如何增强Linux内核中的访问控制安全

背景

前段时间，我们的项目组在帮客户解决一些操作系统安全领域的问题，涉及到windows，Linux，macOS三大操作系统平台。无论什么操作系统，本质上都是一个软件，任何软件在一开始设计的时候，都不能百分之百的满足人们的需求，所以操作系统也是一样，为了尽可能的满足人们需求，不得不提供一些供人们定制操作系统的机制。当然除了官方提供的一些机制，也有一些黑魔法，这些黑魔法不被推荐使用，但是有时候面对具体的业务场景，可以作为一个参考的思路。

Linux中常见的拦截过滤

本文着重介绍Linux平台上常见的拦截：

1. 用户态动态库拦截。
2. 内核态系统调用拦截。
3. 堆栈式文件系统拦截。
4. inline hook拦截。
5. LSM(Linux Security Modules)

动态库劫持

Linux上的动态库劫持主要是基于LD_ PRELOAD环境变量，这个环境变量的主要作用是改变动态库的加载顺序，让用户有选择的载入不同动态库中的相同函数。但是使用不当就会引起严重的安全问题，我们可以通过它在主程序和动态连接库中加载别的动态函数，这就给我们提供了一个机会，向别人的程序注入恶意的代码。

假设有以下用户名密码验证的函数：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char **argv)
{
char passwd[] = "password";
if (argc < 2) {
printf("Invalid argc!\n");
return;
}
if (!strcmp(passwd, argv[1])) {
printf("Correct Password!\n");
return;
}
printf("Invalid Password!\n");
}

我们再写一段hookStrcmp的程序，让这个比较永远正确。

#include <stdio.h>
int strcmp(const char *s1, const char *s2)
{
/* 永远返回0，表示两个字符串相等 */
return 0;
}

依次执行以下命令，就会使我们的hook程序先执行。

gcc -Wall -fPIC -shared -o hookStrcmp.so hookStrcmp.c
export LD_PRELOAD=”./hookStrcmp.so”

结果会发现，我们自己写的strcmp函数优先被调用了。这是一个最简单的劫持 ，但是如果劫持了类似于geteuid/getuid/getgid，让其返回0，就相当于暴露了root权限。所以为了安全起见，一般将LD_ PRELOAD环境变量禁用掉。

Linux系统调用劫持

最近发现在4.4.0的内核中有513多个系统调用(很多都没用过)，系统调用劫持的目的是改变系统中原有的系统调用，用我们自己的程序替换原有的系统调用。Linux内核中所有的系统调用都是放在一个叫做sys_ call _table的内核数组中，数组的值就表示这个系统调用服务程序的入口地址。整个系统调用的流程如下：

当用户态发起一个系统调用时，会通过80软中断进入到syscall hander，进而进入全局的系统调用表sys_ call _table去查找具体的系统调用，那么如果我们将这个数组中的地址改成我们自己的程序地址，就可以实现系统调用劫持。但是内核为了安全，对这种操作做了一些限制：

1. sys_ call _table的符号没有导出，不能直接获取。
2. sys_ call _table所在的内存页是只读属性的，无法直接进行修改。

对于以上两个问题，解决方案如下（方法不止一种）：

1. 获取sys call table的地址 ：grep sys _ call _table /boot/System.map-uname -r
2. 控制页表只读属性是由CR0寄存器的WP位控制的，只要将这个位清零就可以对只读页表进行修改。

/* make the page writable */
int make_rw(unsigned long address)
{
unsigned int level;
pte_t *pte = lookup_address(address, &level);//查找虚拟地址所在的页表地址
pte->pte |= _PAGE_RW;//设置页表读写属性
return 0;
}

/* make the page write protected */
int make_ro(unsigned long address)
{
unsigned int level;
pte_t *pte = lookup_address(address, &level);
pte->pte &= ~_PAGE_RW;//设置只读属性
return 0;
}

开始替换系统调用

本文实现的是对 ls这个命令对应的系统调用，系统调用号是 _ NR _getdents。

static int syscall_init_module(void)
{
orig_getdents = sys_call_table[__NR_getdents];
make_rw((unsigned long)sys_call_table); //修改页属性
sys_call_table[__NR_getdents] = (unsigned long *)hacked_getdents; //设置新的系统调用地址
make_ro((unsigned long)sys_call_table);
return 0;
}

