Safer netboot

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Wenn eine Vielzahl von Clientrechnern vorhanden sind, die es zum Beipiel neu zu installieren gilt, dann bietet sich die Installation über Netboot - vorrangig über PXE - an. In der einfachen Umsetzung besteht die Infrastruktur, die nötig für den Netboot ist, aus einem DHCP-Server, der die nötige IP-Konfiguration bereitstellt, und den TFTP-Server, der die Files für den nächsten Bootstage bereit stellt. Wenn ein Client nun über sein PXE-Boot-ROM, welches auf der Netzwerkkarte oder direkt im BIOS, bei internen Netzwerkarten, gespeichert ist, bootet, sucht er nach einer gültigen Konfiguration für das Netzwerk. Daraufhin lädt er vom vom DHCP-Server angekündigten TFTP-Server nötige Komponenten für den nächsten Boot-Stage. Dies sind zum Beispiel Kernel und initrd. Das Problem an dieser Stelle ist das folgende: Die Kommunikation zwichen den Servern und dem Client, insbesondere zwischen TFTP-Server und Client sind unverschlüsselt. Das schreit praktisch schon nach einem Man-in-the-Middle-Angriff. Außerdem gibt es keine Restriktionen in Bezug darauf, welche Clients berechtigt sind, Daten von dem TFTP-Server herrunter zu laden. Das ist dann kritisch, wenn zum Beispiel in der initrd Schlüssel gespeichert werden, um geschützte Netzlaufwerke zu mounten, die es zu schützen gilt. Im Weiteren wird ein Konzept betrachtet, mit dem diesem Problem begegnet werden soll.

Netboot neu überdacht

Um beide Probleme zu beseitigen, ist eine mögliche Antwort HTTPS. In HTTPS sind bereits passende Lösungen eingebaut: Mit der asymmetrischen Krytographie wird das Verschüsselungsproblem gelöst, woduch keine Man-in-the-Middle-Angriffe mehr möglich sind; gleichzeitg werden in HTTPS auch clientseitig Authentifizierung unterstützt. Das heißt alleinig dadurch, dass das "Transportprotokoll", mit dem die Daten zum Client übertragen werden, geändert wird, werden beide Probeleme gelöst. Aber diese Änderung hat auch Änderung in der Infrastrutur zur Folge. Diese Änderungen werden nachfolgend beschrieben.

Neues PXE

Da das gewöhnliche PXE-ROM standardmäßig kein HTTP unterstützt, wird hier eine Alternative gebraucht. Hier bietet sich iPXE an. Auf der Projektwebseite sagen die Autoren selbst: ”iPXE is the leading open source network boot firmware." iPXE unterstützt eine Vielzahl an Protokollen wie HTTP(S), iSCSI, FCoE, AoE, wireless und mehr. Weiter ist der Bootvorgang scriptable. Das heißt, man kann iPXE schon vorher sagen, welche Files von wo geladen werden sollen. Das entbindet von der Notwendigkeit, diese Addressen über DHCP zu verteilen. Von großem Vorteil ist, dass iPXE-ROMs auch für physische Hardware gebaut werden können, die auch auf die Chips dieser Hardware geflasht werden kann. Es bietet auch die Möglichkeit des Chainloadings und eines Bootprompts, um den Netboot manuell vor der Maschine zu bedienen.

Eigene Public Key Infrastruktur

Zertifikate

HTTP soll über TLS abgesichert werden. Dafür sind Zertifikate für die Server- und die Clientseite zur nötig, um eine gegenseitige Authentifizierung zu erreichen. iPXE unterstützt exklusiv [RSA-Zertifikate]. Für unser Vorhaben erstellen wir mit OpenSSL eine eigene (Root)CA, die sowohl das Zertifikat des HTTPS-Boot-Servers als auch die Clientzertifikate für die Clienten, die von diesem Server Material zum Booten herunterladen sollen, signiert. Wir lassen uns von https://ipxe.org/crypto inspirieren:

### preparation
echo 01 > ca.srl
touch ca.idx
mkdir signed

### generating the CA:
openssl req -x509 -newkey rsa:2048 -out ca.crt -keyout ca.key -days 1000

### generating request for the server key (without password protection):
openssl req -config server.conf -nodes -newkey rsa:2048 -keyout server.key -out server.req

