介紹如何使用 Cryptsetup 磁碟加密設定工具，搭配 LUKS 格式加密 Linux 的磁碟內容。
cryptsetup 是一套開放原始碼的磁碟加密設定工具，支援各種以 dm-crypt 為基礎的磁碟加密格式，包含基本的 plain dm-crypt 格式與 LUKS（Linux Unified Key Setup）加密格式。
在使用 plain dm-crypt 加密格式時，若對於密碼學沒有一定的基礎，有可能會因為使用者本身的操作錯誤，造成安全性降低的問題，而 LUKS 在設計上會避免這些問題，所以一般來說建議使用 LUKS。
若在 Ubuntu 或 Debian Linux 中，可以使用 apt 安裝 cryptsetup 套件：
# 安裝 cryptsetup 套件
sudo apt install cryptsetup
建立 LUKS2 加密磁碟
選擇一個要加密的硬碟，使用 cryptsetup 的 luksFormat 在其中建立一個 LUKS2 container，建立加密磁碟時會覆蓋所有磁碟中的資料，所以 cryptsetup 會詢問是否確認要執行，輸入大寫的 YES 之後，再輸入加密磁碟用的密碼即可建立 LUKS2 加密磁碟：
# 在 /dev/sdb 磁碟中建立 LUKS2 container sudo cryptsetup -v -y --type luks2 luksFormat /dev/vdb
WARNING! ======== This will overwrite data on /dev/vdb irrevocably. Are you sure? (Type 'yes' in capital letters): YES Enter passphrase for /dev/vdb: Verify passphrase: Key slot 0 created. Command successful.
建立好 LUKS2 加密磁碟之後，我們可以使用 cryptsetup 的 luksDump 指令查看磁碟內的 LUKS 標頭資訊：
# 查看 /dev/vdb 磁碟中的 LUKS 標頭資訊
sudo cryptsetup luksDump /dev/vdb
LUKS header information
Version: 2
Epoch: 3
Metadata area: 16384 [bytes]
Keyslots area: 16744448 [bytes]
UUID: a2935dbb-bedd-4f87-9229-f22ac06f6350
Label: (no label)
Subsystem: (no subsystem)
Flags: (no flags)
Data segments:
0: crypt
offset: 16777216 [bytes]
length: (whole device)
cipher: aes-xts-plain64
sector: 512 [bytes]
Keyslots:
0: luks2
Key: 512 bits
Priority: normal
Cipher: aes-xts-plain64
Cipher key: 512 bits
PBKDF: argon2id
Time cost: 4
Memory: 742242
Threads: 2
Salt: 72 c9 91 18 32 5c 6f 49 f4 01 6f 42 9f 08 e5 7f
33 7c d0 54 25 14 f9 20 23 c6 07 c6 eb de 99 92
AF stripes: 4000
AF hash: sha256
Area offset:32768 [bytes]
Area length:258048 [bytes]
Digest ID: 0
Tokens:
Digests:
0: pbkdf2
Hash: sha256
Iterations: 113188
Salt: df d1 d1 28 0e b1 a5 e1 60 b3 df 01 98 03 06 b0
e3 f7 87 a3 a9 a8 32 0f 9f e5 ce 28 b2 ba f0 1f
Digest: 61 a8 35 f5 2f cc 5b a9 6c c0 d2 29 54 09 52 a4
4b 63 84 54 ae 8c fd 0e f4 1f ea 46 06 ad a8 b2
加密磁碟映射檔
若要使用 LUKS2 加密磁碟，要先以 cryptsetup 的 open 指令開啟加密磁碟，並且建立一個映射檔：
# 開啟加密磁碟，建立映射檔 sudo cryptsetup open --type luks /dev/vdb myEncDisk
Enter passphrase for /dev/vdb:
這行指令的最後兩個參數分別為加密磁碟以及映射檔名稱，開啟加密磁碟時要輸入密碼，若密碼正確，這行指令就會建立 /dev/mapper/myEncDisk 這個映射檔。
映射檔建立好之後，可以使用以下指令查看映射檔的狀態：
# 查看 myEncDisk 映射檔狀態 sudo cryptsetup -v status myEncDisk
/dev/mapper/myEncDisk is active. type: LUKS2 cipher: aes-xts-plain64 keysize: 512 bits key location: keyring device: /dev/vdb sector size: 512 offset: 32768 sectors size: 20938752 sectors mode: read/write Command successful.
