SecureBoot + dm-verity 打造经签名的救援系统 发布于 2023/06/01主页
介绍
在配置 LUKS + TPM + SecureBoot 后（参考资料：来自鱼塔塔的 Arch Linux on Btrfs RAID with LUKS），服务器的物理安全性提升了一个等级。唯一的问题是，当系统出现问题时，由于 initramfs 内的环境极其有限（busybox），很难进行修复。
与大部分人在系统出问题后会选择进入 Archiso 不同，由于我的 SecureBoot 是 Enforce 状态，我的机器并不能引导至 Archiso。由于我是服务器平台及我的安全配置，关闭 SecureBoot 非常复杂和漫长：我需要等待数分钟的自检进入平台设置禁用 SecureBoot，然后再禁用配置锁，然后再次重启等待数分钟的自检进入 Archiso；修复后，我需要重启进入平台设置启用 SecureBoot 和配置锁，然后再次重启使用密码重设配置锁。为了进入一次 Archiso，我需要等待4次漫长的自检过程，输入四次密码。这个过程极其繁琐，并且增大了凭据泄漏的风险（配置锁为文本密码）。另外就是这个过程似乎还会导致我的 TPM 拒绝解锁，即使 PCR 已通过认证（错误显示无法验证 TPM 完整性，似乎是配置锁这种比较重要的东西变动后可以提前一步防止 TPM 解封），必须用户输入密码解密。由于我最近弃用了文本密码，因此我无法进入系统；其次，每次我这么操作的时候本质都是在降级或关闭保护，这增加了维护风险和维护难度；另外就是每次进入 Archiso 都需要手动配置网络、软件等，耗时耗力。
综合以上问题，我选择新装一个系统，同样是 ArchLinux。这个系统平时并不使用，rootfs 通过 dm-verity 验证完整性。因此，我可以在里面提前配置好我所需要的工具，并且配置自己的鉴权。由于启动映像经过签名，只需重启即可进入救援系统，无需其他设置。
本文涉及到的一些技术与程序：SecureBoot, dm-verity, brd, btrfs seeding, systemd, mkinitcpio
配置
我的系统本身是两块盘 Btrfs RAID1，EFI 文件放在插在 Internal USB 口上的 U 盘里。由于把整个系统打包进 .efi 文件似乎不是很可行的样子，所以我需要单独分区做系统盘；dm-verity 也需要空间存放 checksum，因此把 U 盘重新分区为3个分区。第一个分区为 EFI 分区，第二个分区为 Btrfs 的救援系统的 rootfs，第三个分区为 dm-verity 分区。
在 U 盘上安装好系统后（在 Arch 中为另一张盘安装 Arch？请参考 wiki 条目：Install Arch Linux from existing Linux），在系统里配置自己想要的东西即可，对于我来说，我安装了wireguard-tools tcpdump openssh等包方便调试。另外也推荐在/etc/systemd下为机器配置基本的环境，例如网络、时间同步等。完成后，记得使用systemctl enable启用这些服务。
dm-verity的配置过程略过，可参考 ArchWiki 上的 dm-verity 条目，不过这个条目针对的是使用dracut作为生成 initcpio 工具的用户。如果你就是dracut用户，理论上按照 wiki 配置即可。不幸的是mkinitcpio并没有直接提供用于dm-verity的 hook，这会导致 initramfs 内缺少相关的 target 与依赖，所以systemd-verifysetup@.service并不会自动启动，因此 rootfs 无法被挂载。我搜遍了全网也没有找到，因此只能自己糊一个了。
/etc/initcpio/install/sd-verity
#!/bin/bash build() { add_binary "/usr/lib/systemd/systemd-veritysetup" add_binary "/usr/lib/systemd/system-generators/systemd-veritysetup-generator" add_module dm-verity map add_systemd_unit 'veritysetup.target' \ 'remote-veritysetup.target' } help() { cat <<HELPEOF This hook allows for an dm-verity root device with systemd initramfs. HELPEOF } # vim: set ft=sh ts=4 sw=4 et:
这是一个很简陋的 hook，由于它并不包含服务所需的依赖，你还需要引入sd-encrypt。hooks 最后看起来像是这样：
HOOKS=(base systemd sd-encrypt sd-verity filesystems keyboard)
如果你只是想要一个使用了mkinitcpio + systemd + veritysetup的根系统，那么故事到这里就结束了；事实上，这样做重启也是可以进入系统的。不过，由于根目录并不可写（dm-verity特性），这不方便我在救援系统内操作。
接下来需要使用一些比较手动挡拖拉机的方式，让根系统跑在内存里。在这里，我使用了 Btrfs 的 Seeding 功能， 他可以将其中一个不可写设备（例如光盘或者本文中的文件系统）作为播种设备，把状态保存在另一张可写盘上。由于我并不需要持久化的救援系统，因此我选择将状态保存在内存中，类似一般的 LiveCD。