### signing server cert
openssl ca -config ca.conf -extensions v3_ext_server -in server.req -out server.crt

### generating request for the client key (without password protection):
openssl req -config client.conf -nodes -newkey rsa:2048 -keyout client.key -out client.req

### signing client cert
openssl ca -config ca.conf -extensions v3_ext_client -in client.req -out client.crt

Dabei finden die folgenden drei OpenSSL-Konfigurationsdateien ca.conf, server.conf und client.conf Verwendung:

  1. ca.conf enthält spezifische Abschnitte für v3-Erweiterungen. Für den Server wird hier die IP-Adresse mit in das Zertifikat als subjectAltName mit aufgenommen, was wünschenswert ist, das im Bootrom diese hinterlegt ist und die Auflösung eines DNS-Namens im Bootprozess nicht erforderlich ist. Für den Server wird die extendedKeyUsage = clientAuth definiert:
    [ ca ]
    default_ca             = ca_default
    copy_extensions        = copy 
      
    [ ca_default ]
    certificate            = ca.crt
    private_key            = ca.key
    serial                 = ca.srl
    database               = ca.idx
    new_certs_dir          = signed
    default_md             = default
    policy                 = policy_anything
    preserve               = yes
    default_days           = 356
    unique_subject         = no
      
    [ policy_anything ]
    countryName            = optional
    stateOrProvinceName    = optional
    localityName           = optional
    organizationName       = optional
    organizationalUnitName = optional
    commonName             = optional
    emailAddress           = optional
    
    [ v3_ext_server ]
    extendedKeyUsage = serverAuth
    subjectAltName = @alt_names
    [ alt_names ]
    DNS.1 = wolftux
    DNS.2 = wolftux.sar.informatik.hu-berlin.de
    IP.1 = 192.168.5.22
    
    [ v3_ext_client ]
    extendedKeyUsage = clientAuth
    
  2. server.conf definiert den distinguished_name des Boot-Servers.
    [ req ]
    distinguished_name = req_distinguished_name
    prompt = no
    
    [ req_distinguished_name ]
    C = DE
    ST = Berlin
    L = Berlin
    O = HUB
    OU = Informatik
    CN = netBootServer
    
  3. client.confdefiniert den distinguished_name des Boot-Clients. Hier könnte man in den CN die Hardwareadresse der Netzwerkkarte aufnehmen, so dass der Boot-Server abhängig von der mittels des Client-Zertifikats (und des Besitzes des zugehörigen privaten Schlüssels) nachgewiesenen Identität verschiedene Kernel oder Initrds ausliefern kann.
    [ req ]
    distinguished_name = req_distinguished_name
    prompt = no
    
    [ req_distinguished_name ]
    C = DE
    ST = Berlin
    L = Berlin
    O = HUB
    OU = Informatik
    CN = netBootClient_HWADDR
    

Die generierten Zertifikate ca.crt, server.crt und client.crt können mit openssl x509 -in name.crt -noout -text betrachtet werden.

Webserver

Da der Webserver HTTPS-Anfragen entgegen nehmen soll, bedarf dieser ein kleines an Konfiguration:

<VirtualHost *:443>
	SSLEngine on                                        # SSL an
	SSLCertificateFile /etc/apache2/server.crt          # Serverzertifikat
	SSLCertificateKeyFile /etc/apache2/server.key	    # Serverprivatekey
	SSLVerifyClient require                             # verifiziere Clientzertifikate
	SSLVerifyDepth 1                                    # lass Client mit Zertifikaten bis Tiefe 1 unterhalb 
	SSLCACertificateFile /etc/apache2/ca.crt            # dieser CA zu
	#SSLCARevocationFile /etc/apache2/ca.crl            # Prüfung auf Widerruf von Zertifikaten (für produktiven Einsatz)
</VirtualHost>

Weiter müssen die Files für den nächsten Bootstage des Clients bereit liegen.

iPXE-Image

Die Images werden aus den Quellen direkt kompiliert. Anpassungen werden über die Kommandozeile beim Kompilieren mitgeteilt. Für HTTPS ist auch eine Anpassung in src/config/general.h nötig. Wir schalten die TFTP-Unterstützung aus und die HTTPS-Unterstützung ein:

diff --git a/src/config/general.h b/src/config/general.h
index 3c14a2cd..a755e7a1 100644
--- a/src/config/general.h
+++ b/src/config/general.h
@@ -52,9 +52,9 @@ FILE_LICENCE ( GPL2_OR_LATER_OR_UBDL );
  *
  */
 
