Merge tag 'mips_4.16' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/jhogan/mips
[sfrench/cifs-2.6.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 fscrypt is only resistant to side-channel attacks, such as timing or
76 electromagnetic attacks, to the extent that the underlying Linux
77 Cryptographic API algorithms are.  If a vulnerable algorithm is used,
78 such as a table-based implementation of AES, it may be possible for an
79 attacker to mount a side channel attack against the online system.
80 Side channel attacks may also be mounted against applications
81 consuming decrypted data.
82
83 After an encryption key has been provided, fscrypt is not designed to
84 hide the plaintext file contents or filenames from other users on the
85 same system, regardless of the visibility of the keyring key.
86 Instead, existing access control mechanisms such as file mode bits,
87 POSIX ACLs, LSMs, or mount namespaces should be used for this purpose.
88 Also note that as long as the encryption keys are *anywhere* in
89 memory, an online attacker can necessarily compromise them by mounting
90 a physical attack or by exploiting any kernel security vulnerability
91 which provides an arbitrary memory read primitive.
92
93 While it is ostensibly possible to "evict" keys from the system,
94 recently accessed encrypted files will remain accessible at least
95 until the filesystem is unmounted or the VFS caches are dropped, e.g.
96 using ``echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches``.  Even after that, if the
97 RAM is compromised before being powered off, it will likely still be
98 possible to recover portions of the plaintext file contents, if not
99 some of the encryption keys as well.  (Since Linux v4.12, all
100 in-kernel keys related to fscrypt are sanitized before being freed.
101 However, userspace would need to do its part as well.)
102
103 Currently, fscrypt does not prevent a user from maliciously providing
104 an incorrect key for another user's existing encrypted files.  A
105 protection against this is planned.
106
107 Key hierarchy
108 =============
109
110 Master Keys
111 -----------
112
113 Each encrypted directory tree is protected by a *master key*.  Master
114 keys can be up to 64 bytes long, and must be at least as long as the
115 greater of the key length needed by the contents and filenames
116 encryption modes being used.  For example, if AES-256-XTS is used for
117 contents encryption, the master key must be 64 bytes (512 bits).  Note
118 that the XTS mode is defined to require a key twice as long as that
119 required by the underlying block cipher.
120
121 To "unlock" an encrypted directory tree, userspace must provide the
122 appropriate master key.  There can be any number of master keys, each
123 of which protects any number of directory trees on any number of
124 filesystems.
125
126 Userspace should generate master keys either using a cryptographically
127 secure random number generator, or by using a KDF (Key Derivation
128 Function).  Note that whenever a KDF is used to "stretch" a
129 lower-entropy secret such as a passphrase, it is critical that a KDF
130 designed for this purpose be used, such as scrypt, PBKDF2, or Argon2.
131
132 Per-file keys
133 -------------
134
135 Master keys are not used to encrypt file contents or names directly.
136 Instead, a unique key is derived for each encrypted file, including
137 each regular file, directory, and symbolic link.  This has several
138 advantages:
139
140 - In cryptosystems, the same key material should never be used for
141   different purposes.  Using the master key as both an XTS key for
142   contents encryption and as a CTS-CBC key for filenames encryption
143   would violate this rule.
144 - Per-file keys simplify the choice of IVs (Initialization Vectors)
145   for contents encryption.  Without per-file keys, to ensure IV
146   uniqueness both the inode and logical block number would need to be
147   encoded in the IVs.  This would make it impossible to renumber
148   inodes, which e.g. ``resize2fs`` can do when resizing an ext4
149   filesystem.  With per-file keys, it is sufficient to encode just the
150   logical block number in the IVs.
151 - Per-file keys strengthen the encryption of filenames, where IVs are
152   reused out of necessity.  With a unique key per directory, IV reuse
153   is limited to within a single directory.
154 - Per-file keys allow individual files to be securely erased simply by
155   securely erasing their keys.  (Not yet implemented.)
