Файловая система NTFS Механизм EFS

Содержание

Введение 2

Файловая система NTFS 3

Структура NTFS на диске 3

Главная таблица файлов 5

Защита и шифрование 7

Механизм EFS 9

Регистрация функций обратного вызова 12

Первое шифрование файла 13

Создание связок ключей 14

Шифрование файловых данных 16

Схема процесса шифрование файла через EFS 18

Процесс расшифровки 19

Резервное копирование шифрованных файлов 21

Заключение 23

Приложение. Сокращения. 24

Список используемой литературы 25

Введение

Защита конфиденциальных данных от несанкционированного доступа очень важна в любой среде, где множество пользователей обращается к одним и тем же физическим и сетевым ресурсам. У операционной системы, как и у отдельных пользователей, должна быть возможность защиты файлов, памяти и конфигурационных параметров от нежелательного просмотра и внесения изменений. Защищать файлы от несанкционированного доступа можно различными средствами, но в случае кражи файлов единственной защитой остается шифрование.

Файловая система NTFS15 разрабатывалась специально для Windows 2000 и является системой корпоративного класса. Для шифрования файлов NTFS использует механизм EFS7. Обзор файловой системы NTFS и механизма EFS и является целью моей курсовой работы.

Файловая система NTFS

Формат файловых систем определяют принципы хранения данных на носителе и влияют на характеристики файловой системы. Формат файловой системы может налагать ограничения на размеры файлов и емкости поддерживаемых устройств внешней памяти. Некоторые форматы файловых систем эффективно реализуют поддержку либо больших, либо малых файлов и дисков.

NTFS –встроенная файловая система Windows 2000. NTFS использует 64-разрядные индексы кластеров. Это позволяет ей адресовать тома разме­ром до 16 миллиардов Гб. Однако Windows 2000 ограничивает размеры то­мов NTFS до значений, при которых возможна адресация 32-разрядными кластерами, т.е. до 128 Тб (с использованием кластеров по 64 Кб).

С самого начала разработка NTFS велась с учетом требований, предъяв­ляемых к файловой системе корпоративного класса. Чтобы свести к мини­муму потери данных в случае неожиданного выхода системы из строя или её краха, файловая система должна гарантировать целостность своих метаданных. Для защиты конфиденциальных данных от несанкционирован­ного доступа файловая система должна быть построена на интегрированной модели защиты. Наконец, файловая система должна поддерживать защиту пользовательских данных за счет программной избыточности данных.

Структура NTFS на диске

Структура NTFS начинается с тома. Том соответствует логическому разделу на диске и создается при форматировании диска или его части под NTFS. На диске может быть один или несколько томов. NTFS обрабатывает каждый том независимо от других. Том состоит из набора файлов и свободного пространства, оставшегося в данном разделе диска. В томе NTFS все данные файловой системы вроде битовых карт, каталогов и начального загрузочного кода хранятся как обычные файлы.

Размер кластера на томе NTFS, или кластерный множитель, устанавливается при форматировании тома командой format. Размер кластера по умолчанию определяется размером тома, но всегда содержит целое число физических секторов с дискретностью N2. Кластерный множитель выражается числом байт в кластере, например 512 байт, 1Кб или 2Кб.

Внутренне NTFS работает только с кластерами. Однако NTFS инициирует низкоуровневые операции ввода-вывода на томе, выравнивая передаваемые данные по размеру сектора и подгоняя их объем под значение, кратное размеру секторов. NTFS использует кластер как единицу выделения пространства для поддержания независимости от размера физического сектора. Это позволяет NTFS эффективно работать с очень большими дисками, используя кластеры большего размера, и поддерживать нестандартные диски с размером секторов отличным от 512 байт. Применение больших кластеров на больших томах уменьшает фрагментацию и ускоряет выделение свободного пространства за счет небольшого проигрыша в эффективности использования дискового пространства.

NTFS адресуется к конкретным местам на диске, используя логические номера кластеров (logical cluster numbers, LCN10) для этого все кластеры на томе просто номеруются по порядку – от начала до конца. Для преобразования LCN в физический адрес на диске NTFS умножает LCN на кластерный множитель и получает байтовое смещение от начала тома, воспринимаемое интерфейсом драйвера диска. На данные внутри файла NTFS ссылается по виртуальным номерам кластеров(VCN17), нумеруя кластеры которые принадлежат конкретному файлу (от 0 до m). Виртуальные номера не обязательно должны быть физически непрерывными.

