Merge tag 'trace-printf-v6.13' of git://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/trace...
[drm/drm-misc.git] / Documentation / filesystems / fsverity.rst
blob76e53821786895033ee18be40bed8ba7e5a5b7d9
1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
3 .. _fsverity:
5 =======================================================
6 fs-verity: read-only file-based authenticity protection
7 =======================================================
9 Introduction
10 ============
12 fs-verity (``fs/verity/``) is a support layer that filesystems can
13 hook into to support transparent integrity and authenticity protection
14 of read-only files.  Currently, it is supported by the ext4, f2fs, and
15 btrfs filesystems.  Like fscrypt, not too much filesystem-specific
16 code is needed to support fs-verity.
18 fs-verity is similar to `dm-verity
19 <https://www.kernel.org/doc/Documentation/admin-guide/device-mapper/verity.rst>`_
20 but works on files rather than block devices.  On regular files on
21 filesystems supporting fs-verity, userspace can execute an ioctl that
22 causes the filesystem to build a Merkle tree for the file and persist
23 it to a filesystem-specific location associated with the file.
25 After this, the file is made readonly, and all reads from the file are
26 automatically verified against the file's Merkle tree.  Reads of any
27 corrupted data, including mmap reads, will fail.
29 Userspace can use another ioctl to retrieve the root hash (actually
30 the "fs-verity file digest", which is a hash that includes the Merkle
31 tree root hash) that fs-verity is enforcing for the file.  This ioctl
32 executes in constant time, regardless of the file size.
34 fs-verity is essentially a way to hash a file in constant time,
35 subject to the caveat that reads which would violate the hash will
36 fail at runtime.
38 Use cases
39 =========
41 By itself, fs-verity only provides integrity protection, i.e.
42 detection of accidental (non-malicious) corruption.
44 However, because fs-verity makes retrieving the file hash extremely
45 efficient, it's primarily meant to be used as a tool to support
46 authentication (detection of malicious modifications) or auditing
47 (logging file hashes before use).
49 A standard file hash could be used instead of fs-verity.  However,
50 this is inefficient if the file is large and only a small portion may
51 be accessed.  This is often the case for Android application package
52 (APK) files, for example.  These typically contain many translations,
53 classes, and other resources that are infrequently or even never
54 accessed on a particular device.  It would be slow and wasteful to
55 read and hash the entire file before starting the application.
57 Unlike an ahead-of-time hash, fs-verity also re-verifies data each
58 time it's paged in.  This ensures that malicious disk firmware can't
59 undetectably change the contents of the file at runtime.
61 fs-verity does not replace or obsolete dm-verity.  dm-verity should
62 still be used on read-only filesystems.  fs-verity is for files that
63 must live on a read-write filesystem because they are independently
64 updated and potentially user-installed, so dm-verity cannot be used.
66 fs-verity does not mandate a particular scheme for authenticating its
67 file hashes.  (Similarly, dm-verity does not mandate a particular
68 scheme for authenticating its block device root hashes.)  Options for
69 authenticating fs-verity file hashes include:
71 - Trusted userspace code.  Often, the userspace code that accesses
72   files can be trusted to authenticate them.  Consider e.g. an
73   application that wants to authenticate data files before using them,
74   or an application loader that is part of the operating system (which
75   is already authenticated in a different way, such as by being loaded
76   from a read-only partition that uses dm-verity) and that wants to
77   authenticate applications before loading them.  In these cases, this
78   trusted userspace code can authenticate a file's contents by
79   retrieving its fs-verity digest using `FS_IOC_MEASURE_VERITY`_, then
80   verifying a signature of it using any userspace cryptographic
81   library that supports digital signatures.
83 - Integrity Measurement Architecture (IMA).  IMA supports fs-verity
84   file digests as an alternative to its traditional full file digests.
85   "IMA appraisal" enforces that files contain a valid, matching
86   signature in their "security.ima" extended attribute, as controlled
87   by the IMA policy.  For more information, see the IMA documentation.
89 - Integrity Policy Enforcement (IPE).  IPE supports enforcing access
90   control decisions based on immutable security properties of files,
91   including those protected by fs-verity's built-in signatures.
92   "IPE policy" specifically allows for the authorization of fs-verity
93   files using properties ``fsverity_digest`` for identifying
94   files by their verity digest, and ``fsverity_signature`` to authorize
95   files with a verified fs-verity's built-in signature. For
96   details on configuring IPE policies and understanding its operational
97   modes, please refer to :doc:`IPE admin guide </admin-guide/LSM/ipe>`.
99 - Trusted userspace code in combination with `Built-in signature
100   verification`_.  This approach should be used only with great care.
102 User API
103 ========
105 FS_IOC_ENABLE_VERITY
106 --------------------
108 The FS_IOC_ENABLE_VERITY ioctl enables fs-verity on a file.  It takes
109 in a pointer to a struct fsverity_enable_arg, defined as
110 follows::
112     struct fsverity_enable_arg {
113             __u32 version;
114             __u32 hash_algorithm;
115             __u32 block_size;
116             __u32 salt_size;
117             __u64 salt_ptr;
118             __u32 sig_size;
119             __u32 __reserved1;
120             __u64 sig_ptr;
121             __u64 __reserved2[11];
122     };
124 This structure contains the parameters of the Merkle tree to build for
125 the file.  It must be initialized as follows:
127 - ``version`` must be 1.
