针对 LUKS 自动解锁的冷启动攻击

对于系统卷全盘加密（FDE），任何不将分区解锁密钥存储在硬件安全设备（如 TPM）的自动解锁方法都不应认为是安全的

即使使用硬件安全设备，仍需要额外保护（如 TPM PIN）和内存加密才能保证基本安全

笔者之前见过一个 Linux 发行版，为了限制用户权限，系统安装时会自动将分区加密，防止用户修改系统文件，此加密使用 LUKS，解锁密钥在 grub-install 的过程中写入磁盘，开机时使用磁盘中的密钥自动解锁，如前面两段话所说，这种加密方法并不安全，“防君子不防小人”，可以直接从内存中提取密钥（因为开机后，系统若要正常运行，必须将 AES 密钥载入内存），这种从内存中提取密钥的破解方法被称为“冷启动攻击”

因为这种加密的自动解锁方式安全性几乎为 0，所以写一篇破解教程进行演示

本教程演示的操作全部在本地搭建的 KVM 虚拟机完成，对于虚拟机来说，攻击成本极低，而对于实体机，攻击则需要准备液氮（用于冷却内存，防止数据快速丢失）和专用读取器

准备

• Linux 机器做为宿主机
• 配置了 LUKS 的虚拟机，且开机时 grub 会在磁盘中读取密钥进行解密

操作过程

1 - 安装操作系统

创建虚拟机并安装操作系统，这个操作就不讲了，本文直接使用上面提到的“为了限制用户权限”的发行版演示，敏感内容均已打码

2 - 分析分区结构

操作系统安装完成后，使用工具 cfdisk 查看磁盘分区表：

可以看到大致分区结构如下：

• 前 32768 个扇区（16 MiB）保留
• 一个 vfat EFI 分区，存储 Grub EFI 文件
• 一个 ext4 启动分区，存储 Grub 文件和操作系统内核
• 一个 LUKS 加密卷

在未加密的启动分区可以找到 grub.cfg，打开后确认是开机时自动解密系统分区，且未直接将解锁密钥存储在配置文件中

Grub 在启动时已经自动解锁系统分区，启动系统过程中，Grub 会将加密系统卷的 UUID（红线）、加密系统卷的密钥路径（黄线）和内核所在分区的 UUID（绿线）传递给内核，以便在 initrd 中正常解锁

3 - 转储内存

使用正常方法开机（此步骤被称为冷启动，这也是冷启动攻击一词的由来）

等待操作系统完成磁盘解密后（出现登录屏幕），执行下面的操作：

• 对于虚拟机：
  在宿主机上，休眠该虚拟机，创建的休眠文件包含内存转储
• 对于物理机：
  使用液氮冷却剂为内存冷却，将内存拆下并安装到硬件转储器，创建内存转储

Proxmox VE 默认配置中创建的休眠文件是一个 LVM 卷，如下：

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Disk /dev/mapper/pve-vm--299--state--suspend--2024--03--31: 8.49 GiB, 9114222592 bytes, 17801216 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 65536 bytes / 65536 bytes

我们可以使用命令将 LVM 卷转换为文件：

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dd if=/dev/mapper/pve-vm--299--state--suspend--2024--03--31 of=MEMORY.dmp

4 - 提取 AES 密钥

安装 findaes 工具，然后使用下面的命令提取转储文件中的 AES 密钥：

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findaes MEMORY.dmp

输出类似：

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Searching MEMORY.dmp
Found AES-128 key schedule at offset 0x1bab8a9:
85 f1 dd c6 ea 68 09 6c d9 8d e8 39 65 8c 61 70
Found AES-128 key schedule at offset 0x1baba99:
a3 9e cb 7d 01 b3 fb 9e 4e 1a e0 a4 ec a3 7e a8
Found AES-128 key schedule at offset 0x129589f8:
b7 40 59 a2 0c c0 2e a3 0c 89 71 a3 16 ff 20 66
Found AES-256 key schedule at offset 0x1b564786:
ae 66 77 dd e6 e6 10 3c b5 f6 a2 a0 56 1a b1 df 41 f0 ce c3 d7 5b 4c ef c3 4a eb a7 e6 e8 2d 1e

如果有两个连续的 AES-128 密钥，请拼接为 AES-256 密钥（地址靠后的 + 地址靠前的），例如上面输出中 0x1baba99 和 0x1bab8a9 地址连续，拼接为 a3 9e cb 7d 01 b3 fb 9e 4e 1a e0 a4 ec a3 7e a8 85 f1 dd c6 ea 68 09 6c d9 8d e8 39 65 8c 61 70
同样的，如果有四个连续的 AES-128 或两个连续的 AES-256，则拼接为 AES-512

然后将所有提取到的密钥整理一下，去掉空格，从上面的输出我们就得到了这三个密钥：

• AES-128 b74059a20cc02ea30c8971a316ff2066
• AES-256 a39ecb7d01b3fb9e4e1ae0a4eca37ea885f1ddc6ea68096cd98de839658c6170（由两个 AES-128 拼接）
• AES-256 ae6677dde6e6103cb5f6a2a0561ab1df41f0cec3d75b4cefc34aeba7e6e82d1e

5 - 解密卷

将密钥转换为二进制写入文件：

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echo a39ecb7d01b3fb9e4e1ae0a4eca37ea885f1ddc6ea68096cd98de839658c6170 | xxd -r -p > key.txt

然后尝试使用 AES 密钥为加密卷添加密码：

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cryptsetup luksAddKey /dev/vda3 --master-key-file key.txt

如果提示 Enter new passphrase for key slot: ，则此 AES 密钥与分区解密密钥对应，继续设置密码即可

如果密钥错误，则提示 Volume key does not match the volume. ，此时需要继续尝试其他密钥，直到解密成功

如果有多个分区，则为每个分区尝试上面的步骤

6 - 挂载

密码设置完成后，我们就可以直接使用密码解密 LUKS 卷并挂载，理论上此方法也完全适用于 BitLocker，但是笔者并未进行测试