fs/crypto/crypto.c

   1 /*
   2  * This contains encryption functions for per-file encryption.
   3  *
   4  * Copyright (C) 2015, Google, Inc.
   5  * Copyright (C) 2015, Motorola Mobility
   6  *
   7  * Written by Michael Halcrow, 2014.
   8  *
   9  * Filename encryption additions
  10  *      Uday Savagaonkar, 2014
  11  * Encryption policy handling additions
  12  *      Ildar Muslukhov, 2014
  13  * Add fscrypt_pullback_bio_page()
  14  *      Jaegeuk Kim, 2015.
  15  *
  16  * This has not yet undergone a rigorous security audit.
  17  *
  18  * The usage of AES-XTS should conform to recommendations in NIST
  19  * Special Publication 800-38E and IEEE P1619/D16.
  20  */
  21
  22 #include <linux/pagemap.h>
  23 #include <linux/mempool.h>
  24 #include <linux/module.h>
  25 #include <linux/scatterlist.h>
  26 #include <linux/ratelimit.h>
  27 #include <linux/bio.h>
  28 #include <linux/dcache.h>
  29 #include <linux/fscrypto.h>
  30 #include <linux/ecryptfs.h>
  31
  32 static unsigned int num_prealloc_crypto_pages = 32;
  33 static unsigned int num_prealloc_crypto_ctxs = 128;
  34
  35 module_param(num_prealloc_crypto_pages, uint, 0444);
  36 MODULE_PARM_DESC(num_prealloc_crypto_pages,
  37                 "Number of crypto pages to preallocate");
  38 module_param(num_prealloc_crypto_ctxs, uint, 0444);
  39 MODULE_PARM_DESC(num_prealloc_crypto_ctxs,
  40                 "Number of crypto contexts to preallocate");
  41
  42 static mempool_t *fscrypt_bounce_page_pool = NULL;
  43
  44 static LIST_HEAD(fscrypt_free_ctxs);
  45 static DEFINE_SPINLOCK(fscrypt_ctx_lock);
  46
  47 static struct workqueue_struct *fscrypt_read_workqueue;
  48 static DEFINE_MUTEX(fscrypt_init_mutex);
  49
  50 static struct kmem_cache *fscrypt_ctx_cachep;
  51 struct kmem_cache *fscrypt_info_cachep;
  52
  53 /**
  54  * fscrypt_release_ctx() - Releases an encryption context
  55  * @ctx: The encryption context to release.
  56  *
  57  * If the encryption context was allocated from the pre-allocated pool, returns
  58  * it to that pool. Else, frees it.
  59  *
  60  * If there's a bounce page in the context, this frees that.
  61  */
  62 void fscrypt_release_ctx(struct fscrypt_ctx *ctx)
  63 {
  64         unsigned long flags;
  65
  66         if (ctx->flags & FS_WRITE_PATH_FL && ctx->w.bounce_page) {
  67                 mempool_free(ctx->w.bounce_page, fscrypt_bounce_page_pool);
  68                 ctx->w.bounce_page = NULL;
  69         }
  70         ctx->w.control_page = NULL;
  71         if (ctx->flags & FS_CTX_REQUIRES_FREE_ENCRYPT_FL) {
  72                 kmem_cache_free(fscrypt_ctx_cachep, ctx);
  73         } else {
  74                 spin_lock_irqsave(&fscrypt_ctx_lock, flags);
  75                 list_add(&ctx->free_list, &fscrypt_free_ctxs);
  76                 spin_unlock_irqrestore(&fscrypt_ctx_lock, flags);
  77         }
  78 }
  79 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_release_ctx);
  80
  81 /**
  82  * fscrypt_get_ctx() - Gets an encryption context
  83  * @inode:       The inode for which we are doing the crypto
  84  *
  85  * Allocates and initializes an encryption context.
  86  *
  87  * Return: An allocated and initialized encryption context on success; error
  88  * value or NULL otherwise.
  89  */
  90 struct fscrypt_ctx *fscrypt_get_ctx(struct inode *inode)
  91 {
  92         struct fscrypt_ctx *ctx = NULL;
  93         struct fscrypt_info *ci = inode->i_crypt_info;
  94         unsigned long flags;
  95
  96         if (ci == NULL)
  97                 return ERR_PTR(-ENOKEY);
  98
  99         /*
 100          * We first try getting the ctx from a free list because in
 101          * the common case the ctx will have an allocated and
 102          * initialized crypto tfm, so it's probably a worthwhile
 103          * optimization. For the bounce page, we first try getting it
 104          * from the kernel allocator because that's just about as fast
 105          * as getting it from a list and because a cache of free pages
 106          * should generally be a "last resort" option for a filesystem
 107          * to be able to do its job.