Главная таблица файлов

В NTFS все данные, хранящиеся на томе, содержатся в файлах. Хранение всех видов данных в файлах позволяет файловой системе легко находить и поддерживать данные, а каждый файл может быть защищен дескриптором защиты. Кроме того, при появлении плохих секторов на диске, NTFS может переместить файлы метаданных.

Метаданные – это данные, хранящиеся на томе и необходимые для поддержки управления файловой системой. Как правило, они не доступны приложениям. К метаданным NTFS относятся структуры данных, используемые для поиска и выборки файлов, начальный загрузочный код и битовая карта, в которой регистрируется состояние пространства всего тома.

Главная таблица файлов (MFT14) занимает центральное место в структуре NTFS-тома. MFT реализована как массив записей о файлах. Размер каждой записи фиксирован и равен 1 Кб. Логически MFT содержит по одной строке на каждый файл тома, включая строку для самой MFT. Кроме MFT на каждом томе NTFS имеется набор файлов метаданных с информацией, необходимой для реализации структуры файловой системы.

Имена всех файлов метаданных NTFS начинаются со знака $, хотя эти знаки скрыты. Так имя файла MFT - $Mft. Остальные файлы NTFS-тома являются обычными файлами и каталогами.

Обычно каждая запись MFT соответствует отдельному файлу, но если у файла много атрибутов или он сильно фрагментирован, для него может понадобиться более одной записи. Тогда первая запись MFT, хранящая адреса других записей, называется базовой.

При первом обращении к тому NTFS должна считать с диска метаданные и сформировать внутренние структуры данных, необходимые для обработки обращений к файловой системе. Для этого NTFS ищет в загрузочном секторе физический адрес MFT на диске. Запись о самой MFT является первым элементом в этой таблице, вторая запись указывает на файл в середине диска ($MftMirr), который называется зеркальной копией MFT и содержит копию первых нескольких строк MFT. Если по каким-либо причинам считать часть MFT не удастся, для поиска файлов метаданных будет использована именно эта копия MFT.

Найдя запись для MFT, NTFS получает из ее атрибута данных информацию о сопоставлении VCN и LCN и сохраняет ее в памяти. В каждой группе хранится сопоставление VCN-LCN и длина этой группы – вот и вся информация, необходимая для того, чтобы найти LCN по VCN. Эта информация сообщает NTFS, где на диске искать группы, образующие MFT. Затем NTFS обрабатывает записи MFT еще для нескольких файлов метаданных и открывает эти файлы. Наконец, NTFS выполняет операцию восстановления файловой системы и открывает остальные файлы метаданных. С этого момента пользователь может обращаться к данному дисковому тому.

В процессе работы системы NTFS ведет запись в файл метаданных – файл журнала с именем $LogFile. NTFS использует его для регистрации всех операций, влияющих на структуру тома NTFS, в том числе для регистрации создания файлов и выполнения любых команд, модифицирующих структуру каталогов. Файл журнала используется и при восстановлении тома NTFS после аварии системы.

Еще один элемент MFT зарезервирован для корневого каталога, обозначаемого как «\». Его запись содержит индекс файлов и каталогов, хранящихся в корне структуры каталогов NTFS. Когда NTFS впервые получает запрос на открытие файла, она начинает его поиск с записи корневого каталога. Открыв файл, NTFS сохраняет файловую ссылку MFT для этого файла и поэтому в следующий раз, когда понадобится считать или записать тот же файл, сможет напрямую обратиться к его записи в MFT.

NTFS регистрирует распределение дискового пространства в файле битовой карты с именем $Bitmap. Атрибут данных для файла битовой карты содержит битовую карту, каждый бит которой представляет кластер тома и сообщает, свободен кластер или выделен.

Защита и шифрование

Защита в NTFS построена на модели объектов Windows 2000. Файлы и ка­талоги защищены от доступа пользователей, не имеющих соответствующих прав. Открытый файл реализуется в виде объекта «файл» с дескриптором защиты, хранящимся на диске как часть файла. Прежде чем процесс сможет открыть описатель какого-либо объекта, в том числе и объекта «файл», сис­тема защиты Windows 2000 должна убедится, что у этого процесса есть соот­ветствующие полномочия. Дескриптор защиты в сочетании с требованием регистрации пользователя при входе в систему гарантирует, что ни один процесс не получит доступа к файлу без разрешения системного администра­тора или владельца файла.