128 - ``hash_algorithm`` must be the identifier for the hash algorithm to
129   use for the Merkle tree, such as FS_VERITY_HASH_ALG_SHA256.  See
130   ``include/uapi/linux/fsverity.h`` for the list of possible values.
131 - ``block_size`` is the Merkle tree block size, in bytes.  In Linux
132   v6.3 and later, this can be any power of 2 between (inclusively)
133   1024 and the minimum of the system page size and the filesystem
134   block size.  In earlier versions, the page size was the only allowed
135   value.
136 - ``salt_size`` is the size of the salt in bytes, or 0 if no salt is
137   provided.  The salt is a value that is prepended to every hashed
138   block; it can be used to personalize the hashing for a particular
139   file or device.  Currently the maximum salt size is 32 bytes.
140 - ``salt_ptr`` is the pointer to the salt, or NULL if no salt is
141   provided.
142 - ``sig_size`` is the size of the builtin signature in bytes, or 0 if no
143   builtin signature is provided.  Currently the builtin signature is
144   (somewhat arbitrarily) limited to 16128 bytes.
145 - ``sig_ptr``  is the pointer to the builtin signature, or NULL if no
146   builtin signature is provided.  A builtin signature is only needed
147   if the `Built-in signature verification`_ feature is being used.  It
148   is not needed for IMA appraisal, and it is not needed if the file
149   signature is being handled entirely in userspace.
150 - All reserved fields must be zeroed.
152 FS_IOC_ENABLE_VERITY causes the filesystem to build a Merkle tree for
153 the file and persist it to a filesystem-specific location associated
154 with the file, then mark the file as a verity file.  This ioctl may
155 take a long time to execute on large files, and it is interruptible by
156 fatal signals.
158 FS_IOC_ENABLE_VERITY checks for write access to the inode.  However,
159 it must be executed on an O_RDONLY file descriptor and no processes
160 can have the file open for writing.  Attempts to open the file for
161 writing while this ioctl is executing will fail with ETXTBSY.  (This
162 is necessary to guarantee that no writable file descriptors will exist
163 after verity is enabled, and to guarantee that the file's contents are
164 stable while the Merkle tree is being built over it.)
166 On success, FS_IOC_ENABLE_VERITY returns 0, and the file becomes a
167 verity file.  On failure (including the case of interruption by a
168 fatal signal), no changes are made to the file.
170 FS_IOC_ENABLE_VERITY can fail with the following errors:
172 - ``EACCES``: the process does not have write access to the file
173 - ``EBADMSG``: the builtin signature is malformed
174 - ``EBUSY``: this ioctl is already running on the file
175 - ``EEXIST``: the file already has verity enabled
176 - ``EFAULT``: the caller provided inaccessible memory
177 - ``EFBIG``: the file is too large to enable verity on
178 - ``EINTR``: the operation was interrupted by a fatal signal
179 - ``EINVAL``: unsupported version, hash algorithm, or block size; or
180   reserved bits are set; or the file descriptor refers to neither a
181   regular file nor a directory.
182 - ``EISDIR``: the file descriptor refers to a directory
183 - ``EKEYREJECTED``: the builtin signature doesn't match the file
184 - ``EMSGSIZE``: the salt or builtin signature is too long
185 - ``ENOKEY``: the ".fs-verity" keyring doesn't contain the certificate
186   needed to verify the builtin signature
187 - ``ENOPKG``: fs-verity recognizes the hash algorithm, but it's not
188   available in the kernel's crypto API as currently configured (e.g.
189   for SHA-512, missing CONFIG_CRYPTO_SHA512).
190 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement fs-verity
191 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with fs-verity
192   support; or the filesystem superblock has not had the 'verity'
193   feature enabled on it; or the filesystem does not support fs-verity
194   on this file.  (See `Filesystem support`_.)
195 - ``EPERM``: the file is append-only; or, a builtin signature is
196   required and one was not provided.
197 - ``EROFS``: the filesystem is read-only
198 - ``ETXTBSY``: someone has the file open for writing.  This can be the
199   caller's file descriptor, another open file descriptor, or the file
200   reference held by a writable memory map.
202 FS_IOC_MEASURE_VERITY
203 ---------------------
205 The FS_IOC_MEASURE_VERITY ioctl retrieves the digest of a verity file.
206 The fs-verity file digest is a cryptographic digest that identifies
207 the file contents that are being enforced on reads; it is computed via
208 a Merkle tree and is different from a traditional full-file digest.
210 This ioctl takes in a pointer to a variable-length structure::
212     struct fsverity_digest {
213             __u16 digest_algorithm;
214             __u16 digest_size; /* input/output */
215             __u8 digest[];
216     };
218 ``digest_size`` is an input/output field.  On input, it must be
219 initialized to the number of bytes allocated for the variable-length
220 ``digest`` field.
222 On success, 0 is returned and the kernel fills in the structure as
223 follows:
225 - ``digest_algorithm`` will be the hash algorithm used for the file
226   digest.  It will match ``fsverity_enable_arg::hash_algorithm``.
