes are made to the file.
159
160 FS_IOC_ENABLE_VERITY can fail with the following errors:
161
162 - ``EACCES``: the process does not have write access to the file
163 - ``EBADMSG``: the builtin signature is malformed
164 - ``EBUSY``: this ioctl is already running on the file
165 - ``EEXIST``: the file already has verity enabled
166 - ``EFAULT``: the caller provided inaccessible memory
167 - ``EFBIG``: the file is too large to enable verity on
168 - ``EINTR``: the operation was interrupted by a fatal signal
169 - ``EINVAL``: unsupported version, hash algorithm, or block size; or
170   reserved bits are set; or the file descriptor refers to neither a
171   regular file nor a directory.
172 - ``EISDIR``: the file descriptor refers to a directory
173 - ``EKEYREJECTED``: the builtin signature doesn't match the file
174 - ``EMSGSIZE``: the salt or builtin signature is too long
175 - ``ENOKEY``: the ".fs-verity" keyring doesn't contain the certificate
176   needed to verify the builtin signature
177 - ``ENOPKG``: fs-verity recognizes the hash algorithm, but it's not
178   available in the kernel's crypto API as currently configured (e.g.
179   for SHA-512, missing CONFIG_CRYPTO_SHA512).
180 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement fs-verity
181 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with fs-verity
182   support; or the filesystem superblock has not had the 'verity'
183   feature enabled on it; or the filesystem does not support fs-verity
184   on this file.  (See `Filesystem support`_.)
185 - ``EPERM``: the file is append-only; or, a builtin signature is
186   required and one was not provided.
187 - ``EROFS``: the filesystem is read-only
188 - ``ETXTBSY``: someone has the file open for writing.  This can be the
189   caller's file descriptor, another open file descriptor, or the file
190   reference held by a writable memory map.
191
192 FS_IOC_MEASURE_VERITY
193 ---------------------
194
195 The FS_IOC_MEASURE_VERITY ioctl retrieves the digest of a verity file.
196 The fs-verity file digest is a cryptographic digest that identifies
197 the file contents that are being enforced on reads; it is computed via
198 a Merkle tree and is different from a traditional full-file digest.
199
200 This ioctl takes in a pointer to a variable-length structure::
201
202     struct fsverity_digest {
203             __u16 digest_algorithm;
204             __u16 digest_size; /* input/output */
205             __u8 digest[];
206     };
207
208 ``digest_size`` is an input/output field.  On input, it must be
209 initialized to the number of bytes allocated for the variable-length
210 ``digest`` field.
211
212 On success, 0 is returned and the kernel fills in the structure as
213 follows:
214
215 - ``digest_algorithm`` will be the hash algorithm used for the file
216   digest.  It will match ``fsverity_enable_arg::hash_algorithm``.
217 - ``digest_size`` will be the size of the digest in bytes, e.g. 32
218   for SHA-256.  (This can be redundant with ``digest_algorithm``.)
219 - ``digest`` will be the actual bytes of the digest.
220
221 FS_IOC_MEASURE_VERITY is guaranteed to execute in constant time,
222 regardless of the size of the file.
223
224 FS_IOC_MEASURE_VERITY can fail with the following errors:
225
226 - ``EFAULT``: the caller provided inaccessible memory
227 - ``ENODATA``: the file is not a verity file
228 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement fs-verity
229 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with fs-verity
230   support, or the filesystem superblock has not had the 'verity'
231   feature enabled on it.  (See `Filesystem support`_.)
232 - ``EOVERFLOW``: the digest is longer than the specified
233   ``digest_size`` bytes.  Try providing a larger buffer.
234
235 FS_IOC_READ_VERITY_METADATA
236 ---------------------------
237
238 The FS_IOC_READ_VERITY_METADATA ioctl reads verity metadata from a
239 verity file.  This ioctl is available since Linux v5.12.
240
241 This ioctl allows writing a server program that takes a verity file
242 and serves it to a client program, such that the client can do its own
243 fs-verity compatible verification of the file.  This only makes sense
244 if the client doesn't trust the server and if the server needs to
245 provide the storage for the client.
246
247 This is a fairly specialized use case, and most fs-verity users won't
248 need this ioctl.