156
157 A KDF (Key Derivation Function) is used to derive per-file keys from
158 the master key.  This is done instead of wrapping a randomly-generated
159 key for each file because it reduces the size of the encryption xattr,
160 which for some filesystems makes the xattr more likely to fit in-line
161 in the filesystem's inode table.  With a KDF, only a 16-byte nonce is
162 required --- long enough to make key reuse extremely unlikely.  A
163 wrapped key, on the other hand, would need to be up to 64 bytes ---
164 the length of an AES-256-XTS key.  Furthermore, currently there is no
165 requirement to support unlocking a file with multiple alternative
166 master keys or to support rotating master keys.  Instead, the master
167 keys may be wrapped in userspace, e.g. as done by the `fscrypt
168 <https://github.com/google/fscrypt>`_ tool.
169
170 The current KDF encrypts the master key using the 16-byte nonce as an
171 AES-128-ECB key.  The output is used as the derived key.  If the
172 output is longer than needed, then it is truncated to the needed
173 length.  Truncation is the norm for directories and symlinks, since
174 those use the CTS-CBC encryption mode which requires a key half as
175 long as that required by the XTS encryption mode.
176
177 Note: this KDF meets the primary security requirement, which is to
178 produce unique derived keys that preserve the entropy of the master
179 key, assuming that the master key is already a good pseudorandom key.
180 However, it is nonstandard and has some problems such as being
181 reversible, so it is generally considered to be a mistake!  It may be
182 replaced with HKDF or another more standard KDF in the future.
183
184 Encryption modes and usage
185 ==========================
186
187 fscrypt allows one encryption mode to be specified for file contents
188 and one encryption mode to be specified for filenames.  Different
189 directory trees are permitted to use different encryption modes.
190 Currently, the following pairs of encryption modes are supported:
191
192 - AES-256-XTS for contents and AES-256-CTS-CBC for filenames
193 - AES-128-CBC for contents and AES-128-CTS-CBC for filenames
194
195 It is strongly recommended to use AES-256-XTS for contents encryption.
196 AES-128-CBC was added only for low-powered embedded devices with
197 crypto accelerators such as CAAM or CESA that do not support XTS.
198
199 New encryption modes can be added relatively easily, without changes
200 to individual filesystems.  However, authenticated encryption (AE)
201 modes are not currently supported because of the difficulty of dealing
202 with ciphertext expansion.
203
204 For file contents, each filesystem block is encrypted independently.
205 Currently, only the case where the filesystem block size is equal to
206 the system's page size (usually 4096 bytes) is supported.  With the
207 XTS mode of operation (recommended), the logical block number within
208 the file is used as the IV.  With the CBC mode of operation (not
209 recommended), ESSIV is used; specifically, the IV for CBC is the
210 logical block number encrypted with AES-256, where the AES-256 key is
211 the SHA-256 hash of the inode's data encryption key.
212
213 For filenames, the full filename is encrypted at once.  Because of the
214 requirements to retain support for efficient directory lookups and
215 filenames of up to 255 bytes, a constant initialization vector (IV) is
216 used.  However, each encrypted directory uses a unique key, which
217 limits IV reuse to within a single directory.  Note that IV reuse in
218 the context of CTS-CBC encryption means that when the original
219 filenames share a common prefix at least as long as the cipher block
220 size (16 bytes for AES), the corresponding encrypted filenames will
221 also share a common prefix.  This is undesirable; it may be fixed in
222 the future by switching to an encryption mode that is a strong
223 pseudorandom permutation on arbitrary-length messages, e.g. the HEH
224 (Hash-Encrypt-Hash) mode.
225
226 Since filenames are encrypted with the CTS-CBC mode of operation, the
227 plaintext and ciphertext filenames need not be multiples of the AES
228 block size, i.e. 16 bytes.  However, the minimum size that can be
229 encrypted is 16 bytes, so shorter filenames are NUL-padded to 16 bytes
230 before being encrypted.  In addition, to reduce leakage of filename
231 lengths via their ciphertexts, all filenames are NUL-padded to the
232 next 4, 8, 16, or 32-byte boundary (configurable).  32 is recommended
233 since this provides the best confidentiality, at the cost of making
234 directory entries consume slightly more space.  Note that since NUL
235 (``\0``) is not otherwise a valid character in filenames, the padding
236 will never produce duplicate plaintexts.
237
238 Symbolic link targets are considered a type of filename and are
239 encrypted in the same way as filenames in directory entries.  Each
240 symlink also uses a unique key; hence, the hardcoded IV is not a
241 problem for symlinks.