-#define        DOWNLOAD_PROTO_TFTP     /* Trivial File Transfer Protocol */
+#undef DOWNLOAD_PROTO_TFTP     /* Trivial File Transfer Protocol */
 #define        DOWNLOAD_PROTO_HTTP     /* Hypertext Transfer Protocol */
-#undef DOWNLOAD_PROTO_HTTPS    /* Secure Hypertext Transfer Protocol */
+#define        DOWNLOAD_PROTO_HTTPS    /* Secure Hypertext Transfer Protocol */
 #undef DOWNLOAD_PROTO_FTP      /* File Transfer Protocol */
 #undef DOWNLOAD_PROTO_SLAM     /* Scalable Local Area Multicast */
 #undef DOWNLOAD_PROTO_NFS      /* Network File System Protocol */


Die Optionen, die benötigt werden sind, diese: * script (”EMBED=”) * Zertifikate (”CERT=”) * Vertrauen (”TRUST=”) * privaten SChlüssel (”PRIV=”) Das beigefügt Script beihnhaltet:

#!ipxe                                   # Shebang
dhcp                                     # Netzwerkkonfiguration über DHCP bekommen
kernel https://192.168.5.22/vmlinuz      # lade Kernel über HTTPS von URL
initrd https://192.168.5.22/initrd       # lade initrd über HTTPS von URL
boot                                     # Bootvorgang

Dann kann das ROM-Image gebaut werden. Mit folgender Zeile wird ein Boot-ROM-Image für eine Intelnetzwerkkarte des Typs 107c gebaut:

make bin/8086107c.rom EMBED=boot.ipxe TRUST=ca.crt CERT=ca.crt,client.crt PRIVKEY=client.key

Der Typ der Karte (VendorID und ProduktID) kann mittels lspci -nn ermittelt werden.

ROM flashen

Um das Image auf physische Hardware zu bringen, muss der ROM-Speicher der Netzwerkkarte geflasht werden. Das kann mit den openSource Werkzeug flashrom getan werden. Es bietet sich an, dies unter einem Livesystem (wir haben Grml verwendet) zu tun. Dabei stellte sich heraus, dass Root-Rechte (wie zu erwarten) aber zusätzlich auch beim Booten der Kernelparameter iomem=relaxed erforderlich sind. Wenn mit

lspci -nn | grep Ethernet
05:04.0 Ethernet controller [0200]: Intel Corporation 82541PI Gigabit Ethernet Controller [8086:107c] (rev 05)

herrausgefunden wurde, an welcher pci-Adresse (hier 05:04.0) die Netzwerkkarte zu finden ist und welcher Programmer (in unserem Beispiel nicintel_spi)verwendet werden muss (letzteres verrät das flashrom Wiki im Abschnitt "supported hardware" beim Suchen nach 8086:107c), kann man damit loslegen, die "Flasbarkeit" zu testen:

flashrom -p nicintel_spi:pci=05:04.0
flashrom v0.9.9-r1954 on Linux 4.19.0-1-grml-amd64 (x86_64)
flashrom is free software, get the source code at https://flashrom.org

Calibrating delay loop... OK.
Found Atmel flash chip "AT25F512" (64 kB, SPI) on nicintel_spi.
Found Atmel flash chip "AT25F1024(A)" (128 kB, SPI) on nicintel_spi.
Multiple flash chip definitions match the detected chip(s): "AT25F512", "AT25F1024(A)"
Please specify which chip definition to use with the -c <chipname> option.

