内核加密机制及应用

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原创最新推荐文章于 2026-08-23 16:48:17 发布 4.3k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

透明加密与TDE：Linux内核文件系统加密原理与实操选型指南数据加密是保障信息安全的关键技术，但传统应用层加密往往要求开发者主动调用加解密接口，带来高昂的改造成本和人为疏漏风险。透明加密则将加解密能力下沉至操作系统内核、文件系统或数据库引擎，对上层应用完全透明。其核心原理是在磁盘读写路径上自动完成加解密，使落盘数据始终为密文，同时集中管理密钥生命周期。这种技术广泛应用于数据库透明数据加密（TDE）、Linux内核fscrypt文件加密及LUKS整盘加密等场景，能有效抵御备份泄露和存储介质失窃风险，并极大降低存量系统改造难度。理解透明加密的安全边界与性能开销，掌握密钥阅读详情

内核加密机制

linux 3.3.8

总体框架

仅显示关键结构

这里写图片描述

内核加密机制在内核中保存两个全局链表crypto_template_list和crypto_alg_list

crypto_template_list 保存所有的加密方式
- e.g cbc ecb
crypto_alg_list 保存所有的加密算法
- e.g md5 sha128 aes

crypto_template_list由各个算法通过crypto_register_template函数添加到链表中

crypto_alg_list由各个算法通过crypto_register_alg函数添加到链表中

数据结构说明

crypto_alg结构可以理解为真正保存加密接口的一个通用结构

struct list_head cra_users;

指向crypto_spawn结构所在的链表

union cra_u;

union {
struct ablkcipher_alg ablkcipher;
  struct aead_alg aead;
struct blkcipher_alg blkcipher;
struct cipher_alg cipher;
struct compress_alg compress;
struct rng_alg rng;
} cra_u;

xxxxxx_alg结构体说明

保存实际算法实现的函数接口和算法相关信息

blkcipher_alg

struct blkcipher_alg {
  int (* setkey) (struct crypto_tfm *tfm, const u8 *key,unsigned int keylen);
  int (* encrypt) (struct blkcipher_desc *desc,struct scatterlist *dst, struct scatterlist *src,unsigned int nbytes);
  int (* decrypt) (struct blkcipher_desc *desc,struct scatterlist *dst, struct scatterlist *src,unsigned int nbytes);
  const char * geniv;
  unsigned int min_keysize;
  unsigned int max_keysize;
  unsigned int ivsize;
};

int (* setkey)

将产生的密钥及其相关信息保存在crypto_tfm结构的__crt_ctx[]部分。

同它也负责检查密钥长度的合法性，以防在cra_init函数调用时，使用密钥长度与实际设置长度不符。
int (* encrypt)

加密存放在scatterlist里面的数据，需要对齐scatterlist并且确保每一个加密块大小已经设置好

这个函数不应该去修改__crt_ctx[]部分数据
int (* decrypt)

环境与encrypt一致过程与encrypt相反

union中结构初始化流程
- cipher
首先由算法本身实现xxxxx_alg结构体的初始化，通过xxx_mod_init函数调用crypto_register_xxxxx函数将xxxxx_alg传递到crypto_alg结构体中

通过__crypto_register_alg函数将当前crypto_alg结构体添加到crypto_alg_list链表当中

至此加密算法在内核中已成功注册
- ablkcipher/rng/aead/blkcipher/compress
首先由算法本身实现crypto_alg结构体的初始化，使用crypto_register_alg函数调用__crypto_register_alg函数

将当前crypto_alg结构体添加到crypto_alg_list链表当中，至此xxxxx_alg算法在内核中已成功注册

crypto_template结构是通用组合算法的模板

struct hlist_head instances;

该字段保存temp下所有的实例
struct crypto_instance *(*alloc)(struct rtattr **tb);

每个算法在该函数中保存自己的模板

crypto_instance结构就是加密方式的一个实例对象通过函数XXXX_alloc_instance

struct crypto_alg alg;