249
250 This ioctl takes in a pointer to the following structure::
251
252    #define FS_VERITY_METADATA_TYPE_MERKLE_TREE     1
253    #define FS_VERITY_METADATA_TYPE_DESCRIPTOR      2
254    #define FS_VERITY_METADATA_TYPE_SIGNATURE       3
255
256    struct fsverity_read_metadata_arg {
257            __u64 metadata_type;
258            __u64 offset;
259            __u64 length;
260            __u64 buf_ptr;
261            __u64 __reserved;
262    };
263
264 ``metadata_type`` specifies the type of metadata to read:
265
266 - ``FS_VERITY_METADATA_TYPE_MERKLE_TREE`` reads the blocks of the
267   Merkle tree.  The blocks are returned in order from the root level
268   to the leaf level.  Within each level, the blocks are returned in
269   the same order that their hashes are themselves hashed.
270   See `Merkle tree`_ for more information.
271
272 - ``FS_VERITY_METADATA_TYPE_DESCRIPTOR`` reads the fs-verity
273   descriptor.  See `fs-verity descriptor`_.
274
275 - ``FS_VERITY_METADATA_TYPE_SIGNATURE`` reads the builtin signature
276   which was passed to FS_IOC_ENABLE_VERITY, if any.  See `Built-in
277   signature verification`_.
278
279 The semantics are similar to those of ``pread()``.  ``offset``
280 specifies the offset in bytes into the metadata item to read from, and
281 ``length`` specifies the maximum number of bytes to read from the
282 metadata item.  ``buf_ptr`` is the pointer to the buffer to read into,
283 cast to a 64-bit integer.  ``__reserved`` must be 0.  On success, the
284 number of bytes read is returned.  0 is returned at the end of the
285 metadata item.  The returned length may be less than ``length``, for
286 example if the ioctl is interrupted.
287
288 The metadata returned by FS_IOC_READ_VERITY_METADATA isn't guaranteed
289 to be authenticated against the file digest that would be returned by
290 `FS_IOC_MEASURE_VERITY`_, as the metadata is expected to be used to
291 implement fs-verity compatible verification anyway (though absent a
292 malicious disk, the metadata will indeed match).  E.g. to implement
293 this ioctl, the filesystem is allowed to just read the Merkle tree
294 blocks from disk without actually verifying the path to the root node.
295
296 FS_IOC_READ_VERITY_METADATA can fail with the following errors:
297
298 - ``EFAULT``: the caller provided inaccessible memory
299 - ``EINTR``: the ioctl was interrupted before any data was read
300 - ``EINVAL``: reserved fields were set, or ``offset + length``
301   overflowed
302 - ``ENODATA``: the file is not a verity file, or
303   FS_VERITY_METADATA_TYPE_SIGNATURE was requested but the file doesn't
304   have a builtin signature
305 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement fs-verity, or
306   this ioctl is not yet implemented on it
307 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with fs-verity
308   support, or the filesystem superblock has not had the 'verity'
309   feature enabled on it.  (See `Filesystem support`_.)
310
311 FS_IOC_GETFLAGS
312 ---------------
313
314 The existing ioctl FS_IOC_GETFLAGS (which isn't specific to fs-verity)
315 can also be used to check whether a file has fs-verity enabled or not.
316 To do so, check for FS_VERITY_FL (0x00100000) in the returned flags.
317
318 The verity flag is not settable via FS_IOC_SETFLAGS.  You must use
319 FS_IOC_ENABLE_VERITY instead, since parameters must be provided.
320
321 statx
322 -----
323
324 Since Linux v5.5, the statx() system call sets STATX_ATTR_VERITY if
325 the file has fs-verity enabled.  This can perform better than
326 FS_IOC_GETFLAGS and FS_IOC_MEASURE_VERITY because it doesn't require
327 opening the file, and opening verity files can be expensive.
328
329 Accessing verity files
330 ======================
331
332 Applications can transparently access a verity file just like a
333 non-verity one, with the following exceptions:
334
335 - Verity files are readonly.  They cannot be opened for writing or
336   truncate()d, even if the file mode bits allow it.  Attempts to do
337   one of these things will fail with EPERM.  However, changes to
338   metadata such as owner, mode, timestamps, and xattrs are still
339   allowed, since these are not measured by fs-verity.  Verity files
340   can also still be renamed, deleted, and linked to.