Auf der verwendeten Netzwerkkarte stehen offenbar zwei Chips zum flashen zur Auswahl, da unser iPXE-Image größer als 64kB ist, entscheiden wir uns für den weiten Chip und erstellen sicherheitshalber ein Backup (was natürlich anschließend extern des Live-Syystems GRML persistent gespeichert werden sollte):

flashrom -p nicintel_spi:pci=05:04.0 -c "AT25F1024(A)" -r backup"AT25F1024(A)".rom
flashrom v0.9.9-r1954 on Linux 4.19.0-1-grml-amd64 (x86_64)
flashrom is free software, get the source code at https://flashrom.org

Calibrating delay loop... OK.
Found Atmel flash chip "AT25F1024(A)" (128 kB, SPI) on nicintel_spi.
Reading flash... done.
flashrom -p nicintel_spi:pci=05:04.0 -c "AT25F1024(A)" -r   7,28s user 0,00s system 99% cpu 7,285 total

Die Option -c gibt an, welcher Chip verwendet werden soll, wenn die Netzwerkkarte bzw. flashrom beim Probing mehrere Chips entdeckt.

Bevor das Image geflasht werden kann, muss das Image auf die Größe des Chips (hier 128kB) gepaddet werden. Das kann mit dem folgenden Kommando erledigt werden:

(cat bin/8086107c.rom; tr '\0' '\377' < /dev/zero) | dd bs=1 count=128k of=netBootCA/8086107c.rom_padded_128k

Dann kann das gepaddete Image geflasht werden:

flashrom -p nicintel_spi:pci=05:04.0 -c "AT25F1024(A)" -w 8086107c.rom_padded_128k
flashrom v0.9.9-r1954 on Linux 4.19.0-1-grml-amd64 (x86_64)
flashrom is free software, get the source code at https://flashrom.org

Calibrating delay loop... OK.
Found Atmel flash chip "AT25F1024(A)" (128 kB, SPI) on nicintel_spi.
Reading old flash chip contents... done.
Erasing and writing flash chip... Erase/write done.
Verifying flash... VERIFIED.
flashrom -p nicintel_spi:pci=05:04.0 -c "AT25F1024(A)" -w   25,76s user 0,00s system 99% cpu 25,765 total

Damit kann man nun über HTTPS mit Clientauthetisierung booten.

Testen der Lösung

Funktionalität

Im weiteren wird nun neu gestartet und die Netzwerkarte als erstes Boot-Device im Bios eingestellt. Es funktioniert scheinbar wie beabsichtigt: Monitor zeigt iPXE Download von kernel und initrd von HTTPS-Server

Der Kernel und die Initrd werden von dem Webserver geladen und gebootet, wie auch das Log-File des WWW-Servers zeigt:

tail -n 2 /var/log/apache2/access_log_nb
192.168.5.101 - - [18/Oct/2019:12:43:54 +0200] "GET /vmlinuz HTTP/1.1" 200 7352432
192.168.5.101 - - [18/Oct/2019:12:43:54 +0200] "GET /initrd HTTP/1.1" 200 10822844

Wir schauen uns aber um sicher zu sein, dass die Verbindung auch tatsächlich TLS-verschlüsselt, beidseitig authentisiert und somit vertraulich und authentisch ist, das Ergebnis noch mit Wireshark an:

Wireshark ServerHello

und überzeugen uns, dass eine ausreichend stark gesicherte TLS-Verbindung Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA256 (0x003c) ausgehandelt wurde und verwendet wird. Damit ist im Sinne eines Proof of Concept gezeigt, dass der von uns gewählte Ansatz geeignet ist, das Booten aus dem Netzwerk abzusichern.