磁碟格式化
在建立好 LUKS2 加密磁碟之後，建議使用 dd 指令先做一次完整的磁碟格式化，讓整顆填入 0，從外界看起來磁碟會呈現亂數，這可以讓外部無從得知磁碟的使用狀況：
# 完整磁碟格式化 sudo dd if=/dev/zero of=/dev/mapper/myEncDisk bs=128M
通常完整格式化整顆磁碟需要非常久的時間，建議可以加上 pv 指令顯示執行的進度：
# 完整磁碟格式化（顯示進度） pv -tpreb /dev/zero | sudo dd of=/dev/mapper/myEncDisk bs=128M
或是在執行 dd 指令時加上 status=progress 參數：
# 完整磁碟格式化（顯示進度） sudo dd if=/dev/zero of=/dev/mapper/myEncDisk bs=128M status=progress
接著使用 mkfs.ext4 指令建立 Ext4 檔案系統：
# 在加密磁碟上建立 Ext4 檔案系統
sudo mkfs.ext4 /dev/mapper/myEncDisk
mke2fs 1.46.5 (30-Dec-2021)
Creating filesystem with 2617344 4k blocks and 655360 inodes
Filesystem UUID: 3bca19af-24c5-41df-9357-76a111e05515
Superblock backups stored on blocks:
32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632
Allocating group tables: done
Writing inode tables: done
Creating journal (16384 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done
掛載加密磁碟
加密磁碟的掛載方式跟普通磁碟類似，只不過加密磁碟要透過映射檔進行掛載：
# 建立掛載目錄 sudo mkdir /mnt/myEncDisk # 掛載加密磁碟 sudo mount /dev/mapper/myEncDisk /mnt/myEncDisk
掛載之後，使用 df 檢查磁碟掛載狀況：
# 檢查磁碟掛載狀況 df -h
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on tmpfs 1.6G 984K 1.6G 1% /run /dev/vda1 94G 4.2G 86G 5% / tmpfs 7.9G 0 7.9G 0% /dev/shm tmpfs 5.0M 0 5.0M 0% /run/lock tmpfs 1.6G 4.0K 1.6G 1% /run/user/1000 /dev/mapper/myEncDisk 9.8G 24K 9.3G 1% /mnt/myEncDisk
卸載加密磁碟
若要卸載加密磁碟，要先以 umount 卸載磁碟：
# 卸載加密磁碟
sudo umount /mnt/myEncDisk
接著再關閉加密磁碟：
# 關閉加密磁碟
sudo cryptsetup close myEncDisk
掛載既有加密磁碟
當我們完成第一次加密磁碟的建立流程之後，後續要使用加密磁碟時，只要以 cryptsetup 的 open 指令開啟加密磁碟，再用 mount 掛載後，即可使用：
# 開啟加密磁碟，建立映射檔 sudo cryptsetup open --type luks /dev/vdb myEncDisk # 掛載加密磁碟 sudo mount /dev/mapper/myEncDisk /mnt/myEncDisk
以 fsck 檢查 LUKS 加密磁碟
若要以 fsck 檢查 LUKS 加密磁碟，可以先以 umount 卸載磁碟：
# 卸載加密磁碟
sudo umount /mnt/myEncDisk
再以 fsck 透過映射檔檢查磁碟：
# 以 fsck 檢查加密磁碟 sudo fsck -vy /dev/mapper/myEncDisk
檢查完之後，重新掛載磁碟：
# 重新掛載加密磁碟
sudo mount /dev/mapper/myEncDisk /mnt/myEncDisk
變更 LUKS 加密磁碟密碼
每個 LUKS2 加密的磁碟最多可以設置 32 組密碼（key-slot），我們可以使用 cryptsetup 的 luksDump 指令查看目前的密碼設置狀態：
# 查看 /dev/sdb 磁碟中的 LUKS 標頭資訊
sudo cryptsetup luksDump /dev/vdb
LUKS header information
Version: 2
Epoch: 3
Metadata area: 16384 [bytes]
Keyslots area: 16744448 [bytes]
UUID: a2935dbb-bedd-4f87-9229-f22ac06f6350
Label: (no label)
Subsystem: (no subsystem)
Flags: (no flags)
Data segments:
0: crypt
offset: 16777216 [bytes]
length: (whole device)
cipher: aes-xts-plain64
sector: 512 [bytes]
Keyslots:
0: luks2
Key: 512 bits
Priority: normal