341
342 - Direct I/O is not supported on verity files.  Attempts to use direct
343   I/O on such files will fall back to buffered I/O.
344
345 - DAX (Direct Access) is not supported on verity files, because this
346   would circumvent the data verification.
347
348 - Reads of data that doesn't match the verity Merkle tree will fail
349   with EIO (for read()) or SIGBUS (for mmap() reads).
350
351 - If the sysctl "fs.verity.require_signatures" is set to 1 and the
352   file is not signed by a key in the ".fs-verity" keyring, then
353   opening the file will fail.  See `Built-in signature verification`_.
354
355 Direct access to the Merkle tree is not supported.  Therefore, if a
356 verity file is copied, or is backed up and restored, then it will lose
357 its "verity"-ness.  fs-verity is primarily meant for files like
358 executables that are managed by a package manager.
359
360 File digest computation
361 =======================
362
363 This section describes how fs-verity hashes the file contents using a
364 Merkle tree to produce the digest which cryptographically identifies
365 the file contents.  This algorithm is the same for all filesystems
366 that support fs-verity.
367
368 Userspace only needs to be aware of this algorithm if it needs to
369 compute fs-verity file digests itself, e.g. in order to sign files.
370
371 .. _fsverity_merkle_tree:
372
373 Merkle tree
374 -----------
375
376 The file contents is divided into blocks, where the block size is
377 configurable but is usually 4096 bytes.  The end of the last block is
378 zero-padded if needed.  Each block is then hashed, producing the first
379 level of hashes.  Then, the hashes in this first level are grouped
380 into 'blocksize'-byte blocks (zero-padding the ends as needed) and
381 these blocks are hashed, producing the second level of hashes.  This
382 proceeds up the tree until only a single block remains.  The hash of
383 this block is the "Merkle tree root hash".
384
385 If the file fits in one block and is nonempty, then the "Merkle tree
386 root hash" is simply the hash of the single data block.  If the file
387 is empty, then the "Merkle tree root hash" is all zeroes.
388
389 The "blocks" here are not necessarily the same as "filesystem blocks".
390
391 If a salt was specified, then it's zero-padded to the closest multiple
392 of the input size of the hash algorithm's compression function, e.g.
393 64 bytes for SHA-256 or 128 bytes for SHA-512.  The padded salt is
394 prepended to every data or Merkle tree block that is hashed.
395
396 The purpose of the block padding is to cause every hash to be taken
397 over the same amount of data, which simplifies the implementation and
398 keeps open more possibilities for hardware acceleration.  The purpose
399 of the salt padding is to make the salting "free" when the salted hash
400 state is precomputed, then imported for each hash.
401
402 Example: in the recommended configuration of SHA-256 and 4K blocks,
403 128 hash values fit in each block.  Thus, each level of the Merkle
404 tree is approximately 128 times smaller than the previous, and for
405 large files the Merkle tree's size converges to approximately 1/127 of
406 the original file size.  However, for small files, the padding is
407 significant, making the space overhead proportionally more.
408
409 .. _fsverity_descriptor:
410
411 fs-verity descriptor
412 --------------------
413
414 By itself, the Merkle tree root hash is ambiguous.  For example, it
415 can't a distinguish a large file from a small second file whose data
416 is exactly the top-level hash block of the first file.  Ambiguities
417 also arise from the convention of padding to the next block boundary.
418
419 To solve this problem, the fs-verity file digest is actually computed
420 as a hash of the following structure, which contains the Merkle tree
421 root hash as well as other fields such as the file size::
422
423     struct fsverity_descriptor {
424             __u8 version;           /* must be 1 */
425             __u8 hash_algorithm;    /* Merkle tree hash algorithm */
426             __u8 log_blocksize;     /* log2 of size of data and tree blocks */
427             __u8 salt_size;         /* size of salt in bytes; 0 if none */
428             __le32 __reserved_0x04; /* must be 0 */
429             __le64 data_size;       /* size of file the Merkle tree is built over */
430             __u8 root_hash[64];     /* Merkle tree root hash */
431             __u8 salt[32];          /* salt prepended to each hashed block */
432             __u8 __reserved[144];   /* must be 0's */
433     };
434
435 Built-in signature verification
436 ===============================
437
438 CONFIG_FS_VERITY_BUILTIN_SIGNATURES=y adds supports for in-kernel
439 verification of fs-verity builtin signatures.
