使用eBPF LSM热修复Linux内核漏洞

译者注

原文链接：Live-patching security vulnerabilities inside the Linux kernel with eBPF Linux Security Module^[1]

前段时间，我们讨论了Tetragon产品实时阻断能力的实现原理，那你知道它为什么没选择eBPF LSM吗？系统内核版本要求是最大限制，eBPF LSM需要5.7以后版本。但对于安全产品，阻断一个函数的调用，远比杀死一个进程影响要小。bpf_send_signal颗粒度是进程，eBPF LSM的颗粒度是函数，更精确。除此之外，控制范围也不一样，可以对函数调用堆栈做调整，达到替换执行的目标。业务场景就是系统漏洞的热更新了。

本文是一个简单的eBPF LSM实现思路，核心内容是确定精准HOOK点。怎么找HOOK点？HOOK点挂载后，对性能影响是什么？如何做权衡？接下来，我们一起了解一下。

前言

Linux Security Modules^[2]（LSM）是一个钩子的基于框架，用于在Linux内核中实现安全策略和强制访问控制。直到现在，能够实现实施安全策略目标的方式只有两种选择，配置现有的LSM模块（如AppArmor、SELinux），或编写自定义内核模块。

Linux Kernel 5.7^[3]引入了第三种方式：LSM扩展伯克利包过滤器^[4]（eBPF）（简称BPF LSM）。LSM BPF允许开发人员编写自定义策略，而无需配置或加载内核模块。LSM BPF程序在加载时被验证，然后在调用路径中，到达LSM钩子时被执行。

实践出真知

Namespaces 命名空间

现代操作系统提供了允许对内核资源进行partitioning的工具。例如FreeBSD有jails，Solaris有zones。Linux不一样，提供了一组看似独立的工具，每个进程都允许隔离特定的资源。他就是Namespaces，经过多年来不停迭代，孕育了Docker、lxc、firejail应用。大部分Namespaces是没有争议的，如UTS命名空间，它允许主机系统隐藏主机名和时间。其他的则比较复杂但简单明了————众所周知，NET和NS（mount）命名空间很难让人理解。最后，还有一个非常特殊、非常有趣的USER Namespaces。

USER Namespaces很特别，因为它允许所有者作为root操作。其工作原理超出了本文的范围，但是，可以说它是让Docker等工具不作为真正的root操作，或者说是rootless容器。

由于其特性，允许未授权用户访问USER Namespaces总是会带来很大的安全风险。其中最大的风险是提权。

提权原理

提权是操作系统的常见攻击面。user获得权限的一种方法是通过unshare syscall^[5]将其命名空间映射到root空间，并指定CLONE_NEWUSER标志。这会告诉unshare创建一个具有完全权限的新用户命名空间，并将新用户和Group ID映射到以前的命名空间。即使用unshare(1)^[6]程序将root映射到原始命名空间：

$ id
uid=1000(fred) gid=1000(fred) groups=1000(fred) …
$ unshare -rU
# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root),65534(nogroup)
# cat /proc/self/uid_map
         0       1000          1

多数情况下，使用unshare是没有风险的，都是以较低的权限运行。但是，已经被用于提权了，比如CVE-2022-0492^[7]，那么本文就重点以这个场景为例。

Syscalls clone和clone3也很值得研究，都有CLONE_NEWUSER的功能。但在这篇文章中，我们将重点关注unshare。

Debian用add sysctl to disallow unprivileged CLONE_NEWUSER by default^[8]补丁解决了这个问题，但它没有被合并到源码mainline主线中。另一个类似的补丁sysctl: allow CLONE_NEWUSER to be disabled 尝试合并到mainline，但被拒绝了。理由是在某些特定应用中无法切换到该特性^[9]。在Controlling access to user namespaces^[10]一文中，作者写道：

... 目前的补丁似乎没有一条通往mainline主线的捷径。

如你所示，补丁最终没有包含到vanilla内核^[11]中。

我们的解决方案LSM BPF

基于上面一些经验，可以看到限制USER Namespaces的代码似乎行不通，我们决定使用LSM BPF来规避这些问题。并且不需要修改内核，还可以自定义检测防御的规则。

寻找合适的候选钩子

首先，让我们跟踪我们的目标系统调用。我们可以在include/linux/syscalls.h^[12]文件中找到原型。

/* kernel/fork.c */

很清晰得看到，在kernel/fork.c^[13]文件中，注释部分中留下了下一个位置的线索。在ksys_unshare()^[14]那里调用。深入研究该函数，发现了一个对unshare_userns()^[15]的调用。这让我看到了希望。