Пользователи часто хранят на своих компьютерах конфиденциальную информацию. Хотя данные на серверах компаний обычно надежно защи­щены, информация, хранящаяся на портативном компьютере, может попасть в чужие руки в случае потери или кражи компьютера. Права доступа к фай­лам NTFS в таком случае не защитят данные, поскольку полный доступ к то­мам NTFS можно получить независимо от их защиты – достаточно восполь­зоваться программами, умеющими читать файлы NTFS вне среды Windows 2000. Кроме этого, права доступа к файлам NTFS становятся бесполезны при использовании другой системы Windows 2000 и учетной записи администра­тора, т.к. учетная запись администратора обладает привилегиями захвата во владение и резервного копирования, любая из которых позволяет получить доступ к любому защищенному объекту в обход его параметров защиты.

NTFS поддерживает механизм Encrypting File System (EFS), с помощью которого пользователи могут шифровать конфиденциальные данные. EFS полностью прозрачен для приложений. Это означает, что данные автомати­чески расшифровываются при чтении их приложением, работающим под учетной записью пользователя, который имеет права на просмотр этих дан­ных, и автоматически шифруются при изменении их авторизованным приложением.

NTFS не допускает шифрования файлов, расположенных в корневом ката­логе системного тома или в каталоге \Winnt, поскольку многие находящиеся там файлы нужны в процессе загрузки, когда EFS ещё не активна.

EFS использует криптографические сервисы, предоставляемые Windows 2000 в пользовательском режиме, и состоит из драйвера устройства режима ядра, тесно интегрированного с NTFS и DLL5-модулями пользовательского режима, которые взаимодействуют с подсистемой1 локальной аутентифика­ции и криптографическими DLL.

Доступ к зашифрованным файлам можно получить только с помощью за­крытого ключа из криптографической пары EFS (которая состоит из закры­того и открытого ключей), а закрытые ключи защищены паролем учетной за­писи. Таким образом, без пароля учетной записи, авторизированной для про­смотра данных, доступ к зашифрованным EFS файлам на потерянных или краденных портативных компьютерах нельзя получить никакими средст­вами, кроме грубого перебора паролей.

Механизм EFS

EFS использует средства поддержки шифрования, введенные Microsoft ещё в Windows NT 4. При первом шифровании файла EFS назначает учетной записи пользователя, шифрующего этот файл, криптографическую пару – за­крытый и открытый ключи. Пользователи могут шифровать файлы с помо­щью Windows Explorer; для этого нужно открыть диалоговое окно Свойства применительно к нужному файлу, щелкнуть кнопку Другие и установить флажок Шифровать содержимое для защиты данных. Пользователи также могут шифровать файлы с помощью утилиты командной строки cip­ber.Windows 2000 автоматически шифрует файлы в каталогах, помеченных зашифрованными. При шифровании файла EFS генерирует случайное число, называемое шифровальным ключом файла (file encryption key, FEK8). EFS ис­пользует FEK для шифрования содержимого файла по более стойкому вари­анту DES3 (Data Encryption Standard) – DESX4. EFS сохраняет FEK вместе с самим файлом, но FEK шифруется по алгоритму RSA-шифрования на основе открытого ключа. После выполнения EFS этих действий файл защищен: дру­гие пользователи не смогут расшифровать данные без расшифрованного FEK файла, а FEK они не смогут расшифровать без закрытого ключа пользователя – владельца файла.

Для шифрования FEK используется алгоритм криптографической пары, а для шифрования файловых данных – DESX, алгоритм симметричного шиф­рования (в нем применяется один и тот же ключ для шифрования и дешиф­рования). Как правило, алгоритмы симметричного шифрования работают очень быстро, что делает их подходящими для шифрования больших объе­мов данных, в частности файловых. Однако у алгоритмов симметричного шифрования есть одна слабая сторона: зашифрованный ими файл можно вскрыть, получив ключ. Если несколько человек собирается пользоваться од­ним файлом, защищенным только DESX, каждому из них понадобится дос­туп к FEK файла. Очевидно, что незашифрованный FEK – серьезная угроза безопасности. Но шифрование FEK все равно не решает проблему, поскольку в этом случае нескольким людям приходится пользоваться одним и тем же ключом расшифровки FEK.