242
243 User API
244 ========
245
246 Setting an encryption policy
247 ----------------------------
248
249 The FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY ioctl sets an encryption policy on an
250 empty directory or verifies that a directory or regular file already
251 has the specified encryption policy.  It takes in a pointer to a
252 :c:type:`struct fscrypt_policy`, defined as follows::
253
254     #define FS_KEY_DESCRIPTOR_SIZE  8
255
256     struct fscrypt_policy {
257             __u8 version;
258             __u8 contents_encryption_mode;
259             __u8 filenames_encryption_mode;
260             __u8 flags;
261             __u8 master_key_descriptor[FS_KEY_DESCRIPTOR_SIZE];
262     };
263
264 This structure must be initialized as follows:
265
266 - ``version`` must be 0.
267
268 - ``contents_encryption_mode`` and ``filenames_encryption_mode`` must
269   be set to constants from ``<linux/fs.h>`` which identify the
270   encryption modes to use.  If unsure, use
271   FS_ENCRYPTION_MODE_AES_256_XTS (1) for ``contents_encryption_mode``
272   and FS_ENCRYPTION_MODE_AES_256_CTS (4) for
273   ``filenames_encryption_mode``.
274
275 - ``flags`` must be set to a value from ``<linux/fs.h>`` which
276   identifies the amount of NUL-padding to use when encrypting
277   filenames.  If unsure, use FS_POLICY_FLAGS_PAD_32 (0x3).
278
279 - ``master_key_descriptor`` specifies how to find the master key in
280   the keyring; see `Adding keys`_.  It is up to userspace to choose a
281   unique ``master_key_descriptor`` for each master key.  The e4crypt
282   and fscrypt tools use the first 8 bytes of
283   ``SHA-512(SHA-512(master_key))``, but this particular scheme is not
284   required.  Also, the master key need not be in the keyring yet when
285   FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY is executed.  However, it must be added
286   before any files can be created in the encrypted directory.
287
288 If the file is not yet encrypted, then FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY
289 verifies that the file is an empty directory.  If so, the specified
290 encryption policy is assigned to the directory, turning it into an
291 encrypted directory.  After that, and after providing the
292 corresponding master key as described in `Adding keys`_, all regular
293 files, directories (recursively), and symlinks created in the
294 directory will be encrypted, inheriting the same encryption policy.
295 The filenames in the directory's entries will be encrypted as well.
296
297 Alternatively, if the file is already encrypted, then
298 FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY validates that the specified encryption
299 policy exactly matches the actual one.  If they match, then the ioctl
300 returns 0.  Otherwise, it fails with EEXIST.  This works on both
301 regular files and directories, including nonempty directories.
302
303 Note that the ext4 filesystem does not allow the root directory to be
304 encrypted, even if it is empty.  Users who want to encrypt an entire
305 filesystem with one key should consider using dm-crypt instead.
306
307 FS_IOC_SET_ENCRYPTION_POLICY can fail with the following errors:
308
309 - ``EACCES``: the file is not owned by the process's uid, nor does the
310   process have the CAP_FOWNER capability in a namespace with the file
311   owner's uid mapped
312 - ``EEXIST``: the file is already encrypted with an encryption policy
313   different from the one specified
314 - ``EINVAL``: an invalid encryption policy was specified (invalid
315   version, mode(s), or flags)
316 - ``ENOTDIR``: the file is unencrypted and is a regular file, not a
317   directory
318 - ``ENOTEMPTY``: the file is unencrypted and is a nonempty directory
319 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption
320 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
321   support for this filesystem, or the filesystem superblock has not
322   had encryption enabled on it.  (For example, to use encryption on an
323   ext4 filesystem, CONFIG_EXT4_ENCRYPTION must be enabled in the
324   kernel config, and the superblock must have had the "encrypt"
325   feature flag enabled using ``tune2fs -O encrypt`` or ``mkfs.ext4 -O
326   encrypt``.)
327 - ``EPERM``: this directory may not be encrypted, e.g. because it is
328   the root directory of an ext4 filesystem
329 - ``EROFS``: the filesystem is readonly
330
331 Getting an encryption policy
332 ----------------------------
333
334 The FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY ioctl retrieves the :c:type:`struct
335 fscrypt_policy`, if any, for a directory or regular file.  See above
336 for the struct definition.  No additional permissions are required
337 beyond the ability to open the file.