227 - ``digest_size`` will be the size of the digest in bytes, e.g. 32
228   for SHA-256.  (This can be redundant with ``digest_algorithm``.)
229 - ``digest`` will be the actual bytes of the digest.
231 FS_IOC_MEASURE_VERITY is guaranteed to execute in constant time,
232 regardless of the size of the file.
234 FS_IOC_MEASURE_VERITY can fail with the following errors:
236 - ``EFAULT``: the caller provided inaccessible memory
237 - ``ENODATA``: the file is not a verity file
238 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement fs-verity
239 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with fs-verity
240   support, or the filesystem superblock has not had the 'verity'
241   feature enabled on it.  (See `Filesystem support`_.)
242 - ``EOVERFLOW``: the digest is longer than the specified
243   ``digest_size`` bytes.  Try providing a larger buffer.
245 FS_IOC_READ_VERITY_METADATA
246 ---------------------------
248 The FS_IOC_READ_VERITY_METADATA ioctl reads verity metadata from a
249 verity file.  This ioctl is available since Linux v5.12.
251 This ioctl allows writing a server program that takes a verity file
252 and serves it to a client program, such that the client can do its own
253 fs-verity compatible verification of the file.  This only makes sense
254 if the client doesn't trust the server and if the server needs to
255 provide the storage for the client.
257 This is a fairly specialized use case, and most fs-verity users won't
258 need this ioctl.
260 This ioctl takes in a pointer to the following structure::
262    #define FS_VERITY_METADATA_TYPE_MERKLE_TREE     1
263    #define FS_VERITY_METADATA_TYPE_DESCRIPTOR      2
264    #define FS_VERITY_METADATA_TYPE_SIGNATURE       3
266    struct fsverity_read_metadata_arg {
267            __u64 metadata_type;
268            __u64 offset;
269            __u64 length;
270            __u64 buf_ptr;
271            __u64 __reserved;
272    };
274 ``metadata_type`` specifies the type of metadata to read:
276 - ``FS_VERITY_METADATA_TYPE_MERKLE_TREE`` reads the blocks of the
277   Merkle tree.  The blocks are returned in order from the root level
278   to the leaf level.  Within each level, the blocks are returned in
279   the same order that their hashes are themselves hashed.
280   See `Merkle tree`_ for more information.
282 - ``FS_VERITY_METADATA_TYPE_DESCRIPTOR`` reads the fs-verity
283   descriptor.  See `fs-verity descriptor`_.
285 - ``FS_VERITY_METADATA_TYPE_SIGNATURE`` reads the builtin signature
286   which was passed to FS_IOC_ENABLE_VERITY, if any.  See `Built-in
287   signature verification`_.
289 The semantics are similar to those of ``pread()``.  ``offset``
290 specifies the offset in bytes into the metadata item to read from, and
291 ``length`` specifies the maximum number of bytes to read from the
292 metadata item.  ``buf_ptr`` is the pointer to the buffer to read into,
293 cast to a 64-bit integer.  ``__reserved`` must be 0.  On success, the
294 number of bytes read is returned.  0 is returned at the end of the
295 metadata item.  The returned length may be less than ``length``, for
296 example if the ioctl is interrupted.
298 The metadata returned by FS_IOC_READ_VERITY_METADATA isn't guaranteed
299 to be authenticated against the file digest that would be returned by
300 `FS_IOC_MEASURE_VERITY`_, as the metadata is expected to be used to
301 implement fs-verity compatible verification anyway (though absent a
302 malicious disk, the metadata will indeed match).  E.g. to implement
303 this ioctl, the filesystem is allowed to just read the Merkle tree
304 blocks from disk without actually verifying the path to the root node.
306 FS_IOC_READ_VERITY_METADATA can fail with the following errors:
308 - ``EFAULT``: the caller provided inaccessible memory
309 - ``EINTR``: the ioctl was interrupted before any data was read
310 - ``EINVAL``: reserved fields were set, or ``offset + length``
311   overflowed
312 - ``ENODATA``: the file is not a verity file, or
313   FS_VERITY_METADATA_TYPE_SIGNATURE was requested but the file doesn't
314   have a builtin signature
315 - ``ENOTTY``: this type of filesystem does not implement fs-verity, or
316   this ioctl is not yet implemented on it
317 - ``EOPNOTSUPP``: the kernel was not configured with fs-verity
318   support, or the filesystem superblock has not had the 'verity'
319   feature enabled on it.  (See `Filesystem support`_.)
321 FS_IOC_GETFLAGS
322 ---------------
324 The existing ioctl FS_IOC_GETFLAGS (which isn't specific to fs-verity)
325 can also be used to check whether a file has fs-verity enabled or not.
326 To do so, check for FS_VERITY_FL (0x00100000) in the returned flags.
328 The verity flag is not settable via FS_IOC_SETFLAGS.  You must use
329 FS_IOC_ENABLE_VERITY instead, since parameters must be provided.
331 statx
332 -----
334 Since Linux v5.5, the statx() system call sets STATX_ATTR_VERITY if
335 the file has fs-verity enabled.  This can perform better than
336 FS_IOC_GETFLAGS and FS_IOC_MEASURE_VERITY because it doesn't require
337 opening the file, and opening verity files can be expensive.
