Windows/BitLocker

Windows/BitLocker

BitLocker 是 Windows 自带的全盘加密方案，可以完整加密整个硬盘分区。BitLocker 默认使用 AES-128 加密（组策略可以配置为使用 AES-192 或 AES-256）。对于现代 CPU (支持 AES-NI 指令集) 和 SSD 固态硬盘，启用 BitLocker 带来的性能损失可以忽略不计（例外：某些 SandForce 等主控的 SSD 自带写入数据压缩功能，加密会导致数据无法被压缩，对于这种情况性能会有大幅度下降）。对于 HDD 机械硬盘，启用 BitLocker 后对写入性能有较大影响（一些测试显示启用 BitLocker 后 HDD写入性能下降了一半以上），但对读取性能影响不大(<5%)。

相对于其它全盘加密方案（例如 VeraCrypt），BitLocker 最大的缺点是不提供 Plausible deniability。

概述

概念

  • 主密钥(Full Volume Encryption Key, FVEK)：Bitlocker 最终用于加/解密硬盘分区的 AES 密钥。密钥本身通过 Protector 加密后的密文保存在硬盘物理扇区里。
  • Protector : 用于加密密钥。一个 Bitlocker 加密的硬盘分区可以存在多种类型的不同 Protector（通过每种 Protector 加密后的密钥密文都会保存在硬盘扇区里）。每个 Protector 都可以单独解密密钥。

BitLocker 支持的 Protector 类型：

  • Recovery Password (Numerical Password) (-RecoveryPassword) : BitLocker 生成的 48 位的随机数字密码。Windows 里通过 GUI 创建 BitLocker 加密卷时会强制要求生成。可以之后通过 CLI 删除。就信息熵而言 48位数字 ≈ 160 bits (Math.log(10)/Math.log(2) * 48)，超过了 AES-128 的密钥长度，所以这个48位数字的“密码强度”是非常高的。但仍然低于 AES-192 / AES-256。如果为了提高安全性而配置了组策略使 BitLocker 使用 AES-192 或 AES-256，必须删除 Recovery Password 这种 protector，否则 192 / 256位的密钥长度就毫无意义。
  • TPM (-tpm) : BitLocker 默认使用的 Protector。使用TPM在启动时自动解锁硬盘。如果 TPM 发现/认为当前启动环境异常或不安全，会拒绝解锁硬盘。
  • TPM + pin (-TPMAndPIN)
  • Password (-Password) (默认不支持，需要在 gpedit.msc 里启用)
  • External Key : 通过一个 *.BEK KEY 文件加密。在 Windows BitLocker 的管理界面里对非系统盘 Turn on auto-unlock 时会自动创建对应分区的 External Key protector 并将内容保存到注册表 Computer\HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\FVEAutoUnlock 路径下。

如果使用了 pin 或 password，机器启动时必须通过本地键盘输入密码（TPM + pin 模式下可以开启远程解锁通过网络提供 PIN，但实际的配置和使用方式非常麻烦）。

对于 TPM + pin 这种 Protector 模式，实际使用的 key 仍然只存放在 TPM 里（PIN does not become part of the key），只是通过 TPM 提供的验证机制要求用户开机时输入 PIN 而已。本质上 TPM 和 TPM + pin 模式的安全性没有任何差别。如果攻击者控制了 TPM，仍然可以无需 PIN 即解密硬盘。

强烈建议不要使用 TPM （或 TPM+pin）作为 Protector。TPM 可以被轻易攻击：

  • 中国大陆等地区销售的 PC 的 TPM 很可能存在后门，允许政府机构直接解密密钥。
  • TPM 通过 LPC 总线与主板连接并明文交互数据，攻击者可以在主板上焊接特制的 fPGA 芯片轻易从 LPC 总线上提取出 TPM 里存储的密钥。
  • TPM 保护的 BitLocker 极易受冷启动攻击(Memory (DRAM) remanence) 攻击！即使 PC 出于完全关机状态下也会受到此类攻击（TPM + pin 方式可以阻止完全关机状态下的此类攻击）。
  • TPM 保护的 BitLocker 同样极易受 DMA 攻击。如果设备上有 PCI-E / m2 插槽或雷电 / USB 4.0 等接口，攻击者可以轻松使用特制的硬件或软件(例如：pcileech)直接 dump 出整个系统内存并从中提取出硬盘密钥。参考这个资料。

总之，如果你的安全威胁模型里包含任何专业的对手而非仅仅是脚本小子，你都绝对不应该依赖 TPM 提供保护。

配置 (组策略)

gpedit.msc

Local Computer Policy > Computer Configuration > Administrative Templates > Windows Components > BitLocker Drive Encryption > Operating System Drives :

  • Require additional authentication at startup: 可以选中 Allow Bitlocker without a compatible TPM (requires a password or a startup key on a USB flash drive)
  • Allow enhanced PINs for startup : 允许 pin 可以使用字母和符号。

