TrueCrypt 使用经验[1]:关于加密算法和加密盘的类型

★如何选择【加密算法】?

  先大致介绍一下 TrueCrypt 支持的加密算法和散列算法。然后再聊不同场合该如何选择。

◇TrueCrypt 支持哪些加密算法?

  TrueCrypt 支持的加密算法有三种:AES、Twofish、Serpent。
  AES 是洋文“Advanced Encryption Standard”的缩写。该算法原名是“Rijndael”,发布于2001年。2002年被美国官方确定为新的加密标准,用来替代之前的 DES(Data Encryption Standard)。当年美国政府采用公开征集的方式,参与海选的加密算法挺多;但进入最后一轮的算法只有5个,分别是:MARS、RC6、Rijndael、Serpent、Twofish(为避免纠纷,此处以字母序排列)
  最终是 Rijndael 入选,所以如今经常提到的 AES 指的就是 Rijndael 算法。

◇这三个算法的特点

  规格
  当年美国政府招标 AES 算法,有提出先决条件(限定加密算法的规格):
1. 必须是“块加密”(又称“分组密码”,洋文叫“Block Cipher”)
2. 块长度必须是128位(128比特 = 16字节)
3. 密钥长度至少支持 128/192/256 位
4. 加密强度比 3DES(也叫“Triple-DES”) 高,并且速度比 3DES 快
  因为存在这些竞标的约束,所以这三个算法都是块加密,也都支持 256位 的密钥长度(对同一个算法,密钥长度越大,加密强度越高)。

  可靠性
  在竞标 AES 的竞赛中,虽然 Twofish 和 Serpent 没有最终入选,但都是最后一轮的候选者。所以这三个算法至少在密码学层面,不会有明显的弱点。大伙儿可以放心地使用这三个算法。

  强度
  虽然这三个算法的规格差不多,但是在加密强度方面还是有差别的。下面是当年进入最后一轮竞标的5个候选算法,它们的“安全因子”(Safety Factor)对照表。限于篇幅,俺就不解释“安全因子”的含义了。你只需明白,安全因子越大,加密强度越高(越难破解)。

 通过“安全因子”可知三者的加密强度是:Serpent > Twofish > Rijndael(AES)

  某些爱刨根问底的同学会纳闷了:既然 Rijndael 的安全因子不是最好,那为啥会中标捏?为啥不选强度最高的 Serpent?
  因为“美国国家标准局”(NIST)在评估候选密码的时候,不是光看加密强度,还要考虑“性能、算法的复杂性,算法的扩展性”等诸多因素。Rijndael 虽然强度不是最高,但算法的灵活性强,而且比其它几个算法简单(越简单的算法,潜在的弱点就容易被发现,也更难隐藏“算法后门”)。

◇加密算法的选择

  TrueCrypt 不光支持上述三个算法的“单重加密”,还支持多个算法组合成“双重加密”甚至“三重加密”。总共支持如下几种排列组合:

AES
Serpent
Twofish
AES-Twofish
Serpent-AES
Twofish-Serpent
AES-Twofish-Serpent
Serpent-Twofish-AES

  显然,“三重加密”的强度最高,但是性能也最差。反之亦然。面对这么多选择,你需要考虑的就是:如何平衡“安全性”&“性能”。
  “安全性”方面,刚刚已经介绍过了。至于“性能”,TrueCrypt 提供了一个 Benchmark 界面(在 TrueCrypt 主菜单点“Tools”然后再点“Benchmark”菜单项)。你可以在这个界面上测试不同组合的加密算法,其加密/解密的速度。请注意:在不同电脑测试,得到的排序结果是不同的。比方说有的 CPU 内置了 AES 指令,那么 AES 的速度就非常有优势(提升4至8倍)。想知道自己的电脑 CPU 是否支持 AES 指令,先打开 TrueCrypt 主界面,在主菜单点“Setting”,再点“Performance”就能看到。

  下面举几个例子,说说如何平衡“安全性”和“性能”。(举例中提到的“加密盘”,泛指“物理加密盘”和“虚拟加密盘”)