440
441 **IMPORTANT**!  Please take great care before using this feature.
442 It is not the only way to do signatures with fs-verity, and the
443 alternatives (such as userspace signature verification, and IMA
444 appraisal) can be much better.  It's also easy to fall into a trap
445 of thinking this feature solves more problems than it actually does.
446
447 Enabling this option adds the following:
448
449 1. At boot time, the kernel creates a keyring named ".fs-verity".  The
450    root user can add trusted X.509 certificates to this keyring using
451    the add_key() system call.
452
453 2. `FS_IOC_ENABLE_VERITY`_ accepts a pointer to a PKCS#7 formatted
454    detached signature in DER format of the file's fs-verity digest.
455    On success, the ioctl persists the signature alongside the Merkle
456    tree.  Then, any time the file is opened, the kernel verifies the
457    file's actual digest against this signature, using the certificates
458    in the ".fs-verity" keyring.
459
460 3. A new sysctl "fs.verity.require_signatures" is made available.
461    When set to 1, the kernel requires that all verity files have a
462    correctly signed digest as described in (2).
463
464 The data that the signature as described in (2) must be a signature of
465 is the fs-verity file digest in the following format::
466
467     struct fsverity_formatted_digest {
468             char magic[8];                  /* must be "FSVerity" */
469             __le16 digest_algorithm;
470             __le16 digest_size;
471             __u8 digest[];
472     };
473
474 That's it.  It should be emphasized again that fs-verity builtin
475 signatures are not the only way to do signatures with fs-verity.  See
476 `Use cases`_ for an overview of ways in which fs-verity can be used.
477 fs-verity builtin signatures have some major limitations that should
478 be carefully considered before using them:
479
480 - Builtin signature verification does *not* make the kernel enforce
481   that any files actually have fs-verity enabled.  Thus, it is not a
482   complete authentication policy.  Currently, if it is used, the only
483   way to complete the authentication policy is for trusted userspace
484   code to explicitly check whether files have fs-verity enabled with a
485   signature before they are accessed.  (With
486   fs.verity.require_signatures=1, just checking whether fs-verity is
487   enabled suffices.)  But, in this case the trusted userspace code
488   could just store the signature alongside the file and verify it
489   itself using a cryptographic library, instead of using this feature.
490
491 - A file's builtin signature can only be set at the same time that
492   fs-verity is being enabled on the file.  Changing or deleting the
493   builtin signature later requires re-creating the file.
494
495 - Builtin signature verification uses the same set of public keys for
496   all fs-verity enabled files on the system.  Different keys cannot be
497   trusted for different files; each key is all or nothing.
498
499 - The sysctl fs.verity.require_signatures applies system-wide.
500   Setting it to 1 only works when all users of fs-verity on the system
501   agree that it should be set to 1.  This limitation can prevent
502   fs-verity from being used in cases where it would be helpful.
503
504 - Builtin signature verification can only use signature algorithms
505   that are supported by the kernel.  For example, the kernel does not
506   yet support Ed25519, even though this is often the signature
507   algorithm that is recommended for new cryptographic designs.
508
509 - fs-verity builtin signatures are in PKCS#7 format, and the public
510   keys are in X.509 format.  These formats are commonly used,
511   including by some other kernel features (which is why the fs-verity
512   builtin signatures use them), and are very feature rich.
513   Unfortunately, history has shown that code that parses and handles
514   these formats (which are from the 1990s and are based on ASN.1)
515   often has vulnerabilities as a result of their complexity.  This
516   complexity is not inherent to the cryptography itself.
517
518   fs-verity users who do not need advanced features of X.509 and
519   PKCS#7 should strongly consider using simpler formats, such as plain
520   Ed25519 keys and signatures, and verifying signatures in userspace.
521
522   fs-verity users who choose to use X.509 and PKCS#7 anyway should
523   still consider that verifying those signatures in userspace is more
524   flexible (for other reasons mentioned earlier in this document) and
525   eliminates the need to enable CONFIG_FS_VERITY_BUILTIN_SIGNATURES
526   and its associated increase in kernel attack surface.  In some cases
527   it can even be necessary, since advanced X.509 and PKCS#7 features
528   do not always work as intended with the kernel.  For example, the
529   kernel does not check X.509 certificate validity times.