Защита FEK сложная проблема, для решения которой EFS использует ту часть своей криптографической архитектуры, которая опирается на техноло­гии шифрования с открытым ключом. Шифрование FEK на индивидуальной основе позволяет нескольким лицам совместно использовать зашифрованный файл. EFS может зашифровать FEK файла с помощью открытого ключа каж­дого пользователя и хранить их FEK вместе с файлом. Каждый может полу­чить доступ к открытому ключу пользователя, но никто не сможет расшиф­ровать с его помощью данные, зашифрованные по этому ключу. Единствен­ный способ расшифровки файла заключается в использовании операционной системой закрытого ключа, который она. Как правило, хранит в безопасном месте. Закрытый ключ помогает расшифровать нужный FEK файла. Windows 2000 хранит закрытые ключи на жестком диске, что не слишком безопасно, но в следующих выпусках операционной системы пользователи смогут хра­нить закрытые ключи на компактных носителях вроде смарт-карт. Алго­ритмы на основе открытого ключа обычно довольно медленные. Поэтому они используется EFS только для шифрования FEK. Разделение ключей на открытый и закрытый немного упрощает управление ключами по сравнению с таковым в алгоритмах симметричного шифрования и решает дилемму, свя­занную с защитой FEK.

Функциональность EFS опирается на несколько компонентов, как видно на схеме архитектуры EFS (см. рисунок).


Пользовательский режим

LPC Режим ядра


EFS реализована в виде драйвера устройства, работающего в режиме ядра и тесно связанного с драйвером файловой системы NTFS. Всякий раз, когда NTFS встречает зашифрованный файл, она вызывает функции из драйвера EFS, зарегистрированные им в NTFS при инициализации EFS. Функции EFS осуществляют шифрование и расшифровку файловых данных по мере обра­щения приложений к шифрованным файлам. Хотя EFS хранит FEK вместе с данными файла, FEK шифруется с помощью открытого ключа индивидуаль­ного пользователя. Для шифрования или расшифровки файловых данных EFS должна расшифровать FEK файла, обращаясь к криптографическим сер­висам пользовательского режима.

Подсистема локальной аутентификации (Local Security Authentication sub>­system, Lsass13)(\Winnt\System32\Lsass.exe) не только управляет сеансами ре­гистрации, но и выполняет рутинные операции, связанные с управлением ключами EFS. Например, когда драйверу EFS требуется расшифровать FEK для расшифровки данных файла, к которому обращается пользователь, драй­вер EFS посылает запрос Lsass через вызов локальной процедуры (local procedure call или LPC11).

Драйвер устройства KsecDD9 (\Winnt\System32\Drivers\Ksecdd.sys) экспортирует функции, необходимые драйверам для посылки Lpc-сообщений Lsass. Компонент Lsass, сервер ло­кальной аутентификации (Local Security Authentication Server, Lsasrv12) (\Winnt\System32\Lsasrv.dll), ожидает запросы на расшифровку FEK через вызов отдаленной процедуры (remote procedure call или RPC16); расшифровка выполняется соответствующей функцией EFS. Которая также находится в Lsasrv. Для расшифровки FEK, получаемого от драйвера EFS в зашифрованном виде, Lsasrv использует функции Microsoft CryptoAPI, или сокращенно CAPI1.

CAPI состоит из DLL компонентов доступа к криптографическим серви­сам (шифрованию, дешифрованию и хэшированию). Например, эти DLL управляют получением открытого и закрытого ключей пользователя, что по­зволяет Lsasrv не заботиться о деталях защиты ключей и об особенностях ра­боты алгоритмов шифрования. Расшифровав FEK, Lsasrv возвращает его драйверу EFS в ответном LPC-сообщении. Получив расшифрованный FEK, EFS с помощью DESX расшифровывает данные файла для NTFS.

Регистрация функций обратного вызова

Присутствие драйвера EFS(\Winnt\System32\Drivers\EFS.sys) не является необходимым условием для работы NTFS, но без него шифрованные файлы будут недоступны. NTFS предусматривает интерфейс для подключения драйвера EFS, поэтому при инициализации драйвер EFS может сам подключится к NTFS. Драйвер NTFS экспортирует несколько функций, используемых драйвером EFS, включая те, которые EFS вызывает для уведомления NTFS о своем присутствии и связанных с ним API-функциях.

Первое шифрование файла

Обнаружив шифрованный файл, драйвер NTFS вызывает функции, зарегистрированные EFS. О состоянии шифрования файла сообщают его атрибуты. NTFS и EFS имеют специальные интерфейсы для преобразования файла из незашифрованной в зашифрованную форму, но этот процесс протекает в основном под управлением компонентов пользовательского режима. Windows 2000 позволяет шифровать файлы двумя способами: утилитой командной строки cipber или с помощью Windows Explorer. Windows Explorer и cipber используют Win32-функцию EncryptFile экспортируемую Advapi32.dll (Advance Win32 API DLL). Чтобы получить доступ к API, который нужен для LPC-вызова интерфейсов EFS в Lsasrv, Advapi32 загружает другую DLL, Feclient.dll (File Encryption Client DLL).