 108          */
 109         spin_lock_irqsave(&fscrypt_ctx_lock, flags);
 110         ctx = list_first_entry_or_null(&fscrypt_free_ctxs,
 111                                         struct fscrypt_ctx, free_list);
 112         if (ctx)
 113                 list_del(&ctx->free_list);
 114         spin_unlock_irqrestore(&fscrypt_ctx_lock, flags);
 115         if (!ctx) {
 116                 ctx = kmem_cache_zalloc(fscrypt_ctx_cachep, GFP_NOFS);
 117                 if (!ctx)
 118                         return ERR_PTR(-ENOMEM);
 119                 ctx->flags |= FS_CTX_REQUIRES_FREE_ENCRYPT_FL;
 120         } else {
 121                 ctx->flags &= ~FS_CTX_REQUIRES_FREE_ENCRYPT_FL;
 122         }
 123         ctx->flags &= ~FS_WRITE_PATH_FL;
 124         return ctx;
 125 }
 126 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_get_ctx);
 127
 128 /**
 129  * fscrypt_complete() - The completion callback for page encryption
 130  * @req: The asynchronous encryption request context
 131  * @res: The result of the encryption operation
 132  */
 133 static void fscrypt_complete(struct crypto_async_request *req, int res)
 134 {
 135         struct fscrypt_completion_result *ecr = req->data;
 136
 137         if (res == -EINPROGRESS)
 138                 return;
 139         ecr->res = res;
 140         complete(&ecr->completion);
 141 }
 142
 143 typedef enum {
 144         FS_DECRYPT = 0,
 145         FS_ENCRYPT,
 146 } fscrypt_direction_t;
 147
 148 static int do_page_crypto(struct inode *inode,
 149                         fscrypt_direction_t rw, pgoff_t index,
 150                         struct page *src_page, struct page *dest_page)
 151 {
 152         u8 xts_tweak[FS_XTS_TWEAK_SIZE];
 153         struct skcipher_request *req = NULL;
 154         DECLARE_FS_COMPLETION_RESULT(ecr);
 155         struct scatterlist dst, src;
 156         struct fscrypt_info *ci = inode->i_crypt_info;
 157         struct crypto_skcipher *tfm = ci->ci_ctfm;
 158         int res = 0;
 159
 160         req = skcipher_request_alloc(tfm, GFP_NOFS);
 161         if (!req) {
 162                 printk_ratelimited(KERN_ERR
 163                                 "%s: crypto_request_alloc() failed\n",
 164                                 __func__);
 165                 return -ENOMEM;
 166         }
 167
 168         skcipher_request_set_callback(
 169                 req, CRYPTO_TFM_REQ_MAY_BACKLOG | CRYPTO_TFM_REQ_MAY_SLEEP,
 170                 fscrypt_complete, &ecr);
 171
 172         BUILD_BUG_ON(FS_XTS_TWEAK_SIZE < sizeof(index));
 173         memcpy(xts_tweak, &index, sizeof(index));
 174         memset(&xts_tweak[sizeof(index)], 0,
 175                         FS_XTS_TWEAK_SIZE - sizeof(index));
 176
 177         sg_init_table(&dst, 1);
 178         sg_set_page(&dst, dest_page, PAGE_SIZE, 0);
 179         sg_init_table(&src, 1);
 180         sg_set_page(&src, src_page, PAGE_SIZE, 0);
 181         skcipher_request_set_crypt(req, &src, &dst, PAGE_SIZE,
 182                                         xts_tweak);
 183         if (rw == FS_DECRYPT)
 184                 res = crypto_skcipher_decrypt(req);
 185         else
 186                 res = crypto_skcipher_encrypt(req);
 187         if (res == -EINPROGRESS || res == -EBUSY) {
 188                 BUG_ON(req->base.data != &ecr);
 189                 wait_for_completion(&ecr.completion);
 190                 res = ecr.res;
 191         }
 192         skcipher_request_free(req);
 193         if (res) {
 194                 printk_ratelimited(KERN_ERR
 195                         "%s: crypto_skcipher_encrypt() returned %d\n",
 196                         __func__, res);
 197                 return res;
 198         }
 199         return 0;
 200 }
 201
 202 static struct page *alloc_bounce_page(struct fscrypt_ctx *ctx)
 203 {
 204         ctx->w.bounce_page = mempool_alloc(fscrypt_bounce_page_pool,
 205                                                         GFP_NOWAIT);
 206         if (ctx->w.bounce_page == NULL)
 207                 return ERR_PTR(-ENOMEM);
 208         ctx->flags |= FS_WRITE_PATH_FL;
 209         return ctx->w.bounce_page;
 210 }
 211
 212 /**
 213  * fscypt_encrypt_page() - Encrypts a page
 214  * @inode:          The inode for which the encryption should take place
 215  * @plaintext_page: The page to encrypt. Must be locked.