338
339 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_POLICY can fail with the following errors:
340
341 - ``EINVAL``: the file is encrypted, but it uses an unrecognized
342   encryption context format
343 - ``ENODATA``: the file is not encrypted
344 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement encryption
345 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with encryption
346   support for this filesystem
347
348 Note: if you only need to know whether a file is encrypted or not, on
349 most filesystems it is also possible to use the FS_IOC_GETFLAGS ioctl
350 and check for FS_ENCRYPT_FL, or to use the statx() system call and
351 check for STATX_ATTR_ENCRYPTED in stx_attributes.
352
353 Getting the per-filesystem salt
354 -------------------------------
355
356 Some filesystems, such as ext4 and F2FS, also support the deprecated
357 ioctl FS_IOC_GET_ENCRYPTION_PWSALT.  This ioctl retrieves a randomly
358 generated 16-byte value stored in the filesystem superblock.  This
359 value is intended to used as a salt when deriving an encryption key
360 from a passphrase or other low-entropy user credential.
361
362 FS_IOC_GET_ENCRYPTION_PWSALT is deprecated.  Instead, prefer to
363 generate and manage any needed salt(s) in userspace.
364
365 Adding keys
366 -----------
367
368 To provide a master key, userspace must add it to an appropriate
369 keyring using the add_key() system call (see:
370 ``Documentation/security/keys/core.rst``).  The key type must be
371 "logon"; keys of this type are kept in kernel memory and cannot be
372 read back by userspace.  The key description must be "fscrypt:"
373 followed by the 16-character lower case hex representation of the
374 ``master_key_descriptor`` that was set in the encryption policy.  The
375 key payload must conform to the following structure::
376
377     #define FS_MAX_KEY_SIZE 64
378
379     struct fscrypt_key {
380             u32 mode;
381             u8 raw[FS_MAX_KEY_SIZE];
382             u32 size;
383     };
384
385 ``mode`` is ignored; just set it to 0.  The actual key is provided in
386 ``raw`` with ``size`` indicating its size in bytes.  That is, the
387 bytes ``raw[0..size-1]`` (inclusive) are the actual key.
388
389 The key description prefix "fscrypt:" may alternatively be replaced
390 with a filesystem-specific prefix such as "ext4:".  However, the
391 filesystem-specific prefixes are deprecated and should not be used in
392 new programs.
393
394 There are several different types of keyrings in which encryption keys
395 may be placed, such as a session keyring, a user session keyring, or a
396 user keyring.  Each key must be placed in a keyring that is "attached"
397 to all processes that might need to access files encrypted with it, in
398 the sense that request_key() will find the key.  Generally, if only
399 processes belonging to a specific user need to access a given
400 encrypted directory and no session keyring has been installed, then
401 that directory's key should be placed in that user's user session
402 keyring or user keyring.  Otherwise, a session keyring should be
403 installed if needed, and the key should be linked into that session
404 keyring, or in a keyring linked into that session keyring.
405
406 Note: introducing the complex visibility semantics of keyrings here
407 was arguably a mistake --- especially given that by design, after any
408 process successfully opens an encrypted file (thereby setting up the
409 per-file key), possessing the keyring key is not actually required for
410 any process to read/write the file until its in-memory inode is
411 evicted.  In the future there probably should be a way to provide keys
412 directly to the filesystem instead, which would make the intended
413 semantics clearer.
414
415 Access semantics
416 ================
417
418 With the key
419 ------------
420
421 With the encryption key, encrypted regular files, directories, and
422 symlinks behave very similarly to their unencrypted counterparts ---
423 after all, the encryption is intended to be transparent.  However,
424 astute users may notice some differences in behavior:
425
426 - Unencrypted files, or files encrypted with a different encryption
427   policy (i.e. different key, modes, or flags), cannot be renamed or
428   linked into an encrypted directory; see `Encryption policy
429   enforcement`_.  Attempts to do so will fail with EPERM.  However,
430   encrypted files can be renamed within an encrypted directory, or
431   into an unencrypted directory.