530
531   Note: IMA appraisal, which supports fs-verity, does not use PKCS#7
532   for its signatures, so it partially avoids the issues discussed
533   here.  IMA appraisal does use X.509.
534
535 Filesystem support
536 ==================
537
538 fs-verity is supported by several filesystems, described below.  The
539 CONFIG_FS_VERITY kconfig option must be enabled to use fs-verity on
540 any of these filesystems.
541
542 ``include/linux/fsverity.h`` declares the interface between the
543 ``fs/verity/`` support layer and filesystems.  Briefly, filesystems
544 must provide an ``fsverity_operations`` structure that provides
545 methods to read and write the verity metadata to a filesystem-specific
546 location, including the Merkle tree blocks and
547 ``fsverity_descriptor``.  Filesystems must also call functions in
548 ``fs/verity/`` at certain times, such as when a file is opened or when
549 pages have been read into the pagecache.  (See `Verifying data`_.)
550
551 ext4
552 ----
553
554 ext4 supports fs-verity since Linux v5.4 and e2fsprogs v1.45.2.
555
556 To create verity files on an ext4 filesystem, the filesystem must have
557 been formatted with ``-O verity`` or had ``tune2fs -O verity`` run on
558 it.  "verity" is an RO_COMPAT filesystem feature, so once set, old
559 kernels will only be able to mount the filesystem readonly, and old
560 versions of e2fsck will be unable to check the filesystem.
561
562 Originally, an ext4 filesystem with the "verity" feature could only be
563 mounted when its block size was equal to the system page size
564 (typically 4096 bytes).  In Linux v6.3, this limitation was removed.
565
566 ext4 sets the EXT4_VERITY_FL on-disk inode flag on verity files.  It
567 can only be set by `FS_IOC_ENABLE_VERITY`_, and it cannot be cleared.
568
569 ext4 also supports encryption, which can be used simultaneously with
570 fs-verity.  In this case, the plaintext data is verified rather than
571 the ciphertext.  This is necessary in order to make the fs-verity file
572 digest meaningful, since every file is encrypted differently.
573
574 ext4 stores the verity metadata (Merkle tree and fsverity_descriptor)
575 past the end of the file, starting at the first 64K boundary beyond
576 i_size.  This approach works because (a) verity files are readonly,
577 and (b) pages fully beyond i_size aren't visible to userspace but can
578 be read/written internally by ext4 with only some relatively small
579 changes to ext4.  This approach avoids having to depend on the
580 EA_INODE feature and on rearchitecturing ext4's xattr support to
581 support paging multi-gigabyte xattrs into memory, and to support
582 encrypting xattrs.  Note that the verity metadata *must* be encrypted
583 when the file is, since it contains hashes of the plaintext data.
584
585 ext4 only allows verity on extent-based files.
586
587 f2fs
588 ----
589
590 f2fs supports fs-verity since Linux v5.4 and f2fs-tools v1.11.0.
591
592 To create verity files on an f2fs filesystem, the filesystem must have
593 been formatted with ``-O verity``.
594
595 f2fs sets the FADVISE_VERITY_BIT on-disk inode flag on verity files.
596 It can only be set by `FS_IOC_ENABLE_VERITY`_, and it cannot be
597 cleared.
598
599 Like ext4, f2fs stores the verity metadata (Merkle tree and
600 fsverity_descriptor) past the end of the file, starting at the first
601 64K boundary beyond i_size.  See explanation for ext4 above.
602 Moreover, f2fs supports at most 4096 bytes of xattr entries per inode
603 which usually wouldn't be enough for even a single Merkle tree block.
604
605 f2fs doesn't support enabling verity on files that currently have
606 atomic or volatile writes pending.
607
608 btrfs
609 -----
610
611 btrfs supports fs-verity since Linux v5.15.  Verity-enabled inodes are
612 marked with a RO_COMPAT inode flag, and the verity metadata is stored
613 in separate btree items.