 216  *
 217  * Allocates a ciphertext page and encrypts plaintext_page into it using the ctx
 218  * encryption context.
 219  *
 220  * Called on the page write path.  The caller must call
 221  * fscrypt_restore_control_page() on the returned ciphertext page to
 222  * release the bounce buffer and the encryption context.
 223  *
 224  * Return: An allocated page with the encrypted content on success. Else, an
 225  * error value or NULL.
 226  */
 227 struct page *fscrypt_encrypt_page(struct inode *inode,
 228                                 struct page *plaintext_page)
 229 {
 230         struct fscrypt_ctx *ctx;
 231         struct page *ciphertext_page = NULL;
 232         int err;
 233
 234         BUG_ON(!PageLocked(plaintext_page));
 235
 236         ctx = fscrypt_get_ctx(inode);
 237         if (IS_ERR(ctx))
 238                 return (struct page *)ctx;
 239
 240         /* The encryption operation will require a bounce page. */
 241         ciphertext_page = alloc_bounce_page(ctx);
 242         if (IS_ERR(ciphertext_page))
 243                 goto errout;
 244
 245         ctx->w.control_page = plaintext_page;
 246         err = do_page_crypto(inode, FS_ENCRYPT, plaintext_page->index,
 247                                         plaintext_page, ciphertext_page);
 248         if (err) {
 249                 ciphertext_page = ERR_PTR(err);
 250                 goto errout;
 251         }
 252         SetPagePrivate(ciphertext_page);
 253         set_page_private(ciphertext_page, (unsigned long)ctx);
 254         lock_page(ciphertext_page);
 255         return ciphertext_page;
 256
 257 errout:
 258         fscrypt_release_ctx(ctx);
 259         return ciphertext_page;
 260 }
 261 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_encrypt_page);
 262
 263 /**
 264  * f2crypt_decrypt_page() - Decrypts a page in-place
 265  * @page: The page to decrypt. Must be locked.
 266  *
 267  * Decrypts page in-place using the ctx encryption context.
 268  *
 269  * Called from the read completion callback.
 270  *
 271  * Return: Zero on success, non-zero otherwise.
 272  */
 273 int fscrypt_decrypt_page(struct page *page)
 274 {
 275         BUG_ON(!PageLocked(page));
 276
 277         return do_page_crypto(page->mapping->host,
 278                         FS_DECRYPT, page->index, page, page);
 279 }
 280 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_decrypt_page);
 281
 282 int fscrypt_zeroout_range(struct inode *inode, pgoff_t lblk,
 283                                 sector_t pblk, unsigned int len)
 284 {
 285         struct fscrypt_ctx *ctx;
 286         struct page *ciphertext_page = NULL;
 287         struct bio *bio;
 288         int ret, err = 0;
 289
 290         BUG_ON(inode->i_sb->s_blocksize != PAGE_SIZE);
 291
 292         ctx = fscrypt_get_ctx(inode);
 293         if (IS_ERR(ctx))
 294                 return PTR_ERR(ctx);
 295
 296         ciphertext_page = alloc_bounce_page(ctx);
 297         if (IS_ERR(ciphertext_page)) {
 298                 err = PTR_ERR(ciphertext_page);
 299                 goto errout;
 300         }
 301
 302         while (len--) {
 303                 err = do_page_crypto(inode, FS_ENCRYPT, lblk,
 304                                                 ZERO_PAGE(0), ciphertext_page);
 305                 if (err)
 306                         goto errout;
 307
 308                 bio = bio_alloc(GFP_KERNEL, 1);
 309                 if (!bio) {
 310                         err = -ENOMEM;
 311                         goto errout;
 312                 }
 313                 bio->bi_bdev = inode->i_sb->s_bdev;
 314                 bio->bi_iter.bi_sector =
 315                         pblk << (inode->i_sb->s_blocksize_bits - 9);
 316                 ret = bio_add_page(bio, ciphertext_page,
 317                                         inode->i_sb->s_blocksize, 0);
 318                 if (ret != inode->i_sb->s_blocksize) {
 319                         /* should never happen! */
 320                         WARN_ON(1);
 321                         bio_put(bio);
 322                         err = -EIO;
 323                         goto errout;
 324                 }
 325                 err = submit_bio_wait(WRITE, bio);
 326                 if ((err == 0) && bio->bi_error)
 327                         err = -EIO;
 328                 bio_put(bio);
 329                 if (err)
 330                         goto errout;
 331                 lblk++;
 332                 pblk++;
 333         }
 334         err = 0;
 335 errout:
 336         fscrypt_release_ctx(ctx);
 337         return err;
 338 }
 339 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_zeroout_range);
 340
 341 /*
 342  * Validate dentries for encrypted directories to make sure we aren't
 343  * potentially caching stale data after a key has been added or
 344  * removed.