Получив LPC-сообщение c запросом на шифрование файла от Feclient, Lsasrv использует механизм олицетворения Windows 2000 для подмены собой пользователя, запустившего программу, шифрующую файл (cipber или Windows Explorer). Это заставляет Windows 2000 воспринимать файловые операции, выполняемые Lsasrv, как операции, выполняемые пользователем, желающим зашифровать файл. Lsasrv обычно работает под учетной записью System. Если бы Lsasrv не олицетворял пользователя, то не получил бы прав на доступ к шифруемому файлу.

Далее Lsasrv создает файл журнала в каталоге System Volume Information, где регистрирует ход процесса шифрования. Имя файла журнала, обычно EFS0.log, но, если шифруется несколько файлов , 0 заменяется числом, которое последовательно увеличивается на 1, до тех пор, пока не будет получено уникальное имя журнала для текущего шифруемого файла.

CryptoAPI полагается на информацию пользовательского профиля, хранящуюся в реестре, поэтому следующий шаг Lsasrv – загрузка в реестр профиля олицетворяемого пользователя вызовом функции LoadUserProfile из Userenv.dll (User Environment DLL). Обычно профиль пользователя к этому моменту уже загружен, поскольку Winlogon загружает его при входе пользователя в систему. Но если пользователь регистрируется под другой учетной записью с помощью команды RunAS, то при попытке обращения к зашифрованному файлу под этой учетной записью соответствующий профиль может быть не загружен.

После этого Lsasrv генерирует для файла FEK, обращаясь к средствам шифрования RSA, реализованным в Microsoft Base Cryptographic Provider 1.0.

Создание связок ключей

К этому моменту Lsasrv уже получил FEK и может сгенерировать информацию EFS, сохраняемую вместе с файлом, включая зашифрованную версию FEK. Lsasrv считывает из параметра реестра HKEY_CURRENT _USER\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\EFS\CurrentKeys\CertificateHash значение, присвоенное пользователю, который затребовал операцию шифрования, и получает сигнатуру открытого ключа этого пользователя. Этот раздел не появляется в реестре, если ни один файл или каталог не зашифрован. Lsasrv использует эту сигнатуру для доступа к открытому ключу пользователя и для шифрования FEK.

Теперь Lsasrv может создать информацию, которую EFS сохранит вместе с файлом. EFS хранит в зашифрованном файле только один блок информации, в котором содержаться записи для всех пользователей этого файла. Данные записи называются элементами ключей (key entries); они хранятся в области сопоставленных с файлом данных EFS, которая называется Data Decryption Field (DDF2). Совокупность нескольких элементов ключей называется связкой ключей (key ring), поскольку EFS позволяет нескольким лицам совместно использовать шифрованный файл.

Формат данных EFS, сопоставленных с файлом, и формат элемента ключа показан на рисунке. В первой части элемента ключа EFS хранит информацию, достаточную для точного описания открытого ключа пользователя. В нее входит пользовательский идентификатор защиты (SID), имя контейнера, в котором хранится ключ, имя компонента доступа к криптографическим сервисам и хеш сертификата криптографической пары. Во второй части элемента ключа содержится шифрованная версия FEK. Lsasrv шифрует FEK через CryptoAPI по алгоритму RSA с применением открытого ключа данного пользователя.

Д

Информация EFS

алее Lsasrv создает еще одну связку ключей, содержащую элементы ключей восстановления (recovery key entries). EFS хранит информацию об этих элементах в поле файла DRF6. Формат элементов DRF идентичен формату DDF. DRF служит для расшифровки пользовательских данных по определенным учетным записям (агентов восстановления) в тех случаях, когда администратору нужен доступ к пользовательским данным.

Пользовательский SID

(S-1-5-21-…)

Имя контейнера

(ее341-2144-55ba…)

Имя компонента доступа

(Microsoft Base

Cryptographic Provider 1.0)

Хэш сертификата EFS

(cb3e4e…)

Зашифрованный FEK

(03fe4f3c…)

Версия

Контрольная сумма

Число элементов ключей DDF

DDF-элемент ключа 1

DDF-элемент ключа 2

Число элементов ключей DRF

DRF-элемент ключа 1


Допустим, сотрудник компании использовал CryptoAPI для хранения своего закрытого ключа на смарт-карте, а потом потерял ее. В этом случае восстановить его зашифрованные данные можно только с помощью агентов восстановления.

