LUKS フルディスク暗号化サーバーガイド

LUKS（Linux Unified Key Setup）は、Linux ブロックデバイス全体を暗号化するため、マスターキーがなければその内容を読み取ることができません。 盗難に遭ったドライブ、廃棄されたシャーシ、置き忘れたバックアップディスク――LUKSが正しく設定されていれば、これらによってデータが漏洩することはありません。本記事では、LVMレイアウト、鍵管理、リモートアンロック、およびユーザーが自身のデータにアクセスできなくなるような障害モードを含め、サーバーへのLUKSフルディスク暗号化の導入方法について解説します。

ここで参照する実装は、CPUにAES-NIを搭載したLinuxサーバー上で、暗号化コンテナ内にLVMを配置したLUKS2です。この組み合わせは、あらゆる最新のワークロードに対応し、優れたパフォーマンスを発揮するとともに、HIPAA、PCI-DSS、GDPR、SOC 2における保存データの要件を満たします。

なぜLUKS2なのか、そして最初に確認すべきこと

LUKSはdm-cryptを使用してブロックデバイス層で暗号化を行い、マスターキーはLUKSヘッダー内のキースロットに格納されます。この分離が重要です。ディスクを再暗号化することなく、パスフレーズのローテーションや新しいキーの追加が可能です。

LUKS2が現在のデフォルトです。最大32のキースロット、JSON形式のメタデータ、オンライン再暗号化、および --integrity フラグによる認証付き暗号化をサポートしています。LUKS1は8つのキースロットをサポートしており、古いシステムでは問題ありませんが、新規導入ではLUKS2から始めるべきです。

最新のハードウェアでは、AES-NI によるパフォーマンスのオーバーヘッドは通常 5% 未満です。開始前に確認してください：

grep -o aes /proc/cpuinfo | head -1
cryptsetup benchmark

もし grep が何も返さない場合、お使いの CPU には AES-NI が搭載されておらず、高負荷の I/O 環境下では暗号化処理が CPU ボトルネックとなります。 cryptsetup benchmark は暗号ごとのスループットを表示するため、ハードウェアがサポートする中で最も高速なものを選択できます。また、cryptsetupがインストールされており、 dm-crypt カーネルモジュールが利用可能であることを確認してください。これらはすべて、Ubuntu、Debian、RHEL、およびArchにデフォルトで同梱されています。

ディスク構成

暗号化されないパーティションは2つあります。EFIシステムパーティション（512 MB、FAT32）と /boot （1～2 GB、ext4 または xfs）です。GRUB は、パスフレーズの入力を求める前に、これら両方を読み込む必要があります。それ以外のすべては LUKS コンテナ内に配置されます。

推奨されるレイアウトは、LUKS 内の LVM です。1 つの LUKS コンテナに LVM ボリュームグループを格納し、root、swap、およびデータパーティション用の論理ボリュームを作成します。これにより、LVM メタデータは暗号化されたままになり、LUKS レイヤーに触れることなくボリュームのサイズ変更やスナップショットを作成することができます。 LUKS-on-LVMも機能しますが、その場合はボリュームグループ構造が公開されてしまいます。

ルートボリュームの安全なデフォルトは ext4 です。xfs は大容量ファイルや並列書き込みへの対応に優れており、メディア、ML、データベースサーバーではこれが重要です。SSD や NVMe を使用する場合は、 discard オプションを追加して /etc/crypttab にオプションを追加して TRIM を有効にしてください。TRIM はどのセクタが使用中かを明らかにするため、わずかな情報漏洩となります。ほとんどのワークロードでは、ウェアレベリングのメリットがそれを上回ります。脅威モデルにデバイスのフォレンジック分析が含まれる場合は、無効にしておいてください。

LVMを使用したLUKSの設定

対象ディスクを次のように特定します lsblk を使用して対象ディスクを特定し、既存のメタデータを消去します:

wipefs -a /dev/sdX

必要に応じて、ランダムなデータで上書きし、暗号化されたブロックが空き領域と区別できないようにします:

dd if=/dev/urandom of=/dev/sdX bs=1M status=progress

LUKS2コンテナを初期化します。 --sector-size 4096 を使用します（4K物理セクタを持つNVMeおよび最新のSSDの場合）：

cryptsetup luksFormat --type luks2 --sector-size 4096 /dev/sdX
cryptsetup luksOpen /dev/sdX cryptdata

