LUKS2 Header Malleability and Null-Cipher Abuse in Confidential VMs

Tip

学习和实践 AWS 黑客技术：HackTricks Training AWS Red Team Expert (ARTE)
学习和实践 GCP 黑客技术：HackTricks Training GCP Red Team Expert (GRTE) 学习和实践 Azure 黑客技术：HackTricks Training Azure Red Team Expert (AzRTE)

支持 HackTricks

TL;DR

  • 许多基于 Linux 的 Confidential VMs (CVMs) 在 AMD SEV-SNP 或 Intel TDX 上运行，使用 LUKS2 作为持久存储。磁盘上的 LUKS2 header 是可篡改的，对于与存储相邻的攻击者没有完整性保护。
  • 如果 header 的 data segment encryption 被设置为 null cipher（例如 “cipher_null-ecb”），cryptsetup 会接受它，guest 会在认为磁盘已加密的情况下透明地读/写明文。
  • 在 cryptsetup 2.8.0 及以前，null ciphers 可用于 keyslots；从 2.8.1 起，对于带非空密码的 keyslots 会被拒绝，但 null ciphers 仍然允许用于 volume segments。
  • Remote attestation 通常只度量 VM 的代码/配置，而不是可变的外部 LUKS headers；如果没有显式的验证/度量，拥有磁盘写入权限的攻击者可以强制明文 I/O。

Background: LUKS2 on-disk format (what matters for attackers)

  • A LUKS2 device starts with a header followed by encrypted data.
  • The header contains two identical copies of a binary section and a JSON metadata section, plus one or more keyslots.
  • JSON metadata defines:
    • keyslots enabled and their wrapping KDF/cipher
    • segments that describe the data area (cipher/mode)
    • digests (e.g., hash of the volume key to verify passphrases)
  • Typical secure values: keyslot KDF argon2id; keyslot and data segment encryption aes-xts-plain64.

Quickly inspect the segment cipher directly from JSON:

# Read JSON metadata and print the configured data segment cipher
cryptsetup luksDump --type luks2 --dump-json-metadata /dev/VDISK \
| jq -r '.segments["0"].encryption'

Root cause

  • LUKS2 headers are not authenticated against storage tampering. A host/storage attacker can rewrite the JSON metadata accepted by cryptsetup.
  • As of cryptsetup 2.8.0, headers that set a segment’s encryption to cipher_null-ecb are accepted. The null cipher ignores keys and returns plaintext.
  • Up to 2.8.0, null ciphers could also be used for keyslots (keyslot opens with any passphrase). Since 2.8.1, null ciphers are rejected for keyslots with non-empty passwords, but remain allowed for segments. Switching only the segment cipher still yields plaintext I/O post-2.8.1.

Threat model: why attestation didn’t save you by default

  • CVMs aim to ensure confidentiality, integrity, and authenticity in an untrusted host.
  • Remote attestation usually measures the VM image and launch configuration, not the mutable LUKS header living on untrusted storage.
  • If your CVM trusts an on-disk header without robust validation/attestation, a storage attacker can alter it to a null cipher and your guest will mount a plaintext volume without error.

Exploitation (storage write access required)

Preconditions:

  • 对 CVM 的 LUKS2 加密块设备具有写入权限。
  • 客户机使用磁盘上的 LUKS2 header 而没有进行健壮的验证/attestation。

Steps (high level):

  1. 读取 header JSON 并识别 data segment 定义。示例目标字段：segments[“0”].encryption。
  2. 将 data segment 的 encryption 设置为 null cipher，例如 cipher_null-ecb。保持 keyslot 参数和 digest 结构不变，以便 guest 的常用 passphrase 仍然“有效”。
  3. 更新两个 header 副本及相关的 header digests，使 header 自洽。
  4. 在下一次启动时，guest 运行 cryptsetup，使用其 passphrase 成功解锁现有的 keyslot 并挂载卷。因为 segment cipher 是 null cipher，所有读/写都是明文。

Variant (pre-2.8.1 keyslot abuse): 如果某个 keyslot 的 area.encryption 使用 null cipher，则它可以被任意 passphrase 打开。将其与 null segment cipher 结合即可在不知晓 guest 密钥的情况下无缝获得明文访问。

