磁碟全盤加密技術，如果只說用TPM的話，我個人感覺還是不能說明問題的。網上關於TPM的介紹大多數都是重複的那幾句話，並沒有介紹TPM到底以什麼樣的方式工作的。

比如使用者是可以改密碼的，但是改密碼並沒有影響bitlocker的運行，改密碼是瞬間完成的，說明改密碼不影響加密結果。

絕大多數全盤加密的軟體實現裡（包括並不限於：bitlocker，trueCrypt，安卓的全盤加密等等），需要解決的兩個最重要的問題是：

1. 加密解密性能要足夠快。

2. 用戶可以隨意改密碼，這個改密碼的過程必須立即生效，而不是重新解密、加密所有數據。

注：本文中提到的盤，一般指的是分區，而非物理的整個盤，雖然很多軟體也支援物理全盤加密，但通常情況下，加密都是針對分區層面的。

對於第一條，也就是性能問題，絕大多數加密演算法，都使用對稱加密演算法（比如AES-128/256），因為非對稱演算法的計算量太大，不能滿足日常需求。磁碟加密演算法，一般情況下使用的是AES-XTS或者它的變種，AES演算法有ECB、CBC、XTS等若干變種：

ECB：把數據拆分成若干組，每一組獨立加密、解密，這種演算法有一個缺陷，就是當有駭客獲取了足夠多的樣本以後，是有可能暴力破解的，因為只要是同樣的數據內容，ECB加密的結果一定是相同的。

CBC：把數據拆分成若干組，使用一個初始化向量（IV），前面每一組的數據加密完以後，都會產生一個新的值，簡單的說就是把前面一組的數據的加密結果，作為後面一組數據加密的一部分輸入，這樣的好處就是即使駭客截取了足夠多的樣本數據，破解起來難度仍然很大，因為即使是同樣的內容，在數據流的位置不同，加密后的結果也不同。網路傳輸加密經常使用這種演算法。

XTS：因為CBC演算法裡，後面的數據解密的時候，需要依賴前面的解密結果，這就意味著要解密第N塊數據，就需要解密前面1到N-1塊的數據，但是磁碟數據都是一塊一塊獨立的，不可能一次性把整個磁碟上GB/TB的數據都解開（性能也不允許），所以XTS是加入了一個Tweak key的概念，Tweak key可以是扇區號（或者類似的概念），這樣就可以相對獨立的加密每一個扇區塊，又保證即使扇區內容相同，加密後的內容也不同（因為扇區號不同，Tweak key不同）。

解決了性能的問題，剩下的就是要解決使用者改密碼的問題。如果直接使用用戶的密碼加密，那麼如果使用者改密碼，就需要全盤數據全部解密、再加密，對於整盤數據來說，這樣的效率是不允許的。所以針對全盤數據加密解密，通常使用二級（或者多級）密碼實現的。

當要啟動整盤加密時，生成一個隨機的，超長的秘鑰，有些地方叫做master key，這個master key是用來直接給數據加密解密的（用於AES-128/256）。但是這個秘鑰太長了（128/256位二進位數），而且也不能更改（更改了就要全盤解密），使用者提供的密碼，是用於加密這個master key的，這個過程使用的一般是非對稱加密技術（比如RSA等），相當於使用者輸入密碼以後，通過非對稱加密演算法，解開真正的master key，然後再用master key解密真正的數據。不管用戶怎麼修改密碼，這個master key是不改變的。

TPM這類安全外設，就是保存這個master key的。master key不在盤上，而在外設里。

講到這裡，細心的人會發現：master key既然是存在TPM外設里，那麼就可能有這些問題：

1. 既然master key在TPM里，TPM怎麼保證不被第三方工具讀取，為什麼TPM只認Windows？

2. master key從TPM傳輸給操作系統時是否會被截取？

3. master key在記憶體中是否能被其他惡意軟體截獲？

一條一條解釋：

1. 既然master key在TPM里，TPM怎麼保證不被第三方工具讀取，為什麼TPM只認Windows？

顯然如果TPM是一個U盤之類的可以被任何人訪問的東西，那麼它必然是存在被破解的可能的。TPM之所以叫Trusted Platform Module，是因為它在存儲秘鑰的過程中，使用了一系列的安全手段，比如要校驗作業系統的證書。

