Linux文件加密系统设计

Longyuan Journal Net Linux文件加密系统的设计: ARCHIVES张起军谭家瑞颜志润来源: 《物联网技术》 2018年02月摘要: 文件加密的内容，可以有效解决数据泄漏问题. 目前，传统的第三方软件大多使用非透明加密，给用户带来不便. 新的堆叠文件加密方案可以有效解决透明性问题，但是这种设计方案的实现更为复杂，并且具有内核版本依赖性. . 本文采用Hook机制监视用户对指定文件目录的操作，以捕获用户对目录中特定文件的访问. 应用层加密解密模块自动调用完成特定文件的加密解密，解决了透明性问题. 由于系统的加解密功能是在应用层实现的，因此与特定的文件系统无关，因此可以有效简化系统设计，具有强大的容灾能力和较高的稳定性. 关键字: 数据加密；进程间约束；消息挂钩机制；锁定机制. CLC编号: TP309.7； TP316.81文档标识码: A文章编号: 2095-1302（2018）02-00-03 0在过去的几年中，基于Linux内核开发的操作系统已逐渐从服务器转移到用户终端. 特别是在某些单位中，Linux被用作从服务器到个人终端的系统支持. 因此，对Linux上存储的敏感数据进行加密和保护已成为亟待解决的问题.

大多数第三方加密软件使用非透明文件存储方法，该方法要求用户在打开指定文件时调用解密模块；同样，当用户关闭文件时，需要调用加密模块，从而导致体验不佳. 尽管新的堆叠文件加密系统[1]可以解决用户透明性的问题，但仍需要重新设计新的文件管理层来加密文件，因此需要重新设计加密的文件系统. 对于此类设计人员，有必要深入了解Linux的各个方面，例如文件系统管理，内存管理和驱动程序设计. 尽管该设计方案在理论上是可行的，但在系统的具体实现过程中却非常复杂，开发周期长且昂贵，并且在短时间内无法看到测试结果. 1总体方案设计本系统采用文件锁定[2]和消息挂钩机制[3]进行设计，不仅可以有效解决用户透明性问题，而且可以降低总体设计难度. 如图1所示，系统中的目录A用作受监视的目录，用于存储需要加密的文件，目录B可以视为缓存目录或备份目录. 当纯文本文件存储在目录A中时，加密子进程在目录B中创建一个新的临时文件以保存加密的密文. 纯文本文件加密完成后，目录A中的文件将替换为目录B中的临时密文文件. 类似地，当需要解密目录A中的密文文件时，请读取目录中的临时密文文件B，然后调用解密子进程对其进行解密，最后用解密后的数据覆盖目录A中的密文文件.

龙源期刊网络整个解决方案仅需调用Linux提供的接口即可完成设计，并且大多数数据处理过程都位于应用程序层中. 即使系统遇到无法控制的因素并造成灾难性后果，完整的加密数据也可以在现有文件系统中找到并解密，以有效解决文件恢复问题. 可以看出，基于应用层的方案设计不需要对Linux内核进行深入修改，从而降低了开发难度. 2关键技术要点目录A和目录B之间的数据交换需要多个子流程的协调，包括子流程的维护，子流程的加密和子流程的解密. 如果用户操作目录A和目录A中的文件，则维护子进程可以捕获用户的操作并通知其他子进程执行后续操作. 系统解决方案的设计需要解决两个技术问题，即监视目录和进程间控制. 2.1监视目录在最新版本的Linux内核中，添加了一个消息Hook模块，用于监视操作文件，即inotify，它以inotify为核心来实现监视目录. 监视模块初始化后，将返回相应的监视实例ID，然后将要监视的对象的路径添加到监视实例. 这些对象可以是文件或文件目录. 如果未监视对象，则可以将其从监视实例中删除. 监视用户操作文件并生成消息队列的过程如图2所示.

当用户操作监视目录A中的文件时，消息Hook模块监视虚拟文件系统（VFS），并通过该消息将用户的操作类型发送到应用程序层的消息队列中，以便后台维护可以实时捕获子进程（通过轮询）. 维护子过程通过读取消息队列[4]来判断生成的事件，并调用相应的加密或解密子过程. 通常，当用户访问文件时，可能会连续发生多个消息事件. 例如，如果用户打开一个加密文件加密linux系统，则监视模块首先生成IN_OPEN消息事件，然后生成IN_WRITE消息事件，最后生成IN_CLOSE消息事件. 因此，在监视对象时，必须保持子进程以顺序捕获由该对象生成的一系列消息事件，并确定当前监视对象需要执行的操作. 2.2进程间控制用户使用诸​​如编辑器之类的软件打开目录A中的密文文件. 维护子进程自动调用加密和解密模块以完成文件解密过程，并将解密后的纯文本数据呈现给用户. . 在解密过程中，使用文件锁定模式使用户进程等待，方便解密模块解密. 但是大多数编辑软件在打开文件时不会检查文件锁定，而是直接读取文件内容，因此用户会读取密文数据. 为了使这些软件等待，在打开文件时，有必要强制检查这些软件生成的过程，以检查文件是否被锁定.

由于这些进程打开的文件最终需要调用内核层中的open函数加密linux系统，因此需要修改Linux内核中系统定义的open部分[5]. 在Linux内核中，需要添加文件锁检测功能，名为myFlock. 由于内核中Flock的系统定义只能提供给上层进行系统调用，而不能由内核层中的其他函数直接调用，因此有必要在do_sys_open中调用自定义锁. 由于内核中的函数全部通过EXPORT_SYMBOL等输出全局信号量，因此Flock和myFlock可以通过调用全局输出信号量来共享缓存队列，以便其他进程在打开文件时可以强制检查锁定. 另外，内核层中各进程之间的约束过程如下: （1）在控制过程中，密文文件被维护子进程称为flock（），维护子进程保存加密文件

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