 345  */
 346 static int fscrypt_d_revalidate(struct dentry *dentry, unsigned int flags)
 347 {
 348         struct inode *dir = d_inode(dentry->d_parent);
 349         struct fscrypt_info *ci = dir->i_crypt_info;
 350         int dir_has_key, cached_with_key;
 351
 352         if (!dir->i_sb->s_cop->is_encrypted(dir))
 353                 return 0;
 354
 355         if (ci && ci->ci_keyring_key &&
 356             (ci->ci_keyring_key->flags & ((1 << KEY_FLAG_INVALIDATED) |
 357                                           (1 << KEY_FLAG_REVOKED) |
 358                                           (1 << KEY_FLAG_DEAD))))
 359                 ci = NULL;
 360
 361         /* this should eventually be an flag in d_flags */
 362         spin_lock(&dentry->d_lock);
 363         cached_with_key = dentry->d_flags & DCACHE_ENCRYPTED_WITH_KEY;
 364         spin_unlock(&dentry->d_lock);
 365         dir_has_key = (ci != NULL);
 366
 367         /*
 368          * If the dentry was cached without the key, and it is a
 369          * negative dentry, it might be a valid name.  We can't check
 370          * if the key has since been made available due to locking
 371          * reasons, so we fail the validation so ext4_lookup() can do
 372          * this check.
 373          *
 374          * We also fail the validation if the dentry was created with
 375          * the key present, but we no longer have the key, or vice versa.
 376          */
 377         if ((!cached_with_key && d_is_negative(dentry)) ||
 378                         (!cached_with_key && dir_has_key) ||
 379                         (cached_with_key && !dir_has_key))
 380                 return 0;
 381         return 1;
 382 }
 383
 384 const struct dentry_operations fscrypt_d_ops = {
 385         .d_revalidate = fscrypt_d_revalidate,
 386 };
 387 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_d_ops);
 388
 389 /*
 390  * Call fscrypt_decrypt_page on every single page, reusing the encryption
 391  * context.
 392  */
 393 static void completion_pages(struct work_struct *work)
 394 {
 395         struct fscrypt_ctx *ctx =
 396                 container_of(work, struct fscrypt_ctx, r.work);
 397         struct bio *bio = ctx->r.bio;
 398         struct bio_vec *bv;
 399         int i;
 400
 401         bio_for_each_segment_all(bv, bio, i) {
 402                 struct page *page = bv->bv_page;
 403                 int ret = fscrypt_decrypt_page(page);
 404
 405                 if (ret) {
 406                         WARN_ON_ONCE(1);
 407                         SetPageError(page);
 408                 } else {
 409                         SetPageUptodate(page);
 410                 }
 411                 unlock_page(page);
 412         }
 413         fscrypt_release_ctx(ctx);
 414         bio_put(bio);
 415 }
 416
 417 void fscrypt_decrypt_bio_pages(struct fscrypt_ctx *ctx, struct bio *bio)
 418 {
 419         INIT_WORK(&ctx->r.work, completion_pages);
 420         ctx->r.bio = bio;
 421         queue_work(fscrypt_read_workqueue, &ctx->r.work);
 422 }
 423 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_decrypt_bio_pages);
 424
 425 void fscrypt_pullback_bio_page(struct page **page, bool restore)
 426 {
 427         struct fscrypt_ctx *ctx;
 428         struct page *bounce_page;
 429
 430         /* The bounce data pages are unmapped. */
 431         if ((*page)->mapping)
 432                 return;
 433
 434         /* The bounce data page is unmapped. */
 435         bounce_page = *page;
 436         ctx = (struct fscrypt_ctx *)page_private(bounce_page);
 437
 438         /* restore control page */
 439         *page = ctx->w.control_page;
 440
 441         if (restore)
 442                 fscrypt_restore_control_page(bounce_page);
 443 }
 444 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_pullback_bio_page);
 445
 446 void fscrypt_restore_control_page(struct page *page)
 447 {
 448         struct fscrypt_ctx *ctx;
 449
 450         ctx = (struct fscrypt_ctx *)page_private(page);
 451         set_page_private(page, (unsigned long)NULL);
 452         ClearPagePrivate(page);
 453         unlock_page(page);
 454         fscrypt_release_ctx(ctx);
 455 }
 456 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_restore_control_page);
 457
 458 static void fscrypt_destroy(void)
 459 {
 460         struct fscrypt_ctx *pos, *n;
 461
 462         list_for_each_entry_safe(pos, n, &fscrypt_free_ctxs, free_list)
 463                 kmem_cache_free(fscrypt_ctx_cachep, pos);
 464         INIT_LIST_HEAD(&fscrypt_free_ctxs);
 465         mempool_destroy(fscrypt_bounce_page_pool);
 466         fscrypt_bounce_page_pool = NULL;
 467 }
 468
 469 /**
 470  * fscrypt_initialize() - allocate major buffers for fs encryption.