432
433 - Direct I/O is not supported on encrypted files.  Attempts to use
434   direct I/O on such files will fall back to buffered I/O.
435
436 - The fallocate operations FALLOC_FL_COLLAPSE_RANGE,
437   FALLOC_FL_INSERT_RANGE, and FALLOC_FL_ZERO_RANGE are not supported
438   on encrypted files and will fail with EOPNOTSUPP.
439
440 - Online defragmentation of encrypted files is not supported.  The
441   EXT4_IOC_MOVE_EXT and F2FS_IOC_MOVE_RANGE ioctls will fail with
442   EOPNOTSUPP.
443
444 - The ext4 filesystem does not support data journaling with encrypted
445   regular files.  It will fall back to ordered data mode instead.
446
447 - DAX (Direct Access) is not supported on encrypted files.
448
449 - The st_size of an encrypted symlink will not necessarily give the
450   length of the symlink target as required by POSIX.  It will actually
451   give the length of the ciphertext, which will be slightly longer
452   than the plaintext due to NUL-padding and an extra 2-byte overhead.
453
454 - The maximum length of an encrypted symlink is 2 bytes shorter than
455   the maximum length of an unencrypted symlink.  For example, on an
456   EXT4 filesystem with a 4K block size, unencrypted symlinks can be up
457   to 4095 bytes long, while encrypted symlinks can only be up to 4093
458   bytes long (both lengths excluding the terminating null).
459
460 Note that mmap *is* supported.  This is possible because the pagecache
461 for an encrypted file contains the plaintext, not the ciphertext.
462
463 Without the key
464 ---------------
465
466 Some filesystem operations may be performed on encrypted regular
467 files, directories, and symlinks even before their encryption key has
468 been provided:
469
470 - File metadata may be read, e.g. using stat().
471
472 - Directories may be listed, in which case the filenames will be
473   listed in an encoded form derived from their ciphertext.  The
474   current encoding algorithm is described in `Filename hashing and
475   encoding`_.  The algorithm is subject to change, but it is
476   guaranteed that the presented filenames will be no longer than
477   NAME_MAX bytes, will not contain the ``/`` or ``\0`` characters, and
478   will uniquely identify directory entries.
479
480   The ``.`` and ``..`` directory entries are special.  They are always
481   present and are not encrypted or encoded.
482
483 - Files may be deleted.  That is, nondirectory files may be deleted
484   with unlink() as usual, and empty directories may be deleted with
485   rmdir() as usual.  Therefore, ``rm`` and ``rm -r`` will work as
486   expected.
487
488 - Symlink targets may be read and followed, but they will be presented
489   in encrypted form, similar to filenames in directories.  Hence, they
490   are unlikely to point to anywhere useful.
491
492 Without the key, regular files cannot be opened or truncated.
493 Attempts to do so will fail with ENOKEY.  This implies that any
494 regular file operations that require a file descriptor, such as
495 read(), write(), mmap(), fallocate(), and ioctl(), are also forbidden.
496
497 Also without the key, files of any type (including directories) cannot
498 be created or linked into an encrypted directory, nor can a name in an
499 encrypted directory be the source or target of a rename, nor can an
500 O_TMPFILE temporary file be created in an encrypted directory.  All
501 such operations will fail with ENOKEY.
502
503 It is not currently possible to backup and restore encrypted files
504 without the encryption key.  This would require special APIs which
505 have not yet been implemented.
506
507 Encryption policy enforcement
508 =============================
509
510 After an encryption policy has been set on a directory, all regular
511 files, directories, and symbolic links created in that directory
512 (recursively) will inherit that encryption policy.  Special files ---
513 that is, named pipes, device nodes, and UNIX domain sockets --- will
514 not be encrypted.
515
516 Except for those special files, it is forbidden to have unencrypted
517 files, or files encrypted with a different encryption policy, in an
518 encrypted directory tree.  Attempts to link or rename such a file into
519 an encrypted directory will fail with EPERM.  This is also enforced
520 during ->lookup() to provide limited protection against offline
521 attacks that try to disable or downgrade encryption in known locations
522 where applications may later write sensitive data.  It is recommended
523 that systems implementing a form of "verified boot" take advantage of
524 this by validating all top-level encryption policies prior to access.