Robust mitigations (avoid TOCTOU with detached headers)

始终将磁盘上的 LUKS headers 视为不受信任的输入。使用 detached-header 模式，以便验证和打开使用来自受保护 RAM 的相同受信任字节：

# Copy header into protected memory (e.g., tmpfs) and open from there
cryptsetup luksHeaderBackup --header-backup-file /tmp/luks_header /dev/VDISK
cryptsetup open --type luks2 --header /tmp/luks_header /dev/VDISK --key-file=key.txt

然后执行以下一项（或多项）：

  1. 对整个 header 进行 MAC
  • 在使用前对整个 header 计算/验证 MAC。
  • 只有在 MAC 验证通过时才打开 volume。
  • 实际例子：Flashbots tdx-init 和 Fortanix Salmiac 采用了基于 MAC 的验证。
  1. 严格的 JSON 验证（向后兼容）
  • 导出 JSON 元数据并验证一份严格的参数 allowlist（KDF、ciphers、segment count/type、flags）。
#!/bin/bash
set -e
# Store header in confidential RAM fs
cryptsetup luksHeaderBackup --header-backup-file /tmp/luks_header $BLOCK_DEVICE
# Dump JSON metadata header to a file
cryptsetup luksDump --type luks2 --dump-json-metadata /tmp/luks_header > header.json
# Validate the header
python validate.py header.json
# Open the cryptfs using key.txt
cryptsetup open --type luks2 --header /tmp/luks_header $BLOCK_DEVICE --key-file=key.txt
示例验证器（强制安全字段） ```python from json import load import sys with open(sys.argv[1], "r") as f: header = load(f) if len(header["keyslots"]) != 1: raise ValueError("Expected 1 keyslot") if header["keyslots"]["0"]["type"] != "luks2": raise ValueError("Expected luks2 keyslot") if header["keyslots"]["0"]["area"]["encryption"] != "aes-xts-plain64": raise ValueError("Expected aes-xts-plain64 encryption") if header["keyslots"]["0"]["kdf"]["type"] != "argon2id": raise ValueError("Expected argon2id kdf") if len(header["tokens"]) != 0: raise ValueError("Expected 0 tokens") if len(header["segments"]) != 1: raise ValueError("Expected 1 segment") if header["segments"]["0"]["type"] != "crypt": raise ValueError("Expected crypt segment") if header["segments"]["0"]["encryption"] != "aes-xts-plain64": raise ValueError("Expected aes-xts-plain64 encryption") if "flags" in header["segments"]["0"] and header["segments"]["0"]["flags"]: raise ValueError("Segment contains unexpected flags") ```
  1. Measure/attest the header
  • Remove random salts/digests and measure the sanitized header into TPM/TDX/SEV PCRs or KMS policy state.
  • Release decryption keys only when the measured header matches an approved, safe profile.

Operational guidance:

  • Enforce detached header + MAC or strict validation; never trust on-disk headers directly.
  • Consumers of attestation should deny pre-patch framework versions in allow-lists.

关于版本和维护者立场的说明

  • cryptsetup 维护者澄清，LUKS2 并非为在此场景下提供针对存储篡改的完整性保护而设计；null ciphers 为向后兼容而保留。
  • cryptsetup 2.8.1 (Oct 19, 2025) 在 keyslots 中带有非空密码时拒绝 null ciphers，但仍然允许 segments 使用 null ciphers。

快速检查与分流

  • 检查是否有任何 segment encryption 被设置为 a null cipher:
cryptsetup luksDump --type luks2 --dump-json-metadata /dev/VDISK \
| jq -r '.segments | to_entries[] | "segment=" + .key + ", enc=" + .value.encryption'
  • 在打开 volume 之前，验证 keyslot 和 segment 的算法。如果无法进行 MAC，请强制执行严格的 JSON 验证，并使用来自 protected memory 的 detached header 打开。

参考资料

Tip

学习和实践 AWS 黑客技术：HackTricks Training AWS Red Team Expert (ARTE)
学习和实践 GCP 黑客技术：HackTricks Training GCP Red Team Expert (GRTE) 学习和实践 Azure 黑客技术：HackTricks Training Azure Red Team Expert (AzRTE)

支持 HackTricks