Documentation/admin-guide/device-mapper/dm-integrity.rst

   1 ============
   2 dm-integrity
   3 ============
   4
   5 The dm-integrity target emulates a block device that has additional
   6 per-sector tags that can be used for storing integrity information.
   7
   8 A general problem with storing integrity tags with every sector is that
   9 writing the sector and the integrity tag must be atomic - i.e. in case of
  10 crash, either both sector and integrity tag or none of them is written.
  11
  12 To guarantee write atomicity, the dm-integrity target uses journal, it
  13 writes sector data and integrity tags into a journal, commits the journal
  14 and then copies the data and integrity tags to their respective location.
  15
  16 The dm-integrity target can be used with the dm-crypt target - in this
  17 situation the dm-crypt target creates the integrity data and passes them
  18 to the dm-integrity target via bio_integrity_payload attached to the bio.
  19 In this mode, the dm-crypt and dm-integrity targets provide authenticated
  20 disk encryption - if the attacker modifies the encrypted device, an I/O
  21 error is returned instead of random data.
  22
  23 The dm-integrity target can also be used as a standalone target, in this
  24 mode it calculates and verifies the integrity tag internally. In this
  25 mode, the dm-integrity target can be used to detect silent data
  26 corruption on the disk or in the I/O path.
  27
  28 There's an alternate mode of operation where dm-integrity uses bitmap
  29 instead of a journal. If a bit in the bitmap is 1, the corresponding
  30 region's data and integrity tags are not synchronized - if the machine
  31 crashes, the unsynchronized regions will be recalculated. The bitmap mode
  32 is faster than the journal mode, because we don't have to write the data
  33 twice, but it is also less reliable, because if data corruption happens
  34 when the machine crashes, it may not be detected.
  35
  36 When loading the target for the first time, the kernel driver will format
  37 the device. But it will only format the device if the superblock contains
  38 zeroes. If the superblock is neither valid nor zeroed, the dm-integrity
  39 target can't be loaded.
  40
  41 To use the target for the first time:
  42
  43 1. overwrite the superblock with zeroes
  44 2. load the dm-integrity target with one-sector size, the kernel driver
  45    will format the device
  46 3. unload the dm-integrity target
  47 4. read the "provided_data_sectors" value from the superblock
  48 5. load the dm-integrity target with the the target size
  49    "provided_data_sectors"
  50 6. if you want to use dm-integrity with dm-crypt, load the dm-crypt target
  51    with the size "provided_data_sectors"
  52
  53
  54 Target arguments:
  55
  56 1. the underlying block device
  57
  58 2. the number of reserved sector at the beginning of the device - the
  59    dm-integrity won't read of write these sectors
  60
  61 3. the size of the integrity tag (if "-" is used, the size is taken from
  62    the internal-hash algorithm)
  63
  64 4. mode:
  65
  66         D - direct writes (without journal)
  67                 in this mode, journaling is
  68                 not used and data sectors and integrity tags are written
  69                 separately. In case of crash, it is possible that the data
  70                 and integrity tag doesn't match.
  71         J - journaled writes
  72                 data and integrity tags are written to the
  73                 journal and atomicity is guaranteed. In case of crash,
  74                 either both data and tag or none of them are written. The
  75                 journaled mode degrades write throughput twice because the
  76                 data have to be written twice.
  77         B - bitmap mode - data and metadata are written without any
  78                 synchronization, the driver maintains a bitmap of dirty
  79                 regions where data and metadata don't match. This mode can
  80                 only be used with internal hash.
  81         R - recovery mode - in this mode, journal is not replayed,
  82                 checksums are not checked and writes to the device are not
  83                 allowed. This mode is useful for data recovery if the
  84                 device cannot be activated in any of the other standard
  85                 modes.
  86
  87 5. the number of additional arguments
  88
  89 Additional arguments:
  90
  91 journal_sectors:number
  92         The size of journal, this argument is used only if formatting the
  93         device. If the device is already formatted, the value from the
  94         superblock is used.
  95
  96 interleave_sectors:number
  97         The number of interleaved sectors. This values is rounded down to
  98         a power of two. If the device is already formatted, the value from
  99         the superblock is used.
 100
 101 meta_device:device
 102         Don't interleave the data and metadata on on device. Use a
 103         separate device for metadata.
 104
 105 buffer_sectors:number
 106         The number of sectors in one buffer. The value is rounded down to
 107         a power of two.
 108
 109         The tag area is accessed using buffers, the buffer size is
 110         configurable. The large buffer size means that the I/O size will
 111         be larger, but there could be less I/Os issued.
 112
 113 journal_watermark:number
 114         The journal watermark in percents. When the size of the journal
 115         exceeds this watermark, the thread that flushes the journal will
 116         be started.
 117
 118 commit_time:number
 119         Commit time in milliseconds. When this time passes, the journal is
 120         written. The journal is also written immediatelly if the FLUSH
 121         request is received.
 122
 123 internal_hash:algorithm(:key)   (the key is optional)
 124         Use internal hash or crc.
 125         When this argument is used, the dm-integrity target won't accept
 126         integrity tags from the upper target, but it will automatically
 127         generate and verify the integrity tags.
 128
 129         You can use a crc algorithm (such as crc32), then integrity target
 130         will protect the data against accidental corruption.