Агенты восстановления (Recovery Agents) определяются в политике безопасности Encrypted Data Recovery Agents (Агенты восстановления шифрованных данных) на локальном компьютере или в домене. Эта политика доступна через оснастку Group Policy (Групповая политика) консоли ММС. Можно добавить агенты восстановления и указать, какие криптографические пары (обозначенные их сертификатами) могут использовать эти агенты для восстановления шифрованных данных. Lsasrv интерпретирует политику восстановления в процессе своей инициализации или при получении уведомления об изменении политики восстановления. EFS создает DRF-элементы ключей для каждого агента восстановления, используя компонент доступа к криптографическим сервисам, зарегистрированный для EFS-восстановления. Компонентом по умолчанию служит Base Cryptographic Provider 1.0.

На завершающем этапе создания информации EFS для файла Lsasrv вычисляет контрольную сумму для DDF и DRF по механизму хеширования MD5 из Base Cryptographic Provider 1.0. Lsasrv хранит вычисленную контрольную сумму в заголовке данных EFS. EFS ссылается на эту сумму при расшифровке, чтобы убедиться в том, что сопоставленные с файлом данные EFS не повреждены и не взломаны.

Шифрование файловых данных

После создания всех данных, необходимых для шифруемого пользователем файла, Lsasrv приступает к шифрованию файла и создает его резервную копию, Efs0.tmp (если есть другие резервные копии, Lsasrv просто увеличивает номер в имени резервного файла). Резервная копия помещается в тот каталог, где находится шифруемый файл. Lsasrv применяет к резервной копии ограничивающий дескриптор защиты, так что доступ к этому файлу можно получить только по учетной записи System. Далее Lsasrv инициализирует файл журнала, созданный им на первом этапе процесса шифрования и регистрирует в нем факт создания резервного файла. Lsasrv шифрует исходный файл только после его резервирования.

Далее, Lsasrv посылает через NTFS драйверу устройства EFS команду на добавление к исходному файлу созданной информации EFS. NTFS получает эту команду, но поскольку она не понимает команд EFS, то просто вызывает драйвер EFS. Драйвер EFS принимает посланные Lsasrv данные EFS и применяет их к файлу через функции, экспортируемые NTFS. Эти функции позволяют EFS добавить к NTFS-файлу атрибут $LOGGED_UTILITY_STREAM. После этого управление возвращается к Lsasrv, который копирует содержимое шифруемого файла в резервный. Закончив создание резервной копии (в том числе скопировав все дополнительные потоки данных), Lsasrv отмечает в файле журнала, что резервный файл находится в актуальном состоянии. Затем Lsasrv посылает NTFS другую команду, требуя зашифровать содержимое исходного файла.

Получив от EFS команду на шифрование файла, NTFS удаляет содержимое исходного файла и копирует в него данные резервного. По мере копирования каждого раздела файла NTFS сбрасывает данные раздела из КЭШа файловой системы, и они записываются на диск. Так как файл помечен как шифрованный, NTFS вызывает EFS для шифрования раздела данных перед записью на диск. EFS использует незашифрованный FEK, переданный NTFS, чтобы шифровать файловые данные по алгоритму DESX порциями, равными по размеру одному сектору (512 байт).

В версиях Windows 2000, разрешенных к экспорту за пределы США, драйвер EFS реализует 56-битный ключ шифрования DESX, тогда как в версии, подлежащей использованию только в США, длина ключа DESX равна 128 битам.

После того как файл зашифрован, Lsasrv регистрирует в файле журнала, что шифрование успешно завершено, и удаляет резервную копию файла. В заключении Lsasrv удаляет файл журнала и возвращает управление приложению, запросившему шифрование файла.

Схема процесса шифрование файла через EFS

    Загружается профиль пользователя, если это необходимо.

    В каталоге System Volume Information создается файл журнала с именем EFSx.log, где х – уникальное целое число от 0. По мере выполнения следующих этапов в журнал заносятся записи, позволяющие восстановить файл после сбоя системы в процессе шифрования.

    Base Cryptographic Provider 1.0 генерирует для файла случайное 128-битное число, используемое в качестве FEK.

    Генерируется или считывается криптографическая пара ключей пользователя. Она идентифицируется в HKEY_CURRENT_USER\ Software \Microsoft\Windows NT\CurrentVersion \EFS\CurrentKeys\ CertificateHash.

