Применение алгоритмов ГОСТ в cryptsetup

Введение

Современные защищённые операционные системы, такие как НАЙС.ОС, ориентированы на соответствие требованиям информационной безопасности, в том числе ФСТЭК России. Одним из ключевых элементов этой безопасности является криптографическая защита данных, реализуемая через проверенные стандартизованные алгоритмы.

В данной статье мы рассмотрим применение отечественных криптографических алгоритмов ГОСТ в инструментах cryptsetup и dm-crypt под управлением НАЙС.ОС. Особое внимание уделим форматам LUKS1, LUKS2, алгоритмам шифрования, режимам MAC, а также способам их настройки, использования и отладки.

🔐 Почему ГОСТ?

• ✅ Соответствие требованиям ФСТЭК и регуляторов — ГОСТ-алгоритмы обязательны для сертифицированных ИС.
• ✅ Поддержка в ядре Linux — в НАЙС.ОС уже включены соответствующие модули и патчи.
• ✅ Интеграция с dm-crypt и LUKS — возможно полноценное использование как для шифрования, так и для MAC.

Все алгоритмы ГОСТ Р 34.12-2015, ГОСТ 28147-89, ГОСТ Р 34.11-94 и ГОСТ Р 34.11-2012 уже доступны в ядре НАЙС.ОС и зарегистрированы в /proc/crypto, а также распознаются утилитой cryptsetup в виде стандартных имён: kuznyechik, magma, gost28147-cpa, streebog256 и др.

1. Обзор криптографических ГОСТ-алгоритмов, доступных в НАЙС.ОС

В дистрибутиве НАЙС.ОС на уровне ядра реализована поддержка криптографических алгоритмов из российских стандартов ГОСТ Р 34.12-2015 и ГОСТ 28147-89, что делает возможным использование этих алгоритмов в системах с повышенными требованиями к сертификации и безопасности.

1.1. Блочные шифры

Ниже представлены основные блочные шифры, поддерживаемые в ядре и доступные через /proc/crypto и cryptsetup:

1.2. Режимы шифрования

К ГОСТ-шифрам в НАЙС.ОС можно применять широкий спектр режимов блочного шифрования, поддерживаемых как Crypto API ядра, так и cryptsetup:

1.3. Хэш-функции и имитовставки

В НАЙС.ОС доступны хэш-функции и MAC-алгоритмы (имитовставки), соответствующие ГОСТ-стандартам. Они используются в качестве:

• Хеш-функций для LUKS (--hash);
• Алгоритмов контроля целостности (--integrity);
• Генерации ключей и IV при использовании ESSIV и HMAC.

1.4. HMAC и CMAC

Для обеспечения целостности данных и защиты от подделки в cryptsetup и LUKS2 используются MAC-алгоритмы — такие как HMAC и CMAC. В НАЙС.ОС доступны ГОСТ-совместимые реализации на базе сертифицированных алгоритмов.

--integrity hmac(streebog256)

--integrity cmac(kuznyechik)

--integrity cmac(magma)

2. Проверка доступности алгоритмов в системе

Перед использованием алгоритмов ГОСТ в cryptsetup, важно убедиться, что соответствующие модули ядра загружены и криптографические примитивы доступны через Crypto API. Один из простейших способов — посмотреть содержимое /proc/crypto.

2.1. Через /proc/crypto

Для просмотра зарегистрированных алгоритмов используйте следующую команду:

grep -E 'kuznyechik|magma|gost|streebog' /proc/crypto

Вывод покажет зарегистрированные шифры, хэши и MAC-алгоритмы, например:

name         : kuznyechik
driver       : kuznyechik-generic
module       : kernel
...
name         : streebog256
driver       : streebog256-generic
...
name         : cmac(kuznyechik)
...
name         : hmac(streebog256)
...
name         : cnt(gost28147-cpa)
  

sudo modprobe kuznyechik

2.2. Через cryptsetup benchmark

Утилита cryptsetup предоставляет встроенный инструмент benchmark для оценки скорости доступных алгоритмов шифрования и хеширования. Это также полезно для проверки наличия и работоспособности ГОСТ-алгоритмов в системе.