恢复原状

static void syscall_cleanup_module(void)
{
printk(KERN_ALERT "Module syscall unloaded.\n");
make_rw((unsigned long)sys_call_table);
sys_call_table[__NR_getdents] = (unsigned long *)orig_getdents;
make_ro((unsigned long)sys_call_table);
}

使用Makefile编译，insmod插入内核模块后，再执行ls时，就会进入到我们的系统调用，我们可以在hook代码中删掉某些文件，ls就不会显示这些文件，但是这些文件还是存在的。

堆栈式文件系统

Linux通过vfs虚拟文件系统来统一抽象具体的磁盘文件系统，从上到下的IO栈形成了一个堆栈式。通过对内核源码的分析，以一次读操作为例，从上到下所执行的流程如下：

内核中采用了很多c语言形式的面向对象，也就是函数指针的形式，例如read是vfs提供用户的接口，具体底下调用的是ext2的read操作。我们只要实现VFS提供的各种接口，就可以实现一个堆栈式文件系统。Linux内核中已经集成了一些堆栈式文件系统，例如Ubuntu在安装时会提醒你是否需要加密home目录，其实就是一个堆栈式的加密文件系统（eCryptfs），原理如下：

实现了一个堆栈式文件系统，相当于所有的读写操作都会进入到我们的文件系统，可以拿到所有的数据，就可以进行做一些拦截过滤。

以下是我实现的一个最简单的堆栈式文件系统，实现了最简单的打开、读写文件，麻雀虽小但五脏俱全。

https://github.com/wangzhangjun/wzjfs

inline hook

我们知道内核中的函数不可能把所有功能都在这个函数中全部实现，它必定要调用它的下层函数。如果这个下层函数可以得到我们想要的过滤信息内容，就可以把下层函数在上层函数中的offset替换成新的函数的offset，这样上层函数调用下层函数时，就会跳到新的函数中，在新的函数中做过滤和劫持内容的工作。所以从原理上来说，inline hook可以想hook哪里就hook哪里。

inline hook 有两个重要的问题：

1. 如何定位hook点。
2. 如何注入hook函数入口。

对于第一个问题:

需要有一点的内核源码经验，比如说对于read操作，源码如下：

在这里当发起read系统调用后，就会进入到sys read,在sys read中会调用vfs read函数，在vfs read的参数中正好有我们需要过滤的信息，那么就可以把vfs_ read当做一个hook点。

对于第二个问题:

如何Hook？这里介绍两种方式：

第一种方式：直接进行二进制替换，将call指令的操作数替换为hook函数的地址。

第二种方式：Linux内核提供的kprobes机制。

其原理是在hook点注入int 3(x86)的机器码，让cpu运行到这里的时候会触发sig trap信号，然后将用户自定义的hook函数注入到sig trap的回调函数中，达到触发hook函数的目的。这个其实也是调试器的原理。

LSM

LSM是Linux Secrity Module的简称，即linux安全模块。是一种通用的Linux安全框架，具有效率高，简单易用等特点。原理如下：

LSM在内核中做了以下工作：

1. 在特定的内核数据结构中加入安全域。
2. 在内核源代码中不同的关键点插入对安全钩子函数的调用。
3. 加入一个通用的安全系统调用。
4. 提供了函数允许内核模块注册为安全模块或者注销。
5. 将capabilities逻辑的大部分移植为一个可选的安全模块,具有可扩展性。

适用场景

对于以上几种Hook方式，有其不同的应用场景。

1. 动态库劫持不太完全，劫持的信息有可能满足不了我们的需求，还有可能别人在你之前劫持了，一旦禁用LD_ PRELOAD就失效了。
2. 系统调用劫持，劫持的信息有可能满足不了我们的需求，例如不能获取struct file结构体，不能获取文件的绝对路径等。
3. 堆栈式文件系统，依赖于Mount,可能需要重启系统。
4. inline hook，灵活性高，随意Hook，即时生效无需重启，但是在不同内核版本之间通用性差，一旦某些函数发生了变化，Hook失效。
5. LSM，在早期的内核中，只能允许一个LSM内核模块加载，例如加载了SELinux，就不能加载其他的LSM模块，在最新的内核版本中不存在这个问题。

总结

篇幅有限，本文只是介绍了Linux上的拦截技术，后续有机会可以一起探讨windows和macOS上的拦截技术。事实上类似的审计HOOK放到任何一个系统中都是刚需，不只是kernel，我们可以看到越来越多的vm和runtime甚至包括很多web组件、前端应用都提供了更灵活的hook方式，这是透明化和实时性两个安全大趋势下最常见的解决方案。

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