使用这个功能需要根系统为 Btrfs 驱动。如果你没有或不想，也可以使用 overlayfs 等方式。Github 上的 mkinitcpio-overlayfs 可以实现。需要注意的是，这个 hook 与本文所提到的配置一起使用时是不开箱即用的。
为了让 initramfs 挂载根目录后增加写设备，我们需要增加一个 service，使其在sysroot.mount之后，initrd-switch-root.target之前运行。
/etc/systemd/system/setup-rootfs.service
[Unit] Description=Mount ramdisk for rootfs After=sysroot.mount Before=initrd-switch-root.target [Service] Type=oneshot ExecStart=/usr/local/bin/setup-rootfs RemainAfterExit=yes [Install] RequiredBy=initrd-switch-root.target
/usr/local/bin/setup-rootfs
#!/bin/sh modprobe -r brd modprobe brd rd_nr=1 rd_size=8388608 # 8G btrfs device add /dev/ram0 /sysroot # systemd 后续的服务会自动 remount 为 rw，无需自行 remount。
你还需要在mkinitcpio.conf中增加brd模块，将/usr/local/bin/setup-rootfs设置为可执行。
由于mkinitcpio中的systemdhook 提供的add_systemd_unit()只会搜索/usr/lib/systemd/system:/lib/systemd/system这两个目录，因此我们需要手动添加服务到 initramfs 内。首先使用systemctl enable setup-rootfs启用服务，然后将其放入mkinitcpio.conf即可，mkinitcpio会自动处理链接。
此时mkinitcpio.conf差不多为：
MODULES=(usb-storage uas brd) # brd 提供基于 RAM 的 Block Device；usb-storage 与 uas 提供 USB 存储设备支持。 BINARIES=() FILES=(/usr/local/bin/setup-rootfs /etc/systemd/system/initrd-switch-root.target.requires/setup-rootfs.service) HOOKS=(base btrfs systemd sd-encrypt sd-verity filesystems keyboard)
在系统内的配置工作设定完成后，将文件系统卸载并将其标记为播种设备即可，然后计算分区的 checksum 并将其填充进内核参数打包为 .efi 文件。重启后引导 .efi 文件后即可进入由 RAM 驱动的环境。这样一来，救援系统的根目录由dm-verity保护，而dm-verity中的 roothash 作为 cmdline 的一部分被打包进 .efi 由 SecureBoot 的证书签名。实现了从机器上电到进入系统的全链条保护。
结语
配置完成后，我只需要重启即可进入我熟悉的环境对我的系统进行更改，一切都是开箱即用的。由于这是一个完整的系统，我也可以在里面自由的配置 PAM 等鉴权，设置一些服务（例如引导后自动擦除 TPM 芯片和硬盘的 TPM 解锁槽位）保证数据安全。以后系统爆炸后不再需要繁琐的流程即可安全地进行修复。不过如果救援系统也卡 emergency 了怎么办？是不是需要一个救援系统的救援系统
附录
kernel cmdline 配置节选
roothash=[ROOTHASH] systemd.verity_root_data=UUID=[lsblk -o name,uuid] systemd.verity_root_hash=UUID=[lsblk -o name,uuid] systemd.verity_root_options=panic-on-corruption
若引导时出现问题，去除quiet参数并设置loglevel=7即可看到详细过程。
配置 initramfs 的 root 密码以进入 Emergency Shell
在mkinitcpio.conf里配置FILES=(/etc/shadow)即可从现有的系统复制账户密码到 initramfs。现有系统的 root 需要有一个有效的密码。
配置无密码（空密码）登录 Shell
请谨慎使用，可能导致安全问题。
passwd --delete [username]
若不再希望账户可被空密码登录，但又不想设置一个密码，可以通过passwd -l [username]锁定账户
若想让系统拒绝空密码登录请求，移除 PAM 配置中pam_unix.so的nullok参数即可。
固定救援系统内的 SSH 主机密钥
在密封救援系统前，在里面执行/usr/bin/ssh-keygen -A
你可能还想要固定 systemd machine-id：systemd-machine-id-setup
警告：dm-verity并不提供机密性。