    Для файла создается связка ключей DDF с элементом для данного пользователя. Этот элемент содержит копию FEK, зашифрованную с помощью открытого EFS-ключа пользователя.

    Для файла создается связка ключей DRF. В нем есть элементы для каждого агента восстановления в системе, и при этом в каждом элементе содержится копия FEK, зашифрованная с помощью открытого EFS-ключа пользователя.

    Создается резервный файл с именем вида EFS0.tmp в том каталоге, где находится шифруемый файл.

    Связка ключей DDF и DRFдобавляются к заголовку и сопоставляются с файлом как атрибут EFS.

    Резервный файл помечается как шифрованный, и в него копируется содержимое исходного файла.

    Содержимое исходного файла уничтожается, в него копируется содержимое резервного. В результате этой операции данные исходного файла шифруются, так как теперь файл помечен как шифрованный.

    Удаляется резервный файл.

    Удаляется файл журнала.

    Выгружается профиль пользователя, загруженный на шаге 1.

При сбое системы во время шифрования согласованные данные непременно сохраняются в одном из файлов – исходном или резервном. Когда Lsasrv инициализируется после сбоя системы, он ищет файлы журнала в каталоге System Volume Information на каждом NTFS-томе в системе. Если Lsasrv находит один или несколько файлов журнала, он изучает их содержимое и определяет порядок восстановления. Если исходный файл не был модифицирован на момент аварии, Lsasrv удаляет файл журнала и соответствующий резервный файл; иначе он копирует резервный файл поверх исходного (частично шифрованного) файла, после чего удаляет журнал и резервную копию. После того как Lsasrv обработает файлы журналов, файловая система возвращается в целостное состояние без потери пользовательских данных.

Процесс расшифровки

Процесс расшифровки начинается, когда пользователь открывает шифрованный файл. При открытии файла NTFS анализирует его атрибуты и выполняет функцию обратного вызова в драйвере EFS. Драйвер EFS считывает атрибут $LOGGED_UTILITY_STREAM, сопоставленный с шифрованным файлом. Чтобы прочитать этот атрибут, драйвер вызывает функции поддержки EFS, которые NTFS экспортирует для EFS. NTFS выполняет все необходимые действия, чтобы открыть файл. Драйвер EFS проверяет наличие у пользователя, открывающего файл, прав доступа к данным шифрованного файла, т.е. зашифрованный FEK в связке ключей DDF и DRF должен соответствовать криптографической паре ключей, сопоставленной с пользователем. После такой проверки EFS получает расшифрованный FEK файла, применяемый для обработки данных в операциях, которые пользователь может выполнять над файлом.

EFS не может расшифровать FEK самостоятельно и полагается в этом на Lsasrv, который может использовать CryptoAPI. С помощью драйвера KsecDD.sys EFS посылает LPC-сообщение Lsasrv, чтобы тот извлек из атрибута $LOGGED_UTILITY_STREAM FEK пользователя, открывающего файл, и расшифровал его.

Получив LPC-сообщение, Lsasrv вызывает функцию LoadUserProfile из Userenv.dll для загрузки в реестр профиля пользователя, если он еще не загружен. Lsasrv перебирает все поля ключей в данных EFS, пробуя расшифровать каждый FEK на основе закрытого ключа пользователя; с этой целью Lsasrv пытается расшифровать FEK в DDF или DRF элементе ключа. Если хэш сертификата в поле ключа не подходит к ключу пользователя, Lsasrv переходит к следующему полю ключа. Если Lsasrv не удастся расшифровать ни одного FEK в DDF или DRF, пользователь не получит FEK файла, и EFS запретит доступ к файлу приложению, которое пыталось открыть этот файл. А если Lsasrv найдет какой-нибудь хэш, который соответствует ключу пользователя, он расшифрует FEK по закрытому ключу пользователя через CryproAPI.

Lsasrv, обрабатывая при расшифровке FEK связки ключей DDF и DRF, автоматически выполняет операции восстановления файла. Если к файлу пытается получить доступ агент восстановления, не зарегистрированный на доступ к шифрованному файлу, т.е. у него нет соответствующего поля в связке ключей DDF, EFS позволит ему обратиться к файлу, потому что агент имеет доступ к пере ключей для поля ключа в связке ключей DRF.

Путь от драйвера EFS до Lsasrv и обратно требует довольно много времени – в процессе расшифровки FEK в типичной системе CryptoAPI использует результаты более 2000 вызовов API-функций реестра и 400 обращений к файловой системе. Чтобы сократить издержки от всех этих вызовов, драйвер EFS использует кэш в паре с NTFS.