Основная команда:

sudo cryptsetup benchmark

Пример части вывода:

# Tests are approximate using memory only (no storage IO).
PBKDF2-sha1       1061350 iterations per second
PBKDF2-sha256     1309275 iterations per second
...
kuznyechik-xts   256b  152 MB/s
magma-cbc        128b   98 MB/s
cnt(gost28147-cpa)256b 104 MB/s
  

Проверка конкретного алгоритма:

Можно указать нужный шифр явно, чтобы проверить только его:

sudo cryptsetup benchmark --cipher kuznyechik-xts-plain64

Если алгоритм не поддерживается, вы получите ошибку:

No such cipher: kuznyechik-xts-plain64
  

3. Использование ГОСТ в LUKS1/LUKS2

3.1. LUKS2 с Кузнечиком (режим XTS)

Алгоритм Кузнечик (kuznyechik) из ГОСТ Р 34.12‑2015 может использоваться в режиме XTS как основной шифр для шифрования томов в формате LUKS2.

Пример команды для форматирования раздела с использованием kuznyechik-xts-plain64 и хэш-функции streebog256:

sudo cryptsetup luksFormat /dev/sdb1 \
  --type luks2 \
  --cipher kuznyechik-xts-plain64 \
  --key-size 512 \
  --hash streebog256

Здесь:

• --type luks2 — используем формат LUKS2, необходимый для большинства современных функций.
• --cipher kuznyechik-xts-plain64 — блочный шифр ГОСТ в режиме XTS (рекомендуемый для дисков).
• --key-size 512 — XTS требует двойного ключа (по 256 бит на каждый блок).
• --hash streebog256 — используется при derivation ключа (KDF) и для подписи заголовка.

3.2. LUKS2 с Магмой (режим CBC + ESSIV)

Шифр Магма (ГОСТ Р 34.12‑2015, 64-битный блок) может использоваться с режимом CBC, защищённым через ESSIV для устранения уязвимостей с предсказуемыми IV.

Пример создания LUKS2-раздела с использованием Магмы и streebog512 в качестве хеш-функции:

sudo cryptsetup luksFormat /dev/sdb2 \
  --type luks2 \
  --cipher magma-cbc-essiv:streebog512 \
  --key-size 256 \
  --hash streebog512

Разбор параметров:

• --cipher magma-cbc-essiv:streebog512 — блочный шифр Магма в режиме CBC, защищённом ESSIV, где IV зависит от streebog512.
• --key-size 256 — полный размер ключа, хотя Магма использует 256-битные ключи по умолчанию.
• --hash streebog512 — для KDF и подписи заголовка.

3.3. LUKS1 с GOST 28147-89 (CPA S-box, CBC)

Алгоритм ГОСТ 28147-89 продолжает использоваться в сертифицированных решениях, особенно в формате LUKS1, где важна совместимость с проверенными средствами защиты.

Пример создания LUKS1-тома с использованием S-блока CPA и режима CBC:

sudo cryptsetup luksFormat /dev/sdb3 \
  --type luks1 \
  --cipher cbc(gost28147-cpa) \
  --key-size 256 \
  --hash gosthash94

Пояснение параметров:

• --type luks1 — формат LUKS1 необходим для совместимости с некоторыми сертифицированными загрузчиками.
• cbc(gost28147-cpa) — режим CBC с блочным шифром ГОСТ 28147-89, S-блок CryptoPro A.
• --key-size 256 — полный ключ ГОСТ 28147-89 (8 × 32-битных подблока).
• --hash gosthash94 — старая хэш-функция ГОСТ Р 34.11-94, используется при генерации ключа из пароля.

4. Использование ГОСТ-HMAC и CMAC в LUKS2 (Integrity)

4.1. С hmac(streebog256)

LUKS2 поддерживает режимы с проверкой целостности с помощью подсистемы dm-integrity. Для ГОСТ можно использовать HMAC на базе Streebog 256 (ГОСТ Р 34.11-2012).

Пример команды для создания тома с шифрованием и встроенной защитой целостности:

sudo cryptsetup luksFormat /dev/sdb4 \
  --type luks2 \
  --cipher kuznyechik-xts-plain64 \
  --integrity hmac(streebog256) \
  --sector-size 4096 \
  --key-size 512 \
  --hash streebog256

Пояснение параметров:

• --integrity hmac(streebog256) — включение проверки целостности с использованием HMAC на базе ГОСТ-хеша.
• --sector-size 4096 — размер сектора, на который будет применяться MAC (рекомендуется 4К для современных дисков).
• --cipher kuznyechik-xts-plain64 — блочное шифрование с Кузнечиком.
• --key-size 512 — двойной 256-битный ключ для режима XTS.

cryptsetup status luks_gost

4.2. С cmac(kuznyechik) (если dm-integrity поддерживает CMAC)

В некоторых сборках НАЙС.ОС поддерживается использование CMAC вместо HMAC для контроля целостности. CMAC обеспечивает более компактную и быструю проверку, особенно при использовании сертифицированных шифров вроде Кузнечика.