614
615 Implementation details
616 ======================
617
618 Verifying data
619 --------------
620
621 fs-verity ensures that all reads of a verity file's data are verified,
622 regardless of which syscall is used to do the read (e.g. mmap(),
623 read(), pread()) and regardless of whether it's the first read or a
624 later read (unless the later read can return cached data that was
625 already verified).  Below, we describe how filesystems implement this.
626
627 Pagecache
628 ~~~~~~~~~
629
630 For filesystems using Linux's pagecache, the ``->read_folio()`` and
631 ``->readahead()`` methods must be modified to verify folios before
632 they are marked Uptodate.  Merely hooking ``->read_iter()`` would be
633 insufficient, since ``->read_iter()`` is not used for memory maps.
634
635 Therefore, fs/verity/ provides the function fsverity_verify_blocks()
636 which verifies data that has been read into the pagecache of a verity
637 inode.  The containing folio must still be locked and not Uptodate, so
638 it's not yet readable by userspace.  As needed to do the verification,
639 fsverity_verify_blocks() will call back into the filesystem to read
640 hash blocks via fsverity_operations::read_merkle_tree_page().
641
642 fsverity_verify_blocks() returns false if verification failed; in this
643 case, the filesystem must not set the folio Uptodate.  Following this,
644 as per the usual Linux pagecache behavior, attempts by userspace to
645 read() from the part of the file containing the folio will fail with
646 EIO, and accesses to the folio within a memory map will raise SIGBUS.
647
648 In principle, verifying a data block requires verifying the entire
649 path in the Merkle tree from the data block to the root hash.
650 However, for efficiency the filesystem may cache the hash blocks.
651 Therefore, fsverity_verify_blocks() only ascends the tree reading hash
652 blocks until an already-verified hash block is seen.  It then verifies
653 the path to that block.
654
655 This optimization, which is also used by dm-verity, results in
656 excellent sequential read performance.  This is because usually (e.g.
657 127 in 128 times for 4K blocks and SHA-256) the hash block from the
658 bottom level of the tree will already be cached and checked from
659 reading a previous data block.  However, random reads perform worse.
660
661 Block device based filesystems
662 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
663
664 Block device based filesystems (e.g. ext4 and f2fs) in Linux also use
665 the pagecache, so the above subsection applies too.  However, they
666 also usually read many data blocks from a file at once, grouped into a
667 structure called a "bio".  To make it easier for these types of
668 filesystems to support fs-verity, fs/verity/ also provides a function
669 fsverity_verify_bio() which verifies all data blocks in a bio.
670
671 ext4 and f2fs also support encryption.  If a verity file is also
672 encrypted, the data must be decrypted before being verified.  To
673 support this, these filesystems allocate a "post-read context" for
674 each bio and store it in ``->bi_private``::
675
676     struct bio_post_read_ctx {
677            struct bio *bio;
678            struct work_struct work;
679            unsigned int cur_step;
680            unsigned int enabled_steps;
681     };
682
683 ``enabled_steps`` is a bitmask that specifies whether decryption,
684 verity, or both is enabled.  After the bio completes, for each needed
685 postprocessing step the filesystem enqueues the bio_post_read_ctx on a
686 workqueue, and then the workqueue work does the decryption or
687 verification.  Finally, folios where no decryption or verity error
688 occurred are marked Uptodate, and the folios are unlocked.
689
690 On many filesystems, files can contain holes.  Normally,
691 ``->readahead()`` simply zeroes hole blocks and considers the
692 corresponding data to be up-to-date; no bios are issued.  To prevent
693 this case from bypassing fs-verity, filesystems use
694 fsverity_verify_blocks() to verify hole blocks.
695
696 Filesystems also disable direct I/O on verity files, since otherwise
697 direct I/O would bypass fs-verity.
698
699 Userspace utility
700 =================
701
702 This document focuses on the kernel, but a userspace utility for
703 fs-verity can be found at:
704
705         https://git.kernel.org/pub/scm/fs/fsverity/fsverity-utils.git
706
707 See the README.md file in the fsverity-utils source tree for details,
708 including examples of setting up fs-verity protected files.