ディスクにデータを書き込む前に、直ちにヘッダーをバックアップします:

cryptsetup luksHeaderBackup /dev/sdX --header-backup-file luks-header-backup.img

ロック解除されたコンテナ上にLVMを作成し、論理ボリュームをフォーマットします:

pvcreate /dev/mapper/cryptdata
vgcreate vg_secure /dev/mapper/cryptdata
lvcreate -L 50G -n lv_root vg_secure
lvcreate -L 8G -n lv_swap vg_secure
 
mkfs.xfs /dev/vg_secure/lv_root
mkswap /dev/vg_secure/lv_swap

にエントリを追加します /etc/crypttab にエントリを追加します。 /dev/sdX（再起動のたびに変更される可能性があるため）。 blkid /dev/sdX:

cryptdata UUID=<your-uuid> none luks,discard

その後、 /etc/fstab:

/dev/vg_secure/lv_root  /  xfs  defaults,noatime  0 1

ブート時に暗号化フックが読み込まれるよう、initramfsを再生成します:

# Debian/Ubuntu
update-initramfs -u -k all
 
# RHEL/Fedora
dracut -f --regenerate-all

再起動し、パスフレーズを入力して、 cryptsetup status cryptdata および lsblk -f。後者のコマンドでは、 crypto_LUKS と表示されるはずです。

鍵管理とリモートアンロック

LUKS2は32個のキースロットをサポートしています。最初から少なくとも3つを使用してください：管理者パスフレーズ、オフラインで保管するリカバリキー（印刷して施錠された場所に保管するか、金庫内の暗号化されたUSBに保存）、およびセカンダリデータボリュームの自動ロック解除用のキーファイルです。 非ASCII文字は、ブートプロンプトでのキーボードレイアウトの問題を引き起こし、そのデバッグには多大な労力を要するため、95種類の印刷可能なASCII文字に限定してください。アクセス権を持つメンバーがチームを離れる際は、必ず管理者パスフレーズを変更してください。

アクティブなスロットを表示するには cryptsetup luksDump /dev/sdXでアクティブなスロットを確認し、 cryptsetup luksAddKeyでキーを追加し、 cryptsetup luksKillSlotでキーを無効化します。キーファイルは厳格なアクセス権限で保護してください：

chmod 0400 /etc/luks/keyfile.bin

遠隔データセンター内のヘッドレスサーバーの場合、パスフレーズの入力プロンプトが問題となります。これに対処する3つの方法：

Dropbearはinitramfs内で小型のSSHサーバーを実行します。 起動後にSSHで接続し、パスフレーズを手動で入力します。ClevisとTangの組み合わせでは、ネットワーク依存のディスク暗号化が使用されます。信頼されたネットワーク上のTangサーバーに接続できれば、サーバーは自動的にロックを解除します。Tangはユーザーの鍵を保存せず、McCallum-Relyea交換の片側を提供します。複数のTangサーバーを使用し、 sss pinを使用して複数のTangサーバーを利用することで、1台がオフラインでもロック解除が可能になります。TPM 2.0バインディングでは systemd-cryptenroll を使用すると、鍵がPCR 7（セキュアブート状態）に紐付けられるため、ファームウェアとブートローダーが改ざんされていない場合にのみサーバーはロックを解除します。ファームウェアの更新によりPCR値が変更されるため、TPMを使用する際は常にパスフレーズによる鍵スロットをフォールバックとして保持してください。

セキュリティ強化とロックアウトの回避

20文字以上のパスフレーズを使用してください。 --integrity を有効にしてください luksFormat を有効にしてください。これには書き込み増幅のコストが伴うため、事前にベンチマークを実施してください。

LUKS コンテナをマシン間で複製しないでください。ボリュームキーも一緒にコピーされるため、一方のホストでパスフレーズを変更しても、もう一方のホストは保護されません。各ディスクを個別に再フォーマットしてください。

安全な廃棄処理のためには、 cryptsetup erase /dev/sdX 数ミリ秒ですべてのキースロットを消去し、物理的に破壊しない限りディスクを復元不可能にします。これだけでも、デフォルトですべてを暗号化すべきという強力な根拠となります。

一般的な障害モード：

最も重大な障害モードはヘッダーの破損です。LUKSヘッダーが失われたり破損したりすると、データは失われます。ヘッダーのバックアップから復元する以外、回復手段はありません。コピーを別のメディアに保存し、理想的には2か所に保管してください。決して暗号化されたディスク自体には保存しないでください。重要度の低いセカンダリボリュームについては、 nofail を /etc/crypttab を追加し、マウントに失敗してもブートがハングしないようにしてください。

FDCの専用サーバーには、AES-NIおよびフルディスク暗号化を標準でサポートするハードウェアが搭載されています。デプロイの準備が整ったら、専用サーバーを設定してください。