该算法实现的函数接口
struct crypto_template *tmpl;

算法实例对应的模板
void *__ctx[];

保存crypto_spawn结构

crypto_spawn结构保存加密算法和加密方式的所有信息，以便之后通过crypto_spawn_tfm生成crypto_tfm的对象

struct crypto_alg *alg;

保存的加密算法的接口
struct crypto_instance *inst;

保存的加密方式的接口

Ps.以上结构体在内存中一直存在

crypto_tfm结构是内核中真正组合算法的实例化对象，真正的操作对象

union crt_u;

union {
struct ablkcipher_tfm ablkcipher;
struct aead_tfm aead;
struct blkcipher_tfm blkcipher;
struct cipher_tfm cipher;
struct hash_tfm hash;
struct compress_tfm compress;
struct rng_tfm rng;
} crt_u;

保存算法能够正常使用的最基本参数和函数接口

void *__crt_ctx[];

保存加密算法注册的结构体的相关内容

常用来保存加密算法密钥的相关信息

算法组合流程

仅涉及密钥加解密过程时，不需要算法的组合

crypto_xxxx_alloc
|                          run kthread(cryptomgr_probe)
+---->crypto_get_attr_alg-------------------------------> cryptomgr_probe[get crypto_alg]
|
+---->crypto_alloc_instance----> crypto_init_spawn[combine crypto_instance and crypto_alg]

函数中数据结构的传递

e.g  xxxx = shash
xxxxxx_desc
     |
     +--->crypto_xxxxx
              |
              +---->crypto_tfm
                        |
                        +---> xxxx_tfm
                        |
                        +---> crypto_alg
                                  |
                                  +----> xxxx_alg

Ecryptfs中的使用

加密算法

确定算法

使用crypto_alloc_hash函数设置使用的算法

crypto_alloc_hash(ECRYPTFS_DEFAULT_HASH, 0, CRYPTO_ALG_ASYNC);
/* ECRYPTFS_DEFAULT_HASH 该字段设置算法 */

模块注册

init update final详细流程

以MD5为例介绍内核加密模块在内核中的注册过程

/* crypto/md5.c */
static struct shash_alg alg = {
    .digestsize =   MD5_DIGEST_SIZE,
    .init       =   md5_init,
    .update     =   md5_update,
    .final      =   md5_final,
    .export     =   md5_export,
    .import     =   md5_import,
    .descsize   =   sizeof(struct md5_state),
    .statesize  =   sizeof(struct md5_state),
    .base       =   {
        .cra_name   =   "md5",
        .cra_flags  =   CRYPTO_ALG_TYPE_SHASH,
        .cra_blocksize  =   MD5_HMAC_BLOCK_SIZE,
        .cra_module =   THIS_MODULE,
    }
};

首先由算法本身实现shash_alg结构体的初始化，通过md5_mod_init函数调用crypto_register_shash函数将shash_alg传递到crypto_alg结构体中

通过__crypto_register_alg函数将当前crypto_alg结构体添加到crypto_alg_list链表当中

至此加密算法在内核中已成功注册

加密方式

确定算法

通过ecryptfs_crypto_api_algify_cipher_name函数设置加密方式

ecryptfs_crypto_api_algify_cipher_name(&full_alg_name, crypt_stat->cipher, "cbc");
/* crypt_stat->cipher为加密算法 cbc为加密模式 */

模块注册

以cbc(aes)为例介绍在内核模块中的注册流程

static struct crypto_template crypto_cbc_tmpl = {
    .name = "cbc",
    .alloc = crypto_cbc_alloc,
    .free = crypto_cbc_free,
    .module = THIS_MODULE,
};

首先在结构体中初始化相关字段保存在crypto_template结构体中，通过crypto_cbc_module_init函数调用crypto_register_template函数将crypto_template结构体插入crypto_template_list链表中以完成注册