现在，我们已经确定了syscall实现，但是接下来的问题是用哪些钩子？怎么选择合适的钩子？

从man-pages^[16]中了解到unshare用于改变task，那么，我们重点关注include/linux/lsm_hooks.h^[17]中的关于task的钩子。在函数unshare_userns()^[18]中，可以找到对prepare_creds()^[19]的调用。对于cred_prepare^[20]的HOOK来说看上去不错。为了验证对prepare_creds()^[21]的理解是否正确，接下来继续分析security_prepare_creds()^[22]的调用，可以确认，其最终会调用这个HOOK：

…
rc = call_int_hook(cred_prepare, 0, new, old, gfp);
…

暂不过多讨论这个问题，现在能确认的是这个HOOK比较合适，因为prepare_creds()正好在unshare_userns()中的create_user_ns()之前被调用，而unshare_userns()^[23]是我们试图阻止的操作。

LSM BPF解决方案

我们将使用eBPF编译一次到处运行(CO-RE)^[24]的方法对代码进行编译。在不同版本内核的IDC中，会特别适用。（不过，国内外大部分五至十年的互联网公司，都有着大量低于5.0的内核版本）。本文的演示，将只对x86_64 CPU架构系统验证。ARM64的LSM BPF仍在开发中。你可以订阅BPF邮件列表^[25]来了解最新进展。

此解决方案在Kernel Version >=5.15上进行了测试，配置如下：

BPF_EVENTS
BPF_JIT
BPF_JIT_ALWAYS_ON
BPF_LSM
BPF_SYSCALL
BPF_UNPRIV_DEFAULT_OFF
DEBUG_INFO_BTF
DEBUG_INFO_DWARF_TOOLCHAIN_DEFAULT
DYNAMIC_FTRACE
FUNCTION_TRACER
HAVE_DYNAMIC_FTRACE

如果CONFIG_LSM列表中不包含bpf，则需要你自己重新编译，并开启lsm=bpf选项.

内核空间代码

开始看内核空间代码：deny_unshare.bpf.c：

#include <linux/bpf.h>
#include <linux/capability.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/types.h>

#include <bpf/bpf_tracing.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_core_read.h>

#define X86_64_UNSHARE_SYSCALL 272
#define UNSHARE_SYSCALL X86_64_UNSHARE_SYSCALL

CO-RE

接下来，我们以下列方式为CO-RE重新定位建立必要的结构：deny_unshare.bpf.c:

…

typedef unsigned int gfp_t;

struct pt_regs {
 long unsigned int di;
 long unsigned int orig_ax;
} __attribute__((preserve_access_index));

typedef struct kernel_cap_struct {
 __u32 cap[_LINUX_CAPABILITY_U32S_3];
} __attribute__((preserve_access_index)) kernel_cap_t;

struct cred {
 kernel_cap_t cap_effective;
} __attribute__((preserve_access_index));

struct task_struct {
    unsigned int flags;
    const struct cred *cred;
} __attribute__((preserve_access_index));

char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";

…

用户空间

加载程序并将其附加到目标的钩子上是用户空间的功能。有几种方法可以做到这一点：

1. Cilium ebpf^[26]项目
2. Rust bindings^[27]
3. ebpf.io^[28]项目landscape展示的其他类库

这里，我们将使用原生libbpf^[29]。

#include <bpf/libbpf.h>
#include <unistd.h>
#include "deny_unshare.skel.h"

static int libbpf_print_fn(enum libbpf_print_level level, const char *format, va_list args)
{
    return vfprintf(stderr, format, args);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct deny_unshare_bpf *skel;
    int err;

    libbpf_set_strict_mode(LIBBPF_STRICT_ALL);
    libbpf_set_print(libbpf_print_fn);

    // Loads and verifies the BPF program
    skel = deny_unshare_bpf__open_and_load();
    if (!skel) {
        fprintf(stderr, "failed to load and verify BPF skeleton\n");
        goto cleanup;
    }

    // Attaches the loaded BPF program to the LSM hook
    err = deny_unshare_bpf__attach(skel);
    if (err) {
        fprintf(stderr, "failed to attach BPF skeleton\n");
        goto cleanup;
    }

    printf("LSM loaded! ctrl+c to exit.\n");

    // The BPF link is not pinned, therefore exiting will remove program
    for (;;) {
        fprintf(stderr, ".");
        sleep(1);
    }

cleanup:
    deny_unshare_bpf__destroy(skel);
    return err;
}

Makefile

最后，进行编译，这里使用Makefile

CLANG ?= clang-13
LLVM_STRIP ?= llvm-strip-13
ARCH := x86
INCLUDES := -I/usr/include -I/usr/include/x86_64-linux-gnu
LIBS_DIR := -L/usr/lib/lib64 -L/usr/lib/x86_64-linux-gnu
LIBS := -lbpf -lelf