Cipher: aes-xts-plain64
Cipher key: 512 bits
PBKDF: argon2id
Time cost: 4
Memory: 742242
Threads: 2
Salt: 72 c9 91 18 32 5c 6f 49 f4 01 6f 42 9f 08 e5 7f
33 7c d0 54 25 14 f9 20 23 c6 07 c6 eb de 99 92
AF stripes: 4000
AF hash: sha256
Area offset:32768 [bytes]
Area length:258048 [bytes]
Digest ID: 0
Tokens:
Digests:
0: pbkdf2
Hash: sha256
Iterations: 113188
Salt: df d1 d1 28 0e b1 a5 e1 60 b3 df 01 98 03 06 b0
e3 f7 87 a3 a9 a8 32 0f 9f e5 ce 28 b2 ba f0 1f
Digest: 61 a8 35 f5 2f cc 5b a9 6c c0 d2 29 54 09 52 a4
4b 63 84 54 ae 8c fd 0e f4 1f ea 46 06 ad a8 b2
若要新增一組 LUKS 加密磁碟，可以使用 cryptsetup 的 luksAddKey 指令：
# 新增 LUKS 加密磁碟的密碼
sudo cryptsetup luksAddKey /dev/vdb
Enter any existing passphrase: Enter new passphrase for key slot: Verify passphrase:
在新增密碼時，必須輸入一組既有的密碼，然後再輸入兩次新增的密碼。完成後可以再次以 cryptsetup 的 luksDump 指令查看目前的密碼設置狀態。
# 查看 /dev/sdb 磁碟中的 LUKS 標頭資訊
sudo cryptsetup luksDump /dev/vdb
LUKS header information
Version: 2
Epoch: 4
Metadata area: 16384 [bytes]
Keyslots area: 16744448 [bytes]
UUID: a2935dbb-bedd-4f87-9229-f22ac06f6350
Label: (no label)
Subsystem: (no subsystem)
Flags: (no flags)
Data segments:
0: crypt
offset: 16777216 [bytes]
length: (whole device)
cipher: aes-xts-plain64
sector: 512 [bytes]
Keyslots:
0: luks2
Key: 512 bits
Priority: normal
Cipher: aes-xts-plain64
Cipher key: 512 bits
PBKDF: argon2id
Time cost: 4
Memory: 742242
Threads: 2
Salt: 72 c9 91 18 32 5c 6f 49 f4 01 6f 42 9f 08 e5 7f
33 7c d0 54 25 14 f9 20 23 c6 07 c6 eb de 99 92
AF stripes: 4000
AF hash: sha256
Area offset:32768 [bytes]
Area length:258048 [bytes]
Digest ID: 0
1: luks2
Key: 512 bits
Priority: normal
Cipher: aes-xts-plain64
Cipher key: 512 bits
PBKDF: argon2id
Time cost: 4
Memory: 952916
Threads: 2
Salt: 9d 75 d6 3f d3 36 50 6c 0d 3b d9 1e 4e c9 f7 e4
d5 56 8b 41 bf 3e c1 01 11 eb 13 49 46 f0 83 99
AF stripes: 4000
AF hash: sha256
Area offset:290816 [bytes]
Area length:258048 [bytes]
Digest ID: 0
Tokens:
Digests:
0: pbkdf2
Hash: sha256
Iterations: 113188
Salt: df d1 d1 28 0e b1 a5 e1 60 b3 df 01 98 03 06 b0
e3 f7 87 a3 a9 a8 32 0f 9f e5 ce 28 b2 ba f0 1f
Digest: 61 a8 35 f5 2f cc 5b a9 6c c0 d2 29 54 09 52 a4
4b 63 84 54 ae 8c fd 0e f4 1f ea 46 06 ad a8 b2
我們可以在執行 cryptsetup 時加上 --test-passphrase 參數，測試輸入的密碼符合哪一個 key-slot 中的密碼：
# 測試密碼 sudo cryptsetup --test-passphrase -v open /dev/vdb
No usable token is available. Enter passphrase for /dev/vdb: Key slot 0 unlocked. Command successful.