Bemerkungen, Probleme

  • iPXE unterstützt als stärkste Cipher Suite: TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256 (0x003d) und bietet diese zur Aushandlung im ClientHello auch an. Der Apache sollte so konfiguriert werden, dass diese auch gewählt wird. "forward secure" Cipher Suites sind nicht möglich. Dies ist für unser Szenario aber hinnehmbar.
  • Es ist zumindest überlegenswert, 3072 Bit oder gar 4096 Bit RSA-Schlüssel zu verwenden, um eine dauerhaft sicherere Authentifizierungsmethode zu verwenden, da das Flashen relativ langwierig ist. Entsprechend könnten auch die Laufzeiten der CA sowie der im ROM enthaltenen Clientzertifikate erhöht werden (orientiert an: BSI TR-02102 Kryptographische Verfahren: Empfehlungen und Schlüssellängen).
  • Wenn das System produktiv eingesetzt werden soll, ist es aus unser Sicht unbedingt kompromittiere oder nicht mehr genutzte Zertifikate revoziert werden und die CRL auch vom Webserver (bislang auskommentiert) geprüft werden.
  • Man sollte sich bewusst sein, dass der private Schlüssel zum Clientzertifikat in der Firmware auf der Netzkarte gespeichert ist. Wie wir beim erstellen gesehen haben, kann man das ROM von dort auch wieder auslesen, wenn man Zugriff mit Root-Rechten auf die Netzwerkkarte hat. Daraus ergeben sich die folgenden Anforderungen, um den Schlüssel zu schützen:
    1. Angreifer dürfen keinen physischen Zugriff zu der Netzwerkkarte bekommen!
    2. Angreifer dürfen nicht Root-Rechten im gebooteten Betriebssystem bekommen!
    3. Angreifern darf es nicht möglich sein, ein andres OS zu booten!
  • Die Anforderung 1. kann zumindest halbwegs mit abgeschlossenen Gehäusen in Poolräumen, oder Onboard-Netzwerkkarten, oder bei Servern mit schlicht und einfach nicht zugänglichen Räumen umgesetzt werden. Die Anforderung 2. setzt 3. voraus und ist in den meisten Fällen ohnehin zu erfüllen, um einen sicheren Rechnerbetrieb zu gewährleisten. Anforderung 3. kann über das setzen der Bootorder, Abschalten externer Laufwerke zum Booten mit dem BIOS-Passwort abgesichert werden.

Weitere Ideen

  • Um z.B. Poolrechner mit individuellen Konfigurationen, privaten Schlüsseln, oder Scripten aus dem Netz zu booten, kann benutzt werden, dass mehrere INITRD-Einträge in iPXE benutzt werden können. Man könnte also etwa durch den Webserver für alle Poolrechner KERNEL und INITRD gemeinsam vorhalten und die individuellen (kleinen) Zusätze in eine extra INITRDX auslagern, die dann der Webserver statisch vorhält oder dynamisch erzeugt und gemäß der durch das jeweilige Clientzertifikat bewiesenen Identität des bootenden Rechners ausgeliefert wird.
    #!ipxe                                   # Shebang
    dhcp                                     # Netzwerkkonfiguration über DHCP bekommen
    kernel https://192.168.5.22/vmlinuz      # lade Kernel über HTTPS von URL
    initrd https://192.168.5.22/initrd       # lade initrd über HTTPS von URL
    # lade zusätzliche Datei, blende diese unter dem Namen /sbin/init mit den Rechten 755 ein.
    initrd https://192.168.5.22/initrdx /sbin/init mode=755 
    boot                                     # Bootvorgang
    
    Das sollte gemäß [iPXE Dokumentation initrd] dazu führen, dass das Default-Dateisystem in der INITRD in iPXE mit den Zusätzen in INITRDX überlagert wird.
  • Auch das beidseitig authentisierte Nachladen von iPXE-Skripten und anzeigen von Bootmenüs und anschließende Booten von anderen Systemen (KERNEL+INITRD) könnte ausgetestet werden.
  • Zusätzlich zur Authentisierung mit Clientzertifikaten scheint iPXE auch eine "Basic Auth" auf Basis von Passworten gegenüber dem Webserver zu unterstützen. So wäre es denkbar, beim Booten die Wahl zwischen verschiedenen Systemen zwar anzubieten, das Defaultsystem könnte automatisch nach einem kurzen Timout gebootet werden. Wird jedoch ein anderer Eintrag gewählt, der z.B. nur für Administratoren zugänglich sein, so könnte dieser dann zum Download der Kernels+INITRD oder weiterer iPXE-Skripte zusätzlich ein Passwort erfordern.
  • Beim CHAIN-BOOT ist zu beachten, dass nach dem Booten eines anderen Kernels die der Firmware der Netzwerkkarte hinterlegten Zertifikat und der private Schlüssel zum Clientzertifikat nicht mehr benutzt werden können.
  • Nicht benötigte Boot-Mechanismen im iPXE sollten im Konfigurationsfile ggf. abgeschaltet werden /src/config/general.h, damit das erzeugte ROM nicht größer als nötig wird und keine unnötige Angriffsfläche geboten wird.
  • Auch nachgeladene iPXE-Skripte sollten nicht gestatten, in iPXE als Shell eigene Kommandos einzugeben (außer, der Zugriff erforderte bereits eine stärkere Authentisierung, wie das Administratorpasswort).