Пример команды:

sudo cryptsetup luksFormat /dev/sdb5 \
  --type luks2 \
  --cipher kuznyechik-xts-plain64 \
  --integrity cmac(kuznyechik) \
  --sector-size 4096

Объяснение параметров:

• --integrity cmac(kuznyechik) — контроль целостности с использованием CMAC на шифре Кузнечик.
• --sector-size 4096 — размер сектора, для которого рассчитывается CMAC.
• --cipher kuznyechik-xts-plain64 — основной шифр данных (двойной ключ 256+256).

5. Расширенные примеры с gost28147-*

5.1. CNT-режим (CTR-like) с tc26z

Алгоритм ГОСТ 28147-89 с параметрическим S-блоком tc26z может применяться в режиме CNT — аналог режима CTR (счётчик). Такой режим хорошо подходит для потокового шифрования и устойчив к повторяющимся блокам.

Пример создания LUKS2-тома с CNT-режимом:

sudo cryptsetup luksFormat /dev/sdb6 \
  --type luks2 \
  --cipher cnt(gost28147-tc26z) \
  --key-size 256 \
  --hash gosthash94

Объяснение параметров:

• cnt(gost28147-tc26z) — режим счётчика (CTR-like) с использованием S-блока tc26z.
• --key-size 256 — ГОСТ 28147 требует 256-битный ключ.
• --hash gosthash94 — ГОСТ Р 34.11-94 в качестве KDF.

5.2. Использование S-блоков CPA, CPB, CPC, CPD

ГОСТ 28147-89 допускает использование разных S-блоков (подстановочных таблиц). В cryptsetup через dm-crypt поддерживаются следующие варианты:

• CPA — CryptoPro A (наиболее распространённый в сертифицированных решениях)
• CPB — CryptoPro B
• CPC — CryptoPro C
• CPD — CryptoPro D

Эти S-блоки определяют конкретную таблицу замен в алгоритме ГОСТ 28147, что влияет на совместимость с внешними системами (например, с аппаратными криптопроцессорами или ГОСТ-сертифицированными библиотеками).

Примеры команд:

cryptsetup luksFormat /dev/sdb7 \
  --type luks1 \
  --cipher cbc(gost28147-cpb) \
  --key-size 256 \
  --hash gosthash94

cryptsetup luksFormat /dev/sdb8 \
  --type luks1 \
  --cipher cbc(gost28147-cpc) \
  --key-size 256 \
  --hash gosthash94

cryptsetup luksFormat /dev/sdb9 \
  --type luks2 \
  --cipher cnt(gost28147-cpd) \
  --key-size 256 \
  --hash streebog256

6. Тестирование производительности ГОСТ

После настройки томов с ГОСТ-алгоритмами важно проверить производительность шифрования и фактическую скорость работы с диском. Ниже представлены основные инструменты для тестирования.

📊 cryptsetup benchmark

Оценивает производительность шифрования и хеширования на уровне CPU и Crypto API:

cryptsetup benchmark --cipher kuznyechik-xts-plain64

Результат покажет скорость в МБ/с для операций encryption и decryption.

🔍 dmsetup table и dmsetup status

Позволяет проверить, какие модули device-mapper задействованы и как сконфигурирован том:

sudo dmsetup table
sudo dmsetup status

В выводе можно увидеть активные цепочки: шифрование, целостность, base device.

🚀 Замер реальной скорости I/O

sudo hdparm -t /dev/mapper/luks_gost

dd if=/dev/zero of=/mnt/testfile bs=1M count=512 status=progress

fio --name=test --filename=/mnt/testfile \
  --bs=4k --rw=randwrite --size=256M --ioengine=libaio --direct=1

7. Практика: Создание тома, монтирование и использование

После форматирования устройства с использованием ГОСТ-алгоритмов (например, kuznyechik-xts-plain64), необходимо подключить и использовать зашифрованный том в системе.