339 .. _accessing_verity_files:
341 Accessing verity files
342 ======================
344 Applications can transparently access a verity file just like a
345 non-verity one, with the following exceptions:
347 - Verity files are readonly.  They cannot be opened for writing or
348   truncate()d, even if the file mode bits allow it.  Attempts to do
349   one of these things will fail with EPERM.  However, changes to
350   metadata such as owner, mode, timestamps, and xattrs are still
351   allowed, since these are not measured by fs-verity.  Verity files
352   can also still be renamed, deleted, and linked to.
354 - Direct I/O is not supported on verity files.  Attempts to use direct
355   I/O on such files will fall back to buffered I/O.
357 - DAX (Direct Access) is not supported on verity files, because this
358   would circumvent the data verification.
360 - Reads of data that doesn't match the verity Merkle tree will fail
361   with EIO (for read()) or SIGBUS (for mmap() reads).
363 - If the sysctl "fs.verity.require_signatures" is set to 1 and the
364   file is not signed by a key in the ".fs-verity" keyring, then
365   opening the file will fail.  See `Built-in signature verification`_.
367 Direct access to the Merkle tree is not supported.  Therefore, if a
368 verity file is copied, or is backed up and restored, then it will lose
369 its "verity"-ness.  fs-verity is primarily meant for files like
370 executables that are managed by a package manager.
372 File digest computation
373 =======================
375 This section describes how fs-verity hashes the file contents using a
376 Merkle tree to produce the digest which cryptographically identifies
377 the file contents.  This algorithm is the same for all filesystems
378 that support fs-verity.
380 Userspace only needs to be aware of this algorithm if it needs to
381 compute fs-verity file digests itself, e.g. in order to sign files.
383 .. _fsverity_merkle_tree:
385 Merkle tree
386 -----------
388 The file contents is divided into blocks, where the block size is
389 configurable but is usually 4096 bytes.  The end of the last block is
390 zero-padded if needed.  Each block is then hashed, producing the first
391 level of hashes.  Then, the hashes in this first level are grouped
392 into 'blocksize'-byte blocks (zero-padding the ends as needed) and
393 these blocks are hashed, producing the second level of hashes.  This
394 proceeds up the tree until only a single block remains.  The hash of
395 this block is the "Merkle tree root hash".
397 If the file fits in one block and is nonempty, then the "Merkle tree
398 root hash" is simply the hash of the single data block.  If the file
399 is empty, then the "Merkle tree root hash" is all zeroes.
401 The "blocks" here are not necessarily the same as "filesystem blocks".
403 If a salt was specified, then it's zero-padded to the closest multiple
404 of the input size of the hash algorithm's compression function, e.g.
405 64 bytes for SHA-256 or 128 bytes for SHA-512.  The padded salt is
406 prepended to every data or Merkle tree block that is hashed.
408 The purpose of the block padding is to cause every hash to be taken
409 over the same amount of data, which simplifies the implementation and
410 keeps open more possibilities for hardware acceleration.  The purpose
411 of the salt padding is to make the salting "free" when the salted hash
412 state is precomputed, then imported for each hash.
414 Example: in the recommended configuration of SHA-256 and 4K blocks,
415 128 hash values fit in each block.  Thus, each level of the Merkle
416 tree is approximately 128 times smaller than the previous, and for
417 large files the Merkle tree's size converges to approximately 1/127 of
418 the original file size.  However, for small files, the padding is
419 significant, making the space overhead proportionally more.
421 .. _fsverity_descriptor:
423 fs-verity descriptor
424 --------------------
426 By itself, the Merkle tree root hash is ambiguous.  For example, it
427 can't a distinguish a large file from a small second file whose data
428 is exactly the top-level hash block of the first file.  Ambiguities
429 also arise from the convention of padding to the next block boundary.
431 To solve this problem, the fs-verity file digest is actually computed
432 as a hash of the following structure, which contains the Merkle tree
433 root hash as well as other fields such as the file size::
435     struct fsverity_descriptor {
436             __u8 version;           /* must be 1 */
437             __u8 hash_algorithm;    /* Merkle tree hash algorithm */
438             __u8 log_blocksize;     /* log2 of size of data and tree blocks */
439             __u8 salt_size;         /* size of salt in bytes; 0 if none */
440             __le32 __reserved_0x04; /* must be 0 */
441             __le64 data_size;       /* size of file the Merkle tree is built over */
442             __u8 root_hash[64];     /* Merkle tree root hash */
443             __u8 salt[32];          /* salt prepended to each hashed block */
444             __u8 __reserved[144];   /* must be 0's */
445     };
447 Built-in signature verification
448 ===============================
450 CONFIG_FS_VERITY_BUILTIN_SIGNATURES=y adds supports for in-kernel
451 verification of fs-verity builtin signatures.
453 **IMPORTANT**!  Please take great care before using this feature.
454 It is not the only way to do signatures with fs-verity, and the
455 alternatives (such as userspace signature verification, and IMA
456 appraisal) can be much better.  It's also easy to fall into a trap
457 of thinking this feature solves more problems than it actually does.