709
710 Tests
711 =====
712
713 To test fs-verity, use xfstests.  For example, using `kvm-xfstests
714 <https://github.com/tytso/xfstests-bld/blob/master/Documentation/kvm-quickstart.md>`_::
715
716     kvm-xfstests -c ext4,f2fs,btrfs -g verity
717
718 FAQ
719 ===
720
721 This section answers frequently asked questions about fs-verity that
722 weren't already directly answered in other parts of this document.
723
724 :Q: Why isn't fs-verity part of IMA?
725 :A: fs-verity and IMA (Integrity Measurement Architecture) have
726     different focuses.  fs-verity is a filesystem-level mechanism for
727     hashing individual files using a Merkle tree.  In contrast, IMA
728     specifies a system-wide policy that specifies which files are
729     hashed and what to do with those hashes, such as log them,
730     authenticate them, or add them to a measurement list.
731
732     IMA supports the fs-verity hashing mechanism as an alternative
733     to full file hashes, for those who want the performance and
734     security benefits of the Merkle tree based hash.  However, it
735     doesn't make sense to force all uses of fs-verity to be through
736     IMA.  fs-verity already meets many users' needs even as a
737     standalone filesystem feature, and it's testable like other
738     filesystem features e.g. with xfstests.
739
740 :Q: Isn't fs-verity useless because the attacker can just modify the
741     hashes in the Merkle tree, which is stored on-disk?
742 :A: To verify the authenticity of an fs-verity file you must verify
743     the authenticity of the "fs-verity file digest", which
744     incorporates the root hash of the Merkle tree.  See `Use cases`_.
745
746 :Q: Isn't fs-verity useless because the attacker can just replace a
747     verity file with a non-verity one?
748 :A: See `Use cases`_.  In the initial use case, it's really trusted
749     userspace code that authenticates the files; fs-verity is just a
750     tool to do this job efficiently and securely.  The trusted
751     userspace code will consider non-verity files to be inauthentic.
752
753 :Q: Why does the Merkle tree need to be stored on-disk?  Couldn't you
754     store just the root hash?
755 :A: If the Merkle tree wasn't stored on-disk, then you'd have to
756     compute the entire tree when the file is first accessed, even if
757     just one byte is being read.  This is a fundamental consequence of
758     how Merkle tree hashing works.  To verify a leaf node, you need to
759     verify the whole path to the root hash, including the root node
760     (the thing which the root hash is a hash of).  But if the root
761     node isn't stored on-disk, you have to compute it by hashing its
762     children, and so on until you've actually hashed the entire file.
763
764     That defeats most of the point of doing a Merkle tree-based hash,
765     since if you have to hash the whole file ahead of time anyway,
766     then you could simply do sha256(file) instead.  That would be much
767     simpler, and a bit faster too.
768
769     It's true that an in-memory Merkle tree could still provide the
770     advantage of verification on every read rather than just on the
771     first read.  However, it would be inefficient because every time a
772     hash page gets evicted (you can't pin the entire Merkle tree into
773     memory, since it may be very large), in order to restore it you
774     again need to hash everything below it in the tree.  This again
775     defeats most of the point of doing a Merkle tree-based hash, since
776     a single block read could trigger re-hashing gigabytes of data.
777
778 :Q: But couldn't you store just the leaf nodes and compute the rest?
779 :A: See previous answer; this really just moves up one level, since
780     one could alternatively interpret the data blocks as being the
781     leaf nodes of the Merkle tree.  It's true that the tree can be
782     computed much faster if the leaf level is stored rather than just
783     the data, but that's only because each level is less than 1% the
784     size of the level below (assuming the recommended settings of
785     SHA-256 and 4K blocks).  For the exact same reason, by storing
786     "just the leaf nodes" you'd already be storing over 99% of the
787     tree, so you might as well simply store the whole tree.
788
789 :Q: Can the Merkle tree be built ahead of time, e.g. distributed as
790     part of a package that is installed to many computers?
791 :A: This isn't currently supported.  It was part of the original
792     design, but was removed to simplify the kernel UAPI and because it
793     wasn't a critical use case.  Files are usually installed once and
794     used many times, and cryptographic hashing is somewhat fast on
795     most modern processors.
796
797 :Q: Why doesn't fs-verity support writes?