所以Linux上想要直接使用TPM作為安全認證很麻煩，因為大多數TPM只信任“安全”的證書，對於Linux來說，自己編譯的內核是沒辦法簽發讓TPM信任的證書的。TPM只信任它認為“安全”的作業系統，這個操作系統只有Windows這類二進位發佈的，帶有證書校驗的作業系統。自己隨便編譯的Linux內核是無法讀取TPM的內容的。

2. master key從TPM傳輸給操作系統時是否會被截取？

前面提到了TPM的通信過程中要做證書校驗，這個過程使用了非對稱加密演算法，TPM返回給操作系統的master key是經過加密的，這個過程跟HTTPS/SSL的通信過程類似，建立通信之前，雙方要校驗證書（把Windows當成HTTPS伺服器，TPM是瀏覽器用戶端），之後雙方通信的內容會使用證書加密。這樣即使有人能把TPM的物理信號截取出來，也無法直接獲取master key的內容（它是加密過的），解開master key的秘鑰只有Windows自己才有。

3. master key在記憶體中是否能被其他惡意軟體截獲？

這種風險是存在的，因為操作系統要解密，必然是要把master key保存到記憶體的某個地方，然後調用AES演算法進行解密的。早期的bitlocker版本里，確實有攻擊者可以通過某些手段攻擊到內核中，然後在特定的記憶體位置找到AES的秘鑰。

對於這種攻擊手段，微軟在Windows 10里提供了內核DMA保護的技術來阻止這種攻擊。

當然，現在還有其它攻擊方案，比如“冷啟動攻擊”：計算機在關機以後，記憶體中的內容並不會立即消失，通常會有幾秒甚至幾分鐘的延遲，如果黑客可以在Windows關機以後獲得硬體控制權，然後直接把記憶體中的數據全部複製出來，還是能找到master key的。應對冷啟動攻擊的辦法也有很多，比如在操作系統關機之前，把所有master key的記憶體全部寫0x55/aa幾次。但是由於記憶體中的數據很多，操作系統要百分百保證數據安全還是有困難的。

微軟的bitlocker有沒有別的安全漏洞？？

我能想到的，有很多，比如：

1. master key在伺服器的安全性問題：

磁碟加密的master key，其實就是微軟伺服器上保存的那個恢復秘鑰ID，微軟為了防止使用者忘記密碼，在啟動bitlocker的時候，會把master key保存一份。所以如果自己的微軟帳戶洩漏了，那麼別人也是有辦法通過微軟帳戶來獲取master key。

所以有很多大公司，並不使用微軟的伺服器來保存master key，而是自建一個域伺服器來存儲。這樣哪怕微軟那邊出了什麼問題（比如，被美國政府控制），那麼微軟也無法拿到master key。

2. AES-XTS自身的安全問題：

因為AES是分組加密，數據是被分成一塊一塊的，那麼如果原始數據內容相同，加密后的數據也是相同的，為了避免這種安全問題，磁碟加密使用的是XTS，也就是使用一個類似塊編號的方法，把塊編號本身作為加密的一部分輸入。

但這裡還有一個問題：XTS的Tweak key是通常是扇區位址，而一個扇區的大小遠遠大於AES的加密數據單元（一組數據是16/32位元組），那麼就意味一個扇區內的所有數據使用的tweak key是相同的，那麼如果扇區內有重複的數據，AES-XTS也會生成重複的內容。對於目前4K的大扇區來說，這種安全隱患不容忽視。

微軟曾經在早期的bitlocker中使用了擴散器的機制（elephant diffuser），讓扇區內的所有數據產生關聯性，也就是說，如果扇區內的第一組AES數據發生了改變，那麼這個改變會影響整個扇區內所有組AES數據的加密結果。但是這個機制因為性能問題被移除了，所以這是一個AES-XTS的安全漏洞，如果AES分組大小不變的情況下，大扇區的存儲介質，安全隱患會更大一些。雖然AES-XTS演算法本身已經足夠安全了，但是道高一尺魔高一丈，任何安全漏洞都不應該忽視。