459 Enabling this option adds the following:
461 1. At boot time, the kernel creates a keyring named ".fs-verity".  The
462    root user can add trusted X.509 certificates to this keyring using
463    the add_key() system call.
465 2. `FS_IOC_ENABLE_VERITY`_ accepts a pointer to a PKCS#7 formatted
466    detached signature in DER format of the file's fs-verity digest.
467    On success, the ioctl persists the signature alongside the Merkle
468    tree.  Then, any time the file is opened, the kernel verifies the
469    file's actual digest against this signature, using the certificates
470    in the ".fs-verity" keyring. This verification happens as long as the
471    file's signature exists, regardless of the state of the sysctl variable
472    "fs.verity.require_signatures" described in the next item. The IPE LSM
473    relies on this behavior to recognize and label fsverity files
474    that contain a verified built-in fsverity signature.
476 3. A new sysctl "fs.verity.require_signatures" is made available.
477    When set to 1, the kernel requires that all verity files have a
478    correctly signed digest as described in (2).
480 The data that the signature as described in (2) must be a signature of
481 is the fs-verity file digest in the following format::
483     struct fsverity_formatted_digest {
484             char magic[8];                  /* must be "FSVerity" */
485             __le16 digest_algorithm;
486             __le16 digest_size;
487             __u8 digest[];
488     };
490 That's it.  It should be emphasized again that fs-verity builtin
491 signatures are not the only way to do signatures with fs-verity.  See
492 `Use cases`_ for an overview of ways in which fs-verity can be used.
493 fs-verity builtin signatures have some major limitations that should
494 be carefully considered before using them:
496 - Builtin signature verification does *not* make the kernel enforce
497   that any files actually have fs-verity enabled.  Thus, it is not a
498   complete authentication policy.  Currently, if it is used, one
499   way to complete the authentication policy is for trusted userspace
500   code to explicitly check whether files have fs-verity enabled with a
501   signature before they are accessed.  (With
502   fs.verity.require_signatures=1, just checking whether fs-verity is
503   enabled suffices.)  But, in this case the trusted userspace code
504   could just store the signature alongside the file and verify it
505   itself using a cryptographic library, instead of using this feature.
507 - Another approach is to utilize fs-verity builtin signature
508   verification in conjunction with the IPE LSM, which supports defining
509   a kernel-enforced, system-wide authentication policy that allows only
510   files with a verified fs-verity builtin signature to perform certain
511   operations, such as execution. Note that IPE doesn't require
512   fs.verity.require_signatures=1.
513   Please refer to :doc:`IPE admin guide </admin-guide/LSM/ipe>` for
514   more details.
516 - A file's builtin signature can only be set at the same time that
517   fs-verity is being enabled on the file.  Changing or deleting the
518   builtin signature later requires re-creating the file.
520 - Builtin signature verification uses the same set of public keys for
521   all fs-verity enabled files on the system.  Different keys cannot be
522   trusted for different files; each key is all or nothing.
524 - The sysctl fs.verity.require_signatures applies system-wide.
525   Setting it to 1 only works when all users of fs-verity on the system
526   agree that it should be set to 1.  This limitation can prevent
527   fs-verity from being used in cases where it would be helpful.
529 - Builtin signature verification can only use signature algorithms
530   that are supported by the kernel.  For example, the kernel does not
531   yet support Ed25519, even though this is often the signature
532   algorithm that is recommended for new cryptographic designs.
534 - fs-verity builtin signatures are in PKCS#7 format, and the public
535   keys are in X.509 format.  These formats are commonly used,
536   including by some other kernel features (which is why the fs-verity
537   builtin signatures use them), and are very feature rich.
538   Unfortunately, history has shown that code that parses and handles
539   these formats (which are from the 1990s and are based on ASN.1)
540   often has vulnerabilities as a result of their complexity.  This
541   complexity is not inherent to the cryptography itself.
543   fs-verity users who do not need advanced features of X.509 and
544   PKCS#7 should strongly consider using simpler formats, such as plain
545   Ed25519 keys and signatures, and verifying signatures in userspace.
547   fs-verity users who choose to use X.509 and PKCS#7 anyway should
548   still consider that verifying those signatures in userspace is more
549   flexible (for other reasons mentioned earlier in this document) and
550   eliminates the need to enable CONFIG_FS_VERITY_BUILTIN_SIGNATURES
551   and its associated increase in kernel attack surface.  In some cases
552   it can even be necessary, since advanced X.509 and PKCS#7 features
553   do not always work as intended with the kernel.  For example, the
554   kernel does not check X.509 certificate validity times.
556   Note: IMA appraisal, which supports fs-verity, does not use PKCS#7
557   for its signatures, so it partially avoids the issues discussed
558   here.  IMA appraisal does use X.509.
560 Filesystem support
561 ==================
563 fs-verity is supported by several filesystems, described below.  The
564 CONFIG_FS_VERITY kconfig option must be enabled to use fs-verity on
565 any of these filesystems.