Открыв шифрованный файл, приложение может читать и записывать его данные. Для расшифровки файловых данных NTFS вызывает драйвер EFS по мере чтения этих данных с диска – до того, как помещает их в кэш файловой системы. Аналогичным образом, когда приложение записывает данные в файл, они остаются незашифрованными в кэше файловой системы, пока приложение или диспетчер кэша не сбросит данные обратно на диск с помощью NTFS. При записи данных шифрованного файла из кэша на диск NTFS вызывает драйвер EFS, чтоб зашифровать их.

Драйвер EFS выполняет шифрование и расшифровку данных порциями по 512 байт. Такой размер оптимален для драйвера, потому что объем данных при операциях чтения и записи кратен размеру сектора.

Резервное копирование шифрованных файлов

Важный аспект разработки любого механизма шифрования файлов заключается в том, что приложения не могут получить доступ к расшифрованным данным иначе, чем через механизмы шифрования. Это ограничение особенно важно для утилит резервного копирования, с помощью которых файлы сохраняются на архивных носителях. EFS решает эту проблему, предоставляя утилитам резервного копирования механизм, с помощью которого они могут создавать резервные копии файлов и восстанавливать их в шифрованном виде. Таким образом, утилитам резервного копирования не обязательно шифровать или расшифровывать данные файла в процессе резервного копирования.

Для доступа к шифрованному содержимому файлов утилиты резервного копирования в Windows 2000 используют новый EFS API: функции OpenEncryptedFileRaw, ReadEncryptedFileRaw, WriteEncryptedFileRaw и CloseEncryptedFileRaw. Эти функции, предоставляемые Advapi32.dll, вызывают соответствующие функции Lsasrv по механизму LPC. Например, после того как утилита резервного копирования открывает файл, она вызывает ReadEncryptedFileRaw, чтобы получить данные. Lsasrv-функция EfsReadFileRaw выдает управляющие команды, шифруемые по алгоритму DESX с помощью сеансового ключа EFS, драйверу NTFS для чтения сначала атрибута EFS файла, а затем его шифрованного содержимого.

EfsReadFileRaw может понадобиться несколько операций чтения, чтобы считать большой файл. По мере того как EfsReadFileRaw считывает очередную порцию файла, Lsasrv посылает Advapi32.dll RPC-сообщение, в результате которого выполняется функция обратного вызова, указанная программой резервного копирования при вызове ReadEncryptedFileRaw. Функция EfsReadFileRaw передает считанные шифрованные данные функции обратного вызова, которая записывает их на архивный носитель.

Восстанавливаются шифрованные файлы аналогичным образом. Программа резервного копирования вызывает API-функцию WriteEncryptedFileRaw, которая активизирует функцию обратного вызова программы резервного копирования для получения нешифрованных данных с архивного носителя, в то время как Lsasrv-функция EfsWriteFileRaw восстанавливает содержимое файла.

Заключение

Шифрованная файловая система защищает конфиденциальные данные в файлах на томах NTFS. EFS - основная технология шифрования и расшифровки файлов на томах NTFS. Открывать файл и работать с ним может только пользователь, его зашифровавший. Это чрезвычайно важно для пользователей переносных компьютеров: даже если взломщик получит доступ к потерянному или украденному компьютеру, он не сможет открыть зашифрованные файлы. В Windows XP шифрованная файловая система также поддерживает автономные файлы и папки (Offline Files and Folders).

Зашифрованный файл останется недоступным для просмотра в исходном виде, даже если атакующий обойдет системную защиту, например, загрузив другую ОС. EFS обеспечивает устойчивое шифрование по стандартным алгоритмам и тесно интегрирована с NTFS. EFS в Windows XP Professional предоставляет новые возможности совместного использования зашифрованных файлов или отключения агентов восстановления данных, а также облегчает управление посредством групповой политики и служебных программ командной строки.

Приложение. Сокращения.

Список используемой литературы

1. Д. Соломон, М. Руссинович. Внутреннее устройство Microsoft Windows 2000. Мастер-класс. / Пер. с англ. — СПб.: Питер; М.: Издательско-торговый дом «Русская Редакция», 2001.

2. В. Столлингс. Криптография и защита сетей: принципы и практика (2-е издание). / Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2001.

3. Баричев С. Г., Гончаров В. В., Серов Р. Е. Основы современной криптографии. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001.

2