 131         You can also use a hmac algorithm (for example
 132         "hmac(sha256):0123456789abcdef"), in this mode it will provide
 133         cryptographic authentication of the data without encryption.
 134
 135         When this argument is not used, the integrity tags are accepted
 136         from an upper layer target, such as dm-crypt. The upper layer
 137         target should check the validity of the integrity tags.
 138
 139 recalculate
 140         Recalculate the integrity tags automatically. It is only valid
 141         when using internal hash.
 142
 143 journal_crypt:algorithm(:key)   (the key is optional)
 144         Encrypt the journal using given algorithm to make sure that the
 145         attacker can't read the journal. You can use a block cipher here
 146         (such as "cbc(aes)") or a stream cipher (for example "chacha20",
 147         "salsa20", "ctr(aes)" or "ecb(arc4)").
 148
 149         The journal contains history of last writes to the block device,
 150         an attacker reading the journal could see the last sector nubmers
 151         that were written. From the sector numbers, the attacker can infer
 152         the size of files that were written. To protect against this
 153         situation, you can encrypt the journal.
 154
 155 journal_mac:algorithm(:key)     (the key is optional)
 156         Protect sector numbers in the journal from accidental or malicious
 157         modification. To protect against accidental modification, use a
 158         crc algorithm, to protect against malicious modification, use a
 159         hmac algorithm with a key.
 160
 161         This option is not needed when using internal-hash because in this
 162         mode, the integrity of journal entries is checked when replaying
 163         the journal. Thus, modified sector number would be detected at
 164         this stage.
 165
 166 block_size:number
 167         The size of a data block in bytes.  The larger the block size the
 168         less overhead there is for per-block integrity metadata.
 169         Supported values are 512, 1024, 2048 and 4096 bytes.  If not
 170         specified the default block size is 512 bytes.
 171
 172 sectors_per_bit:number
 173         In the bitmap mode, this parameter specifies the number of
 174         512-byte sectors that corresponds to one bitmap bit.
 175
 176 bitmap_flush_interval:number
 177         The bitmap flush interval in milliseconds. The metadata buffers
 178         are synchronized when this interval expires.
 179
 180 legacy_recalculate
 181         Allow recalculating of volumes with HMAC keys. This is disabled by
 182         default for security reasons - an attacker could modify the volume,
 183         set recalc_sector to zero, and the kernel would not detect the
 184         modification.
 185
 186
 187 The journal mode (D/J), buffer_sectors, journal_watermark, commit_time can
 188 be changed when reloading the target (load an inactive table and swap the
 189 tables with suspend and resume). The other arguments should not be changed
 190 when reloading the target because the layout of disk data depend on them
 191 and the reloaded target would be non-functional.
 192
 193
 194 The layout of the formatted block device:
 195
 196 * reserved sectors
 197     (they are not used by this target, they can be used for
 198     storing LUKS metadata or for other purpose), the size of the reserved
 199     area is specified in the target arguments
 200
 201 * superblock (4kiB)
 202         * magic string - identifies that the device was formatted
 203         * version
 204         * log2(interleave sectors)
 205         * integrity tag size
 206         * the number of journal sections
 207         * provided data sectors - the number of sectors that this target
 208           provides (i.e. the size of the device minus the size of all
 209           metadata and padding). The user of this target should not send
 210           bios that access data beyond the "provided data sectors" limit.
 211         * flags
 212             SB_FLAG_HAVE_JOURNAL_MAC
 213                 - a flag is set if journal_mac is used
 214             SB_FLAG_RECALCULATING
 215                 - recalculating is in progress
 216             SB_FLAG_DIRTY_BITMAP
 217                 - journal area contains the bitmap of dirty
 218                   blocks
 219         * log2(sectors per block)
 220         * a position where recalculating finished
 221 * journal
 222         The journal is divided into sections, each section contains:
 223
 224         * metadata area (4kiB), it contains journal entries
 225
 226           - every journal entry contains:
 227
 228                 * logical sector (specifies where the data and tag should
 229                   be written)
 230                 * last 8 bytes of data
 231                 * integrity tag (the size is specified in the superblock)
 232
 233           - every metadata sector ends with
 234
 235                 * mac (8-bytes), all the macs in 8 metadata sectors form a
 236                   64-byte value. It is used to store hmac of sector
 237                   numbers in the journal section, to protect against a
 238                   possibility that the attacker tampers with sector
 239                   numbers in the journal.
 240                 * commit id
 241
 242         * data area (the size is variable; it depends on how many journal
 243           entries fit into the metadata area)
 244
 245             - every sector in the data area contains:
 246
 247                 * data (504 bytes of data, the last 8 bytes are stored in
 248                   the journal entry)
 249                 * commit id
 250
 251         To test if the whole journal section was written correctly, every
 252         512-byte sector of the journal ends with 8-byte commit id. If the
 253         commit id matches on all sectors in a journal section, then it is
 254         assumed that the section was written correctly. If the commit id
 255         doesn't match, the section was written partially and it should not
 256         be replayed.
 257
 258 * one or more runs of interleaved tags and data.
 259     Each run contains:
 260
 261         * tag area - it contains integrity tags. There is one tag for each
 262           sector in the data area
 263         * data area - it contains data sectors. The number of data sectors
 264           in one run must be a power of two. log2 of this value is stored
 265           in the superblock.