567 ``include/linux/fsverity.h`` declares the interface between the
568 ``fs/verity/`` support layer and filesystems.  Briefly, filesystems
569 must provide an ``fsverity_operations`` structure that provides
570 methods to read and write the verity metadata to a filesystem-specific
571 location, including the Merkle tree blocks and
572 ``fsverity_descriptor``.  Filesystems must also call functions in
573 ``fs/verity/`` at certain times, such as when a file is opened or when
574 pages have been read into the pagecache.  (See `Verifying data`_.)
576 ext4
577 ----
579 ext4 supports fs-verity since Linux v5.4 and e2fsprogs v1.45.2.
581 To create verity files on an ext4 filesystem, the filesystem must have
582 been formatted with ``-O verity`` or had ``tune2fs -O verity`` run on
583 it.  "verity" is an RO_COMPAT filesystem feature, so once set, old
584 kernels will only be able to mount the filesystem readonly, and old
585 versions of e2fsck will be unable to check the filesystem.
587 Originally, an ext4 filesystem with the "verity" feature could only be
588 mounted when its block size was equal to the system page size
589 (typically 4096 bytes).  In Linux v6.3, this limitation was removed.
591 ext4 sets the EXT4_VERITY_FL on-disk inode flag on verity files.  It
592 can only be set by `FS_IOC_ENABLE_VERITY`_, and it cannot be cleared.
594 ext4 also supports encryption, which can be used simultaneously with
595 fs-verity.  In this case, the plaintext data is verified rather than
596 the ciphertext.  This is necessary in order to make the fs-verity file
597 digest meaningful, since every file is encrypted differently.
599 ext4 stores the verity metadata (Merkle tree and fsverity_descriptor)
600 past the end of the file, starting at the first 64K boundary beyond
601 i_size.  This approach works because (a) verity files are readonly,
602 and (b) pages fully beyond i_size aren't visible to userspace but can
603 be read/written internally by ext4 with only some relatively small
604 changes to ext4.  This approach avoids having to depend on the
605 EA_INODE feature and on rearchitecturing ext4's xattr support to
606 support paging multi-gigabyte xattrs into memory, and to support
607 encrypting xattrs.  Note that the verity metadata *must* be encrypted
608 when the file is, since it contains hashes of the plaintext data.
610 ext4 only allows verity on extent-based files.
612 f2fs
613 ----
615 f2fs supports fs-verity since Linux v5.4 and f2fs-tools v1.11.0.
617 To create verity files on an f2fs filesystem, the filesystem must have
618 been formatted with ``-O verity``.
620 f2fs sets the FADVISE_VERITY_BIT on-disk inode flag on verity files.
621 It can only be set by `FS_IOC_ENABLE_VERITY`_, and it cannot be
622 cleared.
624 Like ext4, f2fs stores the verity metadata (Merkle tree and
625 fsverity_descriptor) past the end of the file, starting at the first
626 64K boundary beyond i_size.  See explanation for ext4 above.
627 Moreover, f2fs supports at most 4096 bytes of xattr entries per inode
628 which usually wouldn't be enough for even a single Merkle tree block.
630 f2fs doesn't support enabling verity on files that currently have
631 atomic or volatile writes pending.
633 btrfs
634 -----
636 btrfs supports fs-verity since Linux v5.15.  Verity-enabled inodes are
637 marked with a RO_COMPAT inode flag, and the verity metadata is stored
638 in separate btree items.
640 Implementation details
641 ======================
643 Verifying data
644 --------------
646 fs-verity ensures that all reads of a verity file's data are verified,
647 regardless of which syscall is used to do the read (e.g. mmap(),
648 read(), pread()) and regardless of whether it's the first read or a
649 later read (unless the later read can return cached data that was
650 already verified).  Below, we describe how filesystems implement this.
652 Pagecache
653 ~~~~~~~~~
655 For filesystems using Linux's pagecache, the ``->read_folio()`` and
656 ``->readahead()`` methods must be modified to verify folios before
657 they are marked Uptodate.  Merely hooking ``->read_iter()`` would be
658 insufficient, since ``->read_iter()`` is not used for memory maps.
660 Therefore, fs/verity/ provides the function fsverity_verify_blocks()
661 which verifies data that has been read into the pagecache of a verity
662 inode.  The containing folio must still be locked and not Uptodate, so
663 it's not yet readable by userspace.  As needed to do the verification,
664 fsverity_verify_blocks() will call back into the filesystem to read
665 hash blocks via fsverity_operations::read_merkle_tree_page().
667 fsverity_verify_blocks() returns false if verification failed; in this
668 case, the filesystem must not set the folio Uptodate.  Following this,
669 as per the usual Linux pagecache behavior, attempts by userspace to
670 read() from the part of the file containing the folio will fail with
671 EIO, and accesses to the folio within a memory map will raise SIGBUS.
673 In principle, verifying a data block requires verifying the entire
674 path in the Merkle tree from the data block to the root hash.
675 However, for efficiency the filesystem may cache the hash blocks.
676 Therefore, fsverity_verify_blocks() only ascends the tree reading hash
677 blocks until an already-verified hash block is seen.  It then verifies
678 the path to that block.
680 This optimization, which is also used by dm-verity, results in
681 excellent sequential read performance.  This is because usually (e.g.