启动流程

参考资料

  1. bios 初始化，cpu 对 bios /固件 进行验证，保证固件是可信的。但有些平台未正确配置验证，带来了风险。
  2. 固件初始化 TPM 。TPM 挂在 LPC 总线上，是可以被监听通信并窃取加密 key 的，成本也不高，用 FPGA 搞的。
    TPM 本身也会对主板 /固件进行一些验证，发生变化了则得不到解密的 key 。所以换主板基本不行的，倒是 tpm 可能有后门。
    固件读取硬盘的未加密分区上的 bootmgr/bootmgfw.efi 并执行，理论上你可以替代 Windows bootmgr 为恶意软件，但是：
    • TPM 可能检测到这一变化，拒绝放出 key，出现 bitlocker 恢复，要求提供 48 位 recovery pw 。不专业的用户可能会输入，然后密码被偷。
    • 在启用了 UEFI Secure Boot 的平台上，若恶意 bootloader 未签名，固件会拒绝启动，并提出警告通知用户系统可能被攻击。
    • 若攻击者有办法签名：如果利用 grub2 等工具的漏洞执行恶意代码，但也拿不到 tpm 的 key，因为 linux 的 grub 和微软 bootmgr 用的 UEFI SB 证书链不一样，导致 pcr7 变化，tpm 不会放出 key. 除非能搞到微软的 CA 私钥来攻击你。。。
    • 一些平台使用 UEFI SB + TPM2 + PCR7 时有严重漏洞，用一些手段能让 tpm 错误地给出 key 。
  3. 若上面的步骤都正常，bootmgr 解密 c 盘，并启动 Windows 内核，后续就没 tpm 啥事了。

启动后 C 盘确实解锁了，但 key 在内存里，要小心的攻击：液氮冰冻内存，然后读取内存数据很到密钥。所以要小心机器睡眠(sleep) (不要和休眠(hibernate)混淆，后者内存会断电)。以及雷电接口 /1394/pci-e 设备 dma 偷数据，此处 @AppleBootCamp /doge/

所以至少两个分区：

  • system/ efi system：未加密，内有 Windows bootmgr 引导代码，这些代码就 uefi sb/tpm 验证。
  • Windows 的 C 盘：加密分区

Bitlocker 的技术名词

  • 解密：把数据变成未加密存回硬盘。
  • 解锁：打开加密的卷，密钥存储在内存中，重启就会丢失。数据加解密在内存中进行，没有明文内容写在硬盘中。
  • 暂停保护：把钥匙(以明文形式)直接写在硬盘里。有极少数情况需要暂停保护，比如更新 bios 等操作时肯定会触发 pcr 改变的情况，数据加解密于内存中进行，写入硬盘的数据仍然是加密形式的。

对普通人来说，能做到最好的情况就是：
tpm + pin + usb key 三重验证，次一点就是 tpm + 启动 pin 验证(不是登陆界面那个 pin) ，最差也就 tpm 了。

管理 Bitlocker

控制面板(control) - Bitlocker 界面功能不全，建议使用 CLI 工具 manage-bde 管理 Bitlocker。

查看加密硬盘信息

manage-bde -protectors D: -get

输出结果：

BitLocker Drive Encryption: Configuration Tool version 10.0.19041
Copyright (C) 2013 Microsoft Corporation. All rights reserved.

Volume D: [Data]
All Key Protectors

    Password:
      ID: {FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF}

    External Key:
      ID: {FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF}
      External Key File Name:
        FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF.BEK

    Numerical Password:
      ID: {FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF}
      Password:
        123456-123456-123456-123456-123456-123456-123456-123456

    External Key:
      ID: {FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF}
      External Key File Name:
        FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF.BEK
      Automatic unlock enabled.

其中显示的 "Numerical Password" 的 ID 就是对应硬盘分区的 disk identifier。其 Password 就是可以用于解密该分区的 Recovery Key。

更换 Protector

TPM => password

注意 Windows 默认不允许对系统盘使用 password 这种 protector，需要通过 gpedit.msc 开启：

Computer Configuration → Administrative Templates → Windows Components → BitLocker Drive Encryption → Operating System Drives:

Configure use of passwords for operating system drives: 设为 enabled

// 查看当前的所有 protectors
manage-bde -protectors C: -get

// 移除 C 盘(系统盘)现有的所有 Protectors (包括 Recovery Password !)。注意会同时将 C 盘 bitlocker 状态变为 Protection Suspended。
manage-bde -protectors C: -delete

// 或者只删除 TPM 的 protector
manage-bde -protectors C: -delete -id {FFFFFFFF-FFFF-FFFF-FFFF-FFFFFFFFFFFF}

// 配置使用密码保护密钥。
// 必须先删除 TPM 的 protector 才能添加 password。
manage-bde -protectors C: -add -Password

// 恢复 Bitlocker 保护状态
manage-bde -resume C:

// 可选：重新创建 Recovery Password 并保存。
manage-bde -protectors C: -add  -RecoveryPassword
Last update: 2023-01-19 12:36:21 UTC