798 :A: Write support would be very difficult and would require a
799     completely different design, so it's well outside the scope of
800     fs-verity.  Write support would require:
801
802     - A way to maintain consistency between the data and hashes,
803       including all levels of hashes, since corruption after a crash
804       (especially of potentially the entire file!) is unacceptable.
805       The main options for solving this are data journalling,
806       copy-on-write, and log-structured volume.  But it's very hard to
807       retrofit existing filesystems with new consistency mechanisms.
808       Data journalling is available on ext4, but is very slow.
809
810     - Rebuilding the Merkle tree after every write, which would be
811       extremely inefficient.  Alternatively, a different authenticated
812       dictionary structure such as an "authenticated skiplist" could
813       be used.  However, this would be far more complex.
814
815     Compare it to dm-verity vs. dm-integrity.  dm-verity is very
816     simple: the kernel just verifies read-only data against a
817     read-only Merkle tree.  In contrast, dm-integrity supports writes
818     but is slow, is much more complex, and doesn't actually support
819     full-device authentication since it authenticates each sector
820     independently, i.e. there is no "root hash".  It doesn't really
821     make sense for the same device-mapper target to support these two
822     very different cases; the same applies to fs-verity.
823
824 :Q: Since verity files are immutable, why isn't the immutable bit set?
825 :A: The existing "immutable" bit (FS_IMMUTABLE_FL) already has a
826     specific set of semantics which not only make the file contents
827     read-only, but also prevent the file from being deleted, renamed,
828     linked to, or having its owner or mode changed.  These extra
829     properties are unwanted for fs-verity, so reusing the immutable
830     bit isn't appropriate.
831
832 :Q: Why does the API use ioctls instead of setxattr() and getxattr()?
833 :A: Abusing the xattr interface for basically arbitrary syscalls is
834     heavily frowned upon by most of the Linux filesystem developers.
835     An xattr should really just be an xattr on-disk, not an API to
836     e.g. magically trigger construction of a Merkle tree.
837
838 :Q: Does fs-verity support remote filesystems?
839 :A: So far all filesystems that have implemented fs-verity support are
840     local filesystems, but in principle any filesystem that can store
841     per-file verity metadata can support fs-verity, regardless of
842     whether it's local or remote.  Some filesystems may have fewer
843     options of where to store the verity metadata; one possibility is
844     to store it past the end of the file and "hide" it from userspace
845     by manipulating i_size.  The data verification functions provided
846     by ``fs/verity/`` also assume that the filesystem uses the Linux
847     pagecache, but both local and remote filesystems normally do so.
848
849 :Q: Why is anything filesystem-specific at all?  Shouldn't fs-verity
850     be implemented entirely at the VFS level?
851 :A: There are many reasons why this is not possible or would be very
852     difficult, including the following:
853
854     - To prevent bypassing verification, folios must not be marked
855       Uptodate until they've been verified.  Currently, each
856       filesystem is responsible for marking folios Uptodate via
857       ``->readahead()``.  Therefore, currently it's not possible for
858       the VFS to do the verification on its own.  Changing this would
859       require significant changes to the VFS and all filesystems.
860
861     - It would require defining a filesystem-independent way to store
862       the verity metadata.  Extended attributes don't work for this
863       because (a) the Merkle tree may be gigabytes, but many
864       filesystems assume that all xattrs fit into a single 4K
865       filesystem block, and (b) ext4 and f2fs encryption doesn't
866       encrypt xattrs, yet the Merkle tree *must* be encrypted when the
867       file contents are, because it stores hashes of the plaintext
868       file contents.
869
870       So the verity metadata would have to be stored in an actual
871       file.  Using a separate file would be very ugly, since the
872       metadata is fundamentally part of the file to be protected, and
873       it could cause problems where users could delete the real file
874       but not the metadata file or vice versa.  On the other hand,
875       having it be in the same file would break applications unless
876       filesystems' notion of i_size were divorced from the VFS's,
877       which would be complex and require changes to all filesystems.
878
879     - It's desirable that FS_IOC_ENABLE_VERITY uses the filesystem's
880       transaction mechanism so that either the file ends up with
881       verity enabled, or no changes were made.  Allowing intermediate
882       states to occur after a crash may cause problems.