  举例1
  如果你要制作的加密盘是用来备份个人的隐私或敏感文件,并且这个加密盘平时【很少用】,仅作为“灾难恢复”。那你完全可以选择强度最高的“三重加密”。

  举例2
  如果你的加密盘是用来存放一些日常使用的文档类资料(比如电子书)。在这种情况下,磁盘【读】操作的频度远远高于【写】操作的频度。那么你就需要挑选“解密速度”快的组合。
  (注:磁盘【读】操作对应“解密”,磁盘【写】操作对应“加密”)

  举例3
  如果你使用 TrueCrypt 来加密系统分区,并且你的虚拟内存文件也在该分区。那么就要兼顾“读写两方面”的性能。这时候俺建议采用 AES 单重加密。如果你的 CPU 内置 AES 指令,更加要选 AES 相关的组合。
  有的同学会担心,单重加密是不是不够强?俺的观点是:尽量【别】把敏感文件放到系统分区。这样的话,系统分区【没】啥要害,单重加密通常是够用滴。

★如何选择【散列算法】?

  “散列算法”又称为“哈希算法”(洋文叫 Hash)。不了解的同学,可以先看俺写的《扫盲文件完整性校验——关于散列值和数字签名》。这篇博文中大致解释了散列算法的概念。
  用 TrueCrypt 创建加密盘,除了要选择加密算法的组合,还需要选择散列算法。TrueCrypt 需要使用散列算法来进行“伪随机数生成”,然后再利用“伪随机数”来产生加密卷的主密钥。

  TrueCrypt 支持如下三种散列算法:

 通常而言,散列值的长度越大,发生“人为碰撞”和“随机碰撞”的概率就越小。所以俺一般选后两种。另外提醒一下:如果使用 TrueCrypt 加密【系统分区】,只能选 RIPEMD-160 这个散列算法。

★磁盘加密的【操作模式】

  (本小节涉及较多密码学的知识,不太懂技术的网友请自行跳过,以免浪费时间和心情)

  上周那篇《文件备份技巧:组合“虚拟加密盘”与“网盘”》提到了:利用某些网盘客户端提供的“字节级差异同步”来优化加密盘的上传速度。
  之后某网友在博客留言中提出质疑。他/她认为:加密盘中即使只修改了某个小文件,因为加密算法的特点,会导致加密卷文件中有大量的数据被修改。
  这位网友思考问题比较深入,但对“块加密算法”只知其一,不知其二。下面俺稍微解释一下 TrueCrypt 采用的 XTS 操作模式。

  “块加密算法”因为每次加密的明文是固定大小的(也就是“块尺寸”),所以在实际使用场合中,需要结合具体的操作模式。所谓的操作模式,就是把明文通过某种方式分割成若干块,然后采用某种机制分别加密每一块。
  最常听说的操作模式有 ECB、CBC、PCBC、CFB、等等(维基百科的“这个页面”有这些操作模式的原理介绍)。

  ECB 最简单,就是用密钥分别对 N 块明文进行加密,得到 N 块密文。此模式的最大缺陷在于:如果两块明文的内容完全一样,得到的那两块密文也会完全一样。所以 ECB 模式会遭遇“差分攻击”(通过【差异化分析】尝试进行破解)。

  后来 IBM 公司在70年代发明了 CBC——这个模式可以避免 ECB 的缺点。CBC 的原理也比较简单:先加密第一块明文,得到第一块的密文;然后在加密第二块明文的时候,把第一块密文作为输入参与运算;然后把第二块的密文作为第三块加密的输入;以此类推……
  CBC 的好处在于,即使相邻两块明文的内容完全一样,加密得到的密文差异也极大。所以 CBC 可以对抗“差分攻击”。但是 CBC【没法】用于磁盘加密。因为 CBC 模式在加密/解密某个数据块的时候,要【连环依赖】于其它数据块的加密/解密。如果磁盘加密工具使用 CBC 模式,性能会非常非常差(原因很显然,自己想)。

  为了解决磁盘加密的需求,前几年又发明了新的模式——XEX 和 XTS(这两者差不多,XTS 是 XEX 的改良版)。使用 XTS 进行加密/解密,不同的数据块是完全独立的(解决了磁盘读写的性能问题);另外,这玩意儿本身【没啥】明显弱点。所以,当今大部分磁盘加密工具(包括 TrueCrypt)都采用 XTS 模式。对该模式感兴趣的同学,可以看 TrueCrypt 手册的“Description of XTS mode”章节。俺这里就不细聊啦。