682 127 in 128 times for 4K blocks and SHA-256) the hash block from the
683 bottom level of the tree will already be cached and checked from
684 reading a previous data block.  However, random reads perform worse.
686 Block device based filesystems
687 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
689 Block device based filesystems (e.g. ext4 and f2fs) in Linux also use
690 the pagecache, so the above subsection applies too.  However, they
691 also usually read many data blocks from a file at once, grouped into a
692 structure called a "bio".  To make it easier for these types of
693 filesystems to support fs-verity, fs/verity/ also provides a function
694 fsverity_verify_bio() which verifies all data blocks in a bio.
696 ext4 and f2fs also support encryption.  If a verity file is also
697 encrypted, the data must be decrypted before being verified.  To
698 support this, these filesystems allocate a "post-read context" for
699 each bio and store it in ``->bi_private``::
701     struct bio_post_read_ctx {
702            struct bio *bio;
703            struct work_struct work;
704            unsigned int cur_step;
705            unsigned int enabled_steps;
706     };
708 ``enabled_steps`` is a bitmask that specifies whether decryption,
709 verity, or both is enabled.  After the bio completes, for each needed
710 postprocessing step the filesystem enqueues the bio_post_read_ctx on a
711 workqueue, and then the workqueue work does the decryption or
712 verification.  Finally, folios where no decryption or verity error
713 occurred are marked Uptodate, and the folios are unlocked.
715 On many filesystems, files can contain holes.  Normally,
716 ``->readahead()`` simply zeroes hole blocks and considers the
717 corresponding data to be up-to-date; no bios are issued.  To prevent
718 this case from bypassing fs-verity, filesystems use
719 fsverity_verify_blocks() to verify hole blocks.
721 Filesystems also disable direct I/O on verity files, since otherwise
722 direct I/O would bypass fs-verity.
724 Userspace utility
725 =================
727 This document focuses on the kernel, but a userspace utility for
728 fs-verity can be found at:
730         https://git.kernel.org/pub/scm/fs/fsverity/fsverity-utils.git
732 See the README.md file in the fsverity-utils source tree for details,
733 including examples of setting up fs-verity protected files.
735 Tests
736 =====
738 To test fs-verity, use xfstests.  For example, using `kvm-xfstests
739 <https://github.com/tytso/xfstests-bld/blob/master/Documentation/kvm-quickstart.md>`_::
741     kvm-xfstests -c ext4,f2fs,btrfs -g verity
746 This section answers frequently asked questions about fs-verity that
747 weren't already directly answered in other parts of this document.
749 :Q: Why isn't fs-verity part of IMA?
750 :A: fs-verity and IMA (Integrity Measurement Architecture) have
751     different focuses.  fs-verity is a filesystem-level mechanism for
752     hashing individual files using a Merkle tree.  In contrast, IMA
753     specifies a system-wide policy that specifies which files are
754     hashed and what to do with those hashes, such as log them,
755     authenticate them, or add them to a measurement list.
757     IMA supports the fs-verity hashing mechanism as an alternative
758     to full file hashes, for those who want the performance and
759     security benefits of the Merkle tree based hash.  However, it
760     doesn't make sense to force all uses of fs-verity to be through
761     IMA.  fs-verity already meets many users' needs even as a
762     standalone filesystem feature, and it's testable like other
763     filesystem features e.g. with xfstests.
765 :Q: Isn't fs-verity useless because the attacker can just modify the
766     hashes in the Merkle tree, which is stored on-disk?
767 :A: To verify the authenticity of an fs-verity file you must verify
768     the authenticity of the "fs-verity file digest", which
769     incorporates the root hash of the Merkle tree.  See `Use cases`_.
771 :Q: Isn't fs-verity useless because the attacker can just replace a
772     verity file with a non-verity one?
773 :A: See `Use cases`_.  In the initial use case, it's really trusted
774     userspace code that authenticates the files; fs-verity is just a
775     tool to do this job efficiently and securely.  The trusted
776     userspace code will consider non-verity files to be inauthentic.
778 :Q: Why does the Merkle tree need to be stored on-disk?  Couldn't you
779     store just the root hash?
780 :A: If the Merkle tree wasn't stored on-disk, then you'd have to
781     compute the entire tree when the file is first accessed, even if
782     just one byte is being read.  This is a fundamental consequence of
783     how Merkle tree hashing works.  To verify a leaf node, you need to
784     verify the whole path to the root hash, including the root node
785     (the thing which the root hash is a hash of).  But if the root
786     node isn't stored on-disk, you have to compute it by hashing its
787     children, and so on until you've actually hashed the entire file.
789     That defeats most of the point of doing a Merkle tree-based hash,
790     since if you have to hash the whole file ahead of time anyway,
791     then you could simply do sha256(file) instead.  That would be much
792     simpler, and a bit faster too.
794     It's true that an in-memory Merkle tree could still provide the
795     advantage of verification on every read rather than just on the
796     first read.  However, it would be inefficient because every time a
797     hash page gets evicted (you can't pin the entire Merkle tree into
798     memory, since it may be very large), in order to restore it you
799     again need to hash everything below it in the tree.  This again
800     defeats most of the point of doing a Merkle tree-based hash, since
801     a single block read could trigger re-hashing gigabytes of data.