.PHONY: all clean run

all: deny_unshare.skel.h deny_unshare.bpf.o deny_unshare

run: all
 sudo ./deny_unshare

clean:
 rm -f *.o
 rm -f deny_unshare.skel.h

#
# BPF is kernel code. We need to pass -D__KERNEL__ to refer to fields present
# in the kernel version of pt_regs struct. uAPI version of pt_regs (from ptrace)
# has different field naming.
# See: https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=fd56e0058412fb542db0e9556f425747cf3f8366
#
deny_unshare.bpf.o: deny_unshare.bpf.c
 $(CLANG) -g -O2 -Wall -target bpf -D__KERNEL__ -D__TARGET_ARCH_$(ARCH) $(INCLUDES) -c $< -o $@
 $(LLVM_STRIP) -g $@ # Removes debug information

deny_unshare.skel.h: deny_unshare.bpf.o
 sudo bpftool gen skeleton $< > $@

deny_unshare: deny_unshare.c deny_unshare.skel.h
 $(CC) -g -Wall -c $< -o $@.o
 $(CC) -g -o $@ $(LIBS_DIR) $@.o $(LIBS)

.DELETE_ON_ERROR:

结果

打开一个新终端，运行命令

$ make run
…
LSM loaded! ctrl+c to exit.

在另一个终端里，可以看到成功的被阻止了。

$ unshare -rU
unshare: unshare failed: Cannot allocate memory
$ id
uid=1000(fred) gid=1000(fred) groups=1000(fred) …

这个策略有个附加的特性，可以允许传递授权。

$ sudo unshare -rU
# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)

在无特权场景中，系统调用会提前中止。有特权情况下的性能影响是什么？

性能对比

我们将使用一行unshare命令来映射用户命名空间，并在中执行一个命令来进行测量：

$ unshare -frU --kill-child -- bash -c "exit 0"

使用系统调用unshare enter/exit的CPU周期分辨率，我们将以root用户身份测量以下内容：

1. 命令在没有策略的情况下运行
2. 与策略一起运行的命令

我们将使用ftrace^[30]记录测量结果：

$ sudo su
# cd /sys/kernel/debug/tracing
# echo 1 > events/syscalls/sys_enter_unshare/enable ; echo 1 > events/syscalls/sys_exit_unshare/enable

此时，我们将专门为unshare启用对系统调用enter/exit的跟踪。现在，我们设置enter/exit调用的time-resolution来计算CPU周期：

# echo 'x86-tsc' > trace_clock 

接下来，我们开始评测

# unshare -frU --kill-child -- bash -c "exit 0" &
[1] 92014

在新终端里运行策略，执行下一个syscall

# unshare -frU --kill-child -- bash -c "exit 0" &
[2] 92019

现在，我们收集到两种CALLS结果进行对比

# cat trace
# tracer: nop
#
# entries-in-buffer/entries-written: 4/4   #P:8
#
#                                _-----=> irqs-off
#                               / _----=> need-resched
#                              | / _---=> hardirq/softirq
#                              || / _--=> preempt-depth
#                              ||| / _-=> migrate-disable
#                              |||| /     delay
#           TASK-PID     CPU#  |||||  TIMESTAMP  FUNCTION
#              | |         |   |||||     |         |
         unshare-92014   [002] ..... 762950852559027: sys_unshare(unshare_flags: 10000000)
         unshare-92014   [002] ..... 762950852622321: sys_unshare -> 0x0
         unshare-92019   [007] ..... 762975980681895: sys_unshare(unshare_flags: 10000000)
         unshare-92019   [007] ..... 762975980752033: sys_unshare -> 0x0

分别是：

• unshare-92014 used 63294 cycles.
• unshare-92019 used 70138 cycles.

可以看到二者之间有6,844(~10%)个周期的差异，还行。

两次测量之间有6，844(~10%)个周期损失。不错嘛!

这些数字是针对单个系统调用的，代码调用的频率越高，这些数字就越多。Unshare通常在任务创建时调用，在程序的正常执行期间不会重复调用。对于你的场景，需要仔细考虑评估。

结尾

我们了解了LSM BPF是什么，如何使用unshare将user映射到root，以及如何通过在eBPF中实现程序来解决真实场景的问题。跟踪准确的钩子不是一件容易的事，需要有丰富的经验，以及丰富的内核经验。这些策略代码是用C语言编写的，所以我们可以因地制宜，不同的问题做不同的策略，代码轻微调整，就可以快速扩展，增加其他钩子点等。最后，我们对比了这个LSM程序的性能影响，性能与安全的权衡，是你需要考虑的问题。

Cannot allocate memory（无法分配内存）不是拒绝权限的最准确的描述。我们提出了一个补丁^[31]，用于将错误代码从cred_prepare挂钩传到调用堆栈。

最后，我们的结论就是eBPF LSM钩子非常适合实时修复Linux内核漏洞，你要来试试吗？

参考资料