525
526 Implementation details
527 ======================
528
529 Encryption context
530 ------------------
531
532 An encryption policy is represented on-disk by a :c:type:`struct
533 fscrypt_context`.  It is up to individual filesystems to decide where
534 to store it, but normally it would be stored in a hidden extended
535 attribute.  It should *not* be exposed by the xattr-related system
536 calls such as getxattr() and setxattr() because of the special
537 semantics of the encryption xattr.  (In particular, there would be
538 much confusion if an encryption policy were to be added to or removed
539 from anything other than an empty directory.)  The struct is defined
540 as follows::
541
542     #define FS_KEY_DESCRIPTOR_SIZE  8
543     #define FS_KEY_DERIVATION_NONCE_SIZE 16
544
545     struct fscrypt_context {
546             u8 format;
547             u8 contents_encryption_mode;
548             u8 filenames_encryption_mode;
549             u8 flags;
550             u8 master_key_descriptor[FS_KEY_DESCRIPTOR_SIZE];
551             u8 nonce[FS_KEY_DERIVATION_NONCE_SIZE];
552     };
553
554 Note that :c:type:`struct fscrypt_context` contains the same
555 information as :c:type:`struct fscrypt_policy` (see `Setting an
556 encryption policy`_), except that :c:type:`struct fscrypt_context`
557 also contains a nonce.  The nonce is randomly generated by the kernel
558 and is used to derive the inode's encryption key as described in
559 `Per-file keys`_.
560
561 Data path changes
562 -----------------
563
564 For the read path (->readpage()) of regular files, filesystems can
565 read the ciphertext into the page cache and decrypt it in-place.  The
566 page lock must be held until decryption has finished, to prevent the
567 page from becoming visible to userspace prematurely.
568
569 For the write path (->writepage()) of regular files, filesystems
570 cannot encrypt data in-place in the page cache, since the cached
571 plaintext must be preserved.  Instead, filesystems must encrypt into a
572 temporary buffer or "bounce page", then write out the temporary
573 buffer.  Some filesystems, such as UBIFS, already use temporary
574 buffers regardless of encryption.  Other filesystems, such as ext4 and
575 F2FS, have to allocate bounce pages specially for encryption.
576
577 Filename hashing and encoding
578 -----------------------------
579
580 Modern filesystems accelerate directory lookups by using indexed
581 directories.  An indexed directory is organized as a tree keyed by
582 filename hashes.  When a ->lookup() is requested, the filesystem
583 normally hashes the filename being looked up so that it can quickly
584 find the corresponding directory entry, if any.
585
586 With encryption, lookups must be supported and efficient both with and
587 without the encryption key.  Clearly, it would not work to hash the
588 plaintext filenames, since the plaintext filenames are unavailable
589 without the key.  (Hashing the plaintext filenames would also make it
590 impossible for the filesystem's fsck tool to optimize encrypted
591 directories.)  Instead, filesystems hash the ciphertext filenames,
592 i.e. the bytes actually stored on-disk in the directory entries.  When
593 asked to do a ->lookup() with the key, the filesystem just encrypts
594 the user-supplied name to get the ciphertext.
595
596 Lookups without the key are more complicated.  The raw ciphertext may
597 contain the ``\0`` and ``/`` characters, which are illegal in
598 filenames.  Therefore, readdir() must base64-encode the ciphertext for
599 presentation.  For most filenames, this works fine; on ->lookup(), the
600 filesystem just base64-decodes the user-supplied name to get back to
601 the raw ciphertext.
602
603 However, for very long filenames, base64 encoding would cause the
604 filename length to exceed NAME_MAX.  To prevent this, readdir()
605 actually presents long filenames in an abbreviated form which encodes
606 a strong "hash" of the ciphertext filename, along with the optional
607 filesystem-specific hash(es) needed for directory lookups.  This
608 allows the filesystem to still, with a high degree of confidence, map
609 the filename given in ->lookup() back to a particular directory entry
610 that was previously listed by readdir().  See :c:type:`struct
611 fscrypt_digested_name` in the source for more details.
612
613 Note that the precise way that filenames are presented to userspace
614 without the key is subject to change in the future.  It is only meant
615 as a way to temporarily present valid filenames so that commands like
616 ``rm -r`` work as expected on encrypted directories.