803 :Q: But couldn't you store just the leaf nodes and compute the rest?
804 :A: See previous answer; this really just moves up one level, since
805     one could alternatively interpret the data blocks as being the
806     leaf nodes of the Merkle tree.  It's true that the tree can be
807     computed much faster if the leaf level is stored rather than just
808     the data, but that's only because each level is less than 1% the
809     size of the level below (assuming the recommended settings of
810     SHA-256 and 4K blocks).  For the exact same reason, by storing
811     "just the leaf nodes" you'd already be storing over 99% of the
812     tree, so you might as well simply store the whole tree.
814 :Q: Can the Merkle tree be built ahead of time, e.g. distributed as
815     part of a package that is installed to many computers?
816 :A: This isn't currently supported.  It was part of the original
817     design, but was removed to simplify the kernel UAPI and because it
818     wasn't a critical use case.  Files are usually installed once and
819     used many times, and cryptographic hashing is somewhat fast on
820     most modern processors.
822 :Q: Why doesn't fs-verity support writes?
823 :A: Write support would be very difficult and would require a
824     completely different design, so it's well outside the scope of
825     fs-verity.  Write support would require:
827     - A way to maintain consistency between the data and hashes,
828       including all levels of hashes, since corruption after a crash
829       (especially of potentially the entire file!) is unacceptable.
830       The main options for solving this are data journalling,
831       copy-on-write, and log-structured volume.  But it's very hard to
832       retrofit existing filesystems with new consistency mechanisms.
833       Data journalling is available on ext4, but is very slow.
835     - Rebuilding the Merkle tree after every write, which would be
836       extremely inefficient.  Alternatively, a different authenticated
837       dictionary structure such as an "authenticated skiplist" could
838       be used.  However, this would be far more complex.
840     Compare it to dm-verity vs. dm-integrity.  dm-verity is very
841     simple: the kernel just verifies read-only data against a
842     read-only Merkle tree.  In contrast, dm-integrity supports writes
843     but is slow, is much more complex, and doesn't actually support
844     full-device authentication since it authenticates each sector
845     independently, i.e. there is no "root hash".  It doesn't really
846     make sense for the same device-mapper target to support these two
847     very different cases; the same applies to fs-verity.
849 :Q: Since verity files are immutable, why isn't the immutable bit set?
850 :A: The existing "immutable" bit (FS_IMMUTABLE_FL) already has a
851     specific set of semantics which not only make the file contents
852     read-only, but also prevent the file from being deleted, renamed,
853     linked to, or having its owner or mode changed.  These extra
854     properties are unwanted for fs-verity, so reusing the immutable
855     bit isn't appropriate.
857 :Q: Why does the API use ioctls instead of setxattr() and getxattr()?
858 :A: Abusing the xattr interface for basically arbitrary syscalls is
859     heavily frowned upon by most of the Linux filesystem developers.
860     An xattr should really just be an xattr on-disk, not an API to
861     e.g. magically trigger construction of a Merkle tree.
863 :Q: Does fs-verity support remote filesystems?
864 :A: So far all filesystems that have implemented fs-verity support are
865     local filesystems, but in principle any filesystem that can store
866     per-file verity metadata can support fs-verity, regardless of
867     whether it's local or remote.  Some filesystems may have fewer
868     options of where to store the verity metadata; one possibility is
869     to store it past the end of the file and "hide" it from userspace
870     by manipulating i_size.  The data verification functions provided
871     by ``fs/verity/`` also assume that the filesystem uses the Linux
872     pagecache, but both local and remote filesystems normally do so.
874 :Q: Why is anything filesystem-specific at all?  Shouldn't fs-verity
875     be implemented entirely at the VFS level?
876 :A: There are many reasons why this is not possible or would be very
877     difficult, including the following:
879     - To prevent bypassing verification, folios must not be marked
880       Uptodate until they've been verified.  Currently, each
881       filesystem is responsible for marking folios Uptodate via
882       ``->readahead()``.  Therefore, currently it's not possible for
883       the VFS to do the verification on its own.  Changing this would
884       require significant changes to the VFS and all filesystems.
886     - It would require defining a filesystem-independent way to store
887       the verity metadata.  Extended attributes don't work for this
888       because (a) the Merkle tree may be gigabytes, but many
889       filesystems assume that all xattrs fit into a single 4K
890       filesystem block, and (b) ext4 and f2fs encryption doesn't
891       encrypt xattrs, yet the Merkle tree *must* be encrypted when the
892       file contents are, because it stores hashes of the plaintext
893       file contents.
895       So the verity metadata would have to be stored in an actual
896       file.  Using a separate file would be very ugly, since the
897       metadata is fundamentally part of the file to be protected, and
898       it could cause problems where users could delete the real file
899       but not the metadata file or vice versa.  On the other hand,
900       having it be in the same file would break applications unless
901       filesystems' notion of i_size were divorced from the VFS's,
902       which would be complex and require changes to all filesystems.
904     - It's desirable that FS_IOC_ENABLE_VERITY uses the filesystem's
905       transaction mechanism so that either the file ends up with
906       verity enabled, or no changes were made.  Allowing intermediate
907       states to occur after a crash may cause problems.