 471  *
 472  * We only call this when we start accessing encrypted files, since it
 473  * results in memory getting allocated that wouldn't otherwise be used.
 474  *
 475  * Return: Zero on success, non-zero otherwise.
 476  */
 477 int fscrypt_initialize(void)
 478 {
 479         int i, res = -ENOMEM;
 480
 481         if (fscrypt_bounce_page_pool)
 482                 return 0;
 483
 484         mutex_lock(&fscrypt_init_mutex);
 485         if (fscrypt_bounce_page_pool)
 486                 goto already_initialized;
 487
 488         for (i = 0; i < num_prealloc_crypto_ctxs; i++) {
 489                 struct fscrypt_ctx *ctx;
 490
 491                 ctx = kmem_cache_zalloc(fscrypt_ctx_cachep, GFP_NOFS);
 492                 if (!ctx)
 493                         goto fail;
 494                 list_add(&ctx->free_list, &fscrypt_free_ctxs);
 495         }
 496
 497         fscrypt_bounce_page_pool =
 498                 mempool_create_page_pool(num_prealloc_crypto_pages, 0);
 499         if (!fscrypt_bounce_page_pool)
 500                 goto fail;
 501
 502 already_initialized:
 503         mutex_unlock(&fscrypt_init_mutex);
 504         return 0;
 505 fail:
 506         fscrypt_destroy();
 507         mutex_unlock(&fscrypt_init_mutex);
 508         return res;
 509 }
 510 EXPORT_SYMBOL(fscrypt_initialize);
 511
 512 /**
 513  * fscrypt_init() - Set up for fs encryption.
 514  */
 515 static int __init fscrypt_init(void)
 516 {
 517         fscrypt_read_workqueue = alloc_workqueue("fscrypt_read_queue",
 518                                                         WQ_HIGHPRI, 0);
 519         if (!fscrypt_read_workqueue)
 520                 goto fail;
 521
 522         fscrypt_ctx_cachep = KMEM_CACHE(fscrypt_ctx, SLAB_RECLAIM_ACCOUNT);
 523         if (!fscrypt_ctx_cachep)
 524                 goto fail_free_queue;
 525
 526         fscrypt_info_cachep = KMEM_CACHE(fscrypt_info, SLAB_RECLAIM_ACCOUNT);
 527         if (!fscrypt_info_cachep)
 528                 goto fail_free_ctx;
 529
 530         return 0;
 531
 532 fail_free_ctx:
 533         kmem_cache_destroy(fscrypt_ctx_cachep);
 534 fail_free_queue:
 535         destroy_workqueue(fscrypt_read_workqueue);
 536 fail:
 537         return -ENOMEM;
 538 }
 539 module_init(fscrypt_init)
 540
 541 /**
 542  * fscrypt_exit() - Shutdown the fs encryption system
 543  */
 544 static void __exit fscrypt_exit(void)
 545 {
 546         fscrypt_destroy();
 547
 548         if (fscrypt_read_workqueue)
 549                 destroy_workqueue(fscrypt_read_workqueue);
 550         kmem_cache_destroy(fscrypt_ctx_cachep);
 551         kmem_cache_destroy(fscrypt_info_cachep);
 552 }
 553 module_exit(fscrypt_exit);
 554
 555 MODULE_LICENSE("GPL");