若要移除既有的 LUKS 加密磁碟密碼，可以使用 cryptsetup 的 luksRemoveKey 指令，執行之後輸入要移除的密碼：
# 移除 LUKS 加密磁碟的密碼
sudo cryptsetup luksRemoveKey /dev/vdb
Enter passphrase to be deleted:
若要移除指定 key-slot 中的密碼，可以使用 cryptsetup 的 luksKillSlot 指令：
# 移除 LUKS 加密磁碟中第 0 個 key-slot 密碼
sudo cryptsetup luksKillSlot /dev/vdb 0
Enter any remaining passphrase:
以檢查碼驗證檔案內容
LUKS 與 dm-crypt 對於記憶體（RAM）的負荷較大，尤其是在結合 RAID5 + LUKS1 + XFS 的情況下，會讓平常沒有發現的記憶體問題浮現出來，各種情況的問題不同，但最常出問題的時機就是在複製大量資料（比記憶體大數倍）的狀況。
若要避免記憶體因素導致資料錯誤，在進行大量檔案的複製或搬移時，都要同時進行檔案的驗證，確保檔案的完整性。例如使用 tar 壓縮檔案時，可以使用 -d 參數來驗證壓縮黨的內容與原始資料相同。
另外也可以使用 MD5 等檢查碼來驗證檔案內容，從原始檔案先計算每個檔案的 MD5 檢查碼：
# 計算所有目錄與子目錄下每個檔案的 MD5 檢查碼 find . -type f -exec md5sum \{\} \; > checksum-file
然後再檔案完成搬移或複製之後，驗證 MD5 檢查碼：
# 驗證 MD5 檢查碼 md5sum -c checksum-file
如果檔案的驗證沒有通過，最有可能出問題的地方就是記憶體，而 CPU 的超頻也是會有一些嫌疑，位元的錯誤發生率比一般人想像中高出許多。
一些比較嚴重的記憶體問題還會造成電腦當機、CPU 狀態傾印、kernel panic 等，加密的硬碟對於記憶體問題會更敏感，一些小問題對於普通硬碟可能不會有太大的影響，但是加密的硬碟會把問題放大，在一些新穎的加密演算法中，如果在加密區塊中有一個位元錯誤，整個區塊資料解密之後就會有一半的位元是錯誤的，而在 cryptsetup 常用的配置（CBC、ESSIV、XTS）下，一個位元的錯誤就可以造成整個 512 位元組區塊資料的改變，這個影響遠超過單一位元的小錯誤。
在複製或搬移大量資料之後，縱使複製或搬移指令都沒有出現任何錯誤，也一定要進行資料的驗證，確保資料的正確性與完整性，若發現記憶體有損壞的情況，那所有的資料都存在有損壞的風險，都要進行驗證。
備份 LUKS 加密磁碟標頭資訊
LUKS 加密磁碟標頭中包含了最關鍵的加密資訊，這標頭部分的資料損毀，會造成所有資料無法復原，所以標頭資訊的備份是相當重要的。
我們可以利用以下指令將 LUKS 加密磁碟的標頭資訊備份至檔案中：
# 備份 LUKS 加密磁碟標頭 sudo cryptsetup luksHeaderBackup /dev/vdb --header-backup-file myHeaderBackup.img
執行這一行指令之後，就會將 /dev/vdb 這個 LUKS 加密磁碟的標頭資訊備份至 myHeaderBackup.img 這個檔案中。
若使用錯誤的標頭檔案會造成整個硬碟的資料完全無法解密，所以在從備份檔案復原 LUKS 加密磁碟的標頭資訊之前，建議先以 --header 測試標頭資訊是否可以正常使用，避免選用錯誤的標頭備份檔：
# 自訂標頭檔，開啟加密磁碟，建立映射檔 sudo cryptsetup -v --header myHeaderBackup.img open --type luks /dev/vdb myEncDisk
建立映射檔之後，測試一下是否可以正常掛載：
# 測試掛載加密磁碟
sudo mount /dev/mapper/myEncDisk /mnt/myEncDisk
sudo umount /mnt/myEncDisk
sudo cryptsetup close myEncDisk
若備份的標頭檔可以正常使用，就可以進行復原動作，復原時要輸入大寫 YES 確認進行復原的動作：
# 復原 LUKS 加密磁碟標頭 sudo cryptsetup luksHeaderRestore /dev/vdb --header-backup-file myHeaderBackup.img
WARNING! ======== Device /dev/vdb already contains LUKS2 header. Replacing header will destroy existing keyslots. Are you sure? (Type 'yes' in capital letters): YES
參考資料
- nixCraft：How To Linux Hard Disk Encryption With LUKS
- nixCraft：How to enable LUKS disk encryption with keyfile on Linux
- Ubuntu Root Partition Encryption using LUKS and dm-crypt
- ArchWiki：dm-crypt/Device encryption
- ArchWiki：dm-crypt/System configuration
- ArchWiki：Trusted Platform Module
- Cryptsetup：Frequently Asked Questions
- Akamai：How to Use LUKS for Full Disk Encryption on Linux
- Akamai：How to Encrypt Your Data with dm-crypt
- Akamai：How to Use LUKS for Full Disk Encryption on Linux
- Unlocking LUKS2 volumes with TPM2, FIDO2, PKCS#11 Security Hardware on systemd 248
- RedHat：Encrypting block devices using LUKS