★【物理】加密盘 VS 【虚拟】加密盘

  “虚拟加密盘”也叫“virtual volume”,就是用一个大文件作为加密盘的容器。
  俺在《文件备份技巧:组合“虚拟加密盘”与“网盘”》中已经介绍过这两者常见的优缺点对比。今天除了说一下常见的优缺点对比,再稍微说一下【不太常见】的优缺点对比。
  (物理加密盘其实又分为两种——加密普通分区 & 加密系统分区。“加密系统分区”比较特殊,俺会在本系列的后续博文中专门介绍)

◇“虚拟加密盘”的优点(同时也是“物理加密盘”的缺点)

  优点1
  首要的优点就是便于备份。因为“虚拟加密盘”说白了就是一个大文件,你只要把这个大文件 copy 到其它地方,就相当于完成了虚拟盘的备份。
  而“物理加密盘”要备份,就相对麻烦一些。你需要使用专门的磁盘备份工具(比如 Ghost)。

  优点2
  虚拟加密盘可以嵌套任意多层(在一个虚拟盘内部再创建另一个虚拟盘)。
  而物理加密盘不支持多重嵌套。(“外层卷”和“隐藏卷”不算嵌套。本系列的后续博文会单独介绍“隐藏卷”的经验)

  嵌套多层的好处在于,大大增加攻击者的破解难度。而且在一开始,攻击者根本无法知道你设置了多少层嵌套。(这个优点不明显。大部分网友应该用不到。但少数对安全性要求很高的网友,可能需要此优点)

◇“物理加密盘”的优点(同时也是“虚拟加密盘”的缺点)

  优点1
  因为你没法把整个操作系统的系统分区放到一个虚拟加密盘中。所以,对系统分区只能采用“物理加密盘”的方式,无法采用“虚拟加密盘”的方式。
  支持加密【系统分区】,这是“物理加密盘”主要的优点之一。对【系统分区】的加密很重要,在本系列第3篇会讨论与之相关的话题。

  

◇咋样结合两者的优点?

  这其实很容易想到的——就是把虚拟加密盘放到物理加密盘内部。当然,如果放到物理加密盘的【隐藏卷】部分,效果就更好啦。(因为篇幅的关系,“隐藏卷”的经验放到下一篇,本文先不讨论)

  把虚拟加密盘放到物理加密盘内部,你的操作系统中就不会有可疑的大文件,而且不影响虚拟加密盘的备份。真可谓一举多得,当然也有缺点——主要的缺点就是性能会下降。好在如今的电脑,CPU 已经很强劲了,动不动就是好几个核。所以,这点性能下降还是可以接受滴。

★【物理】加密盘的两种玩法——全盘加密 VS 逐个分区加密

  使用物理加密盘可以有两种搞法:其一,全盘加密;其二,逐个分区加密。
  对这两种方案,俺个人建议采用后者——逐个分区加密。把整个硬盘做一次性的全盘加密,虽然操作起来稍微简单一些,但是存在如下一些隐患。

◇隐患1——强度不够

  大多数电脑都是单硬盘,也就是说系统分区也在该硬盘上。所以,对单硬盘 PC 的“全盘加密”也就是“加密系统分区”。而 TrueCrypt 在加密系统分区的时候,仅支持口令认证,不支持 KeyFiles 认证。这就导致加密强度【大打折扣】——因为 KeyFiles 难以用暴力穷举,而口令更容易被暴力穷举。

◇隐患2——灵活性不够

  如今的硬盘都很大,里面通常会有不止一个分区。不同分区存放的数据往往也不同。有的分区存放的数据重要,有的不重要。
  如果你对整个硬盘进行一次性加密,就面临一个两难——如何选择加密算法?加密算法太强,性能会很差;加密算法不够强,安全性又不够。
  而如果采用不同分区逐个加密的方案,就可以避免上述难点。你可以对特别敏感的分区采用更强的加密算法(但也更慢),对不太重要的分区采用弱一些(但也快一些)的加密算法。

◇隐患3——兼容性不够

  假如你的硬盘安装了多个不同的操作系统(多引导)。这种情况下使用全盘加密可能会出现一些冲突,导致某些系统无法启动(Linux 与 Windows 混装的环境尤其明显)。


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