🔓 Открытие зашифрованного тома

Открываем LUKS-том и назначаем ему имя:

sudo cryptsetup luksOpen /dev/sdb1 luks_gost

После ввода корректного пароля устройство будет доступно как /dev/mapper/luks_gost.

🧱 Форматирование файловой системы

Создаём файловую систему (например, ext4) на открытом устройстве:

sudo mkfs.ext4 /dev/mapper/luks_gost

📂 Монтирование зашифрованного тома

Монтируем файловую систему в нужную точку:

sudo mount /dev/mapper/luks_gost /mnt

Теперь том готов к использованию как обычный диск. Все операции будут прозрачно шифроваться в реальном времени.

8. Безопасное удаление и закрытие

После завершения работы с зашифрованным томом его необходимо корректно размонтировать и закрыть, чтобы исключить потерю данных и обеспечить защиту от несанкционированного доступа.

📤 Шаг 1: Размонтирование файловой системы

Прежде всего, нужно размонтировать точку монтирования:

sudo umount /mnt

🔐 Шаг 2: Закрытие тома LUKS

После успешного размонтирования закройте зашифрованный том:

sudo cryptsetup luksClose luks_gost

Устройство /dev/mapper/luks_gost исчезнет и станет недоступным до следующего подключения.

9. Интеграция в систему

Для удобства и автоматизации можно настроить постоянное подключение зашифрованного тома через /etc/crypttab и /etc/fstab, а также встроить поддержку в загрузку через initramfs.

🔄 Автоматическое открытие через /etc/crypttab

Добавьте строку в /etc/crypttab:

luks_gost  UUID=xxx-yyy-zzz  none  luks

Где luks_gost — имя маппинга (/dev/mapper/luks_gost), а UUID можно получить через blkid. Параметр none означает интерактивный ввод пароля.

📁 Автомонтирование через /etc/fstab

Добавьте строку в /etc/fstab для монтирования после открытия:

/dev/mapper/luks_gost  /mnt/gostdata  ext4  defaults,noatime  0 2

Создайте каталог /mnt/gostdata, если он ещё не существует:

sudo mkdir -p /mnt/gostdata

🧩 Интеграция с initramfs

Для автоматического открытия при загрузке необходимо обновить initramfs:

• dracut (RHEL/ALT/НАЙС.ОС): sudo dracut -f
• mkinitcpio (Arch): sudo mkinitcpio -P

Убедитесь, что в конфиге initramfs включён модуль crypt и прописан нужный crypttab.

🖥️ Сценарии для серверов

• Использование ключевых файлов в /etc/keys с ограничениями доступа
• Открытие тома через systemd unit с RequiresMountsFor
• Удалённый unlock через dropbear или Tang (системы удалённой разблокировки)

10. Частые ошибки и отладка

• ❗ No such cipher — ядро не поддерживает указанный алгоритм. Проверьте через /proc/crypto и наличие модулей (modprobe).
• ❗ device-mapper: cipher key size incorrect — неверная длина ключа или несовместимость режима с указанным алгоритмом. Проверьте параметры --key-size.
• 🛠 Используйте dmesg для чтения сообщений ядра при ошибках монтирования или открытия.
• 🧰 Применяйте strace cryptsetup ... для выявления проблем при запуске.
• 📦 Убедитесь, что нужные модули загружены: modprobe kuznyechik, modprobe streebog512 и др.

📘 Приложение A: Список поддерживаемых имён алгоритмов

Расшифровка режимов:

• cnt() — аналог CTR (счётчик);
• cbc() — шифрование с цепочкой блоков;
• xts — стандартный режим для дисковых шифров;
• essiv: — расширенный CBC с защитой IV (salted hash).

📚 Приложение B: Ссылки и стандарты

• 📘 ГОСТ Р 34.12–2015 — блочные шифры: Магма, Кузнечик
• 📘 ГОСТ Р 34.11–2012 — хэш-функции (Стрибог)
• 📘 ГОСТ 28147–89 — классический блочный шифр с S-блоками
• 🌐 RFC 7801 — GOST block cipher in TLS

📘 Приложение С: Список поддерживаемых имён алгоритмов ГОСТ в /proc/crypto

Все алгоритмы перечислены в /proc/crypto и могут использоваться в cryptsetup через параметры --cipher, --hash, --integrity.

📘 Приложение D: Комбинации ГОСТ-алгоритмов — стойкость, производительность и баланс

💡 Примечание: В комбинациях с --integrity требуется поддержка dm-integrity в ядре и initramfs.