学习LSM(Linux security module)之四:一个基于LSM的简单沙箱的设计与实现

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嗯！如题，一个简单的基于LSM的沙箱设计。环境是Linux v4.4.28。一个比较新的版本，所以在实现过程中很难找到资料，而且还有各种坑逼，所以大部分的时间都是在看源码，虽然写的很烂，但是感觉收获还是挺大的。

具体思路很简单，每个进程都有对应一个task_struct。可以使用task_struct来对进程的行为进行监测和限制，换句话来说，沙箱是基于进程实现的。

正如官方文档所说的，LSM在Linux关键数据结构中添加了透明的安全域，具体实现应该是这样的

task_struct{
...
void *security;
...
}

然而，task_struct 的安全透明域在2.6.28以后的版本就没有了(后来才发现放到cred里面去了）刚发现这一点的时候表示很懵逼，所以，为了不去重新设计实现思路或者换版本实现，所以在task_struct里面添加了void * f_security。配套的安全域初始化hook可以换个思路来进行实现，所以不多添加钩子了。

1：设计一下安全域的数据结构。

先来看一下SELinux的设计：

struct task_security_struct {
u32 osid; /* SID prior to last execve */
u32 sid; /* current SID */
u32 exec_sid; /* exec SID */
u32 create_sid; /* fscreate SID */
u32 keycreate_sid; /* keycreate SID */
u32 sockcreate_sid; /* fscreate SID */
};

简单一点就设计我这样：

struct security_demo_task{
int demo_sid;
u32 task_sid;
u32 ptrace_sid;
u32 socket_sid;
u32 file_sid;
/*
u32 cap_sid;
u32 inode_sid;
u32 ipc_sid;
u32 msg_sid;
u32 task_sid;
u32 dev_sid;
u32 audit_sid;
*/
};

可以根据实现的具体情况对各个sid的值进行宏定义，我的宏定义为：

#define DEMO_ON 1
#define DEMO_OFF 0
#define DEMO_PTRACE_ON 1
#define DEMO_PTRACE_OFF 0
#define DEMO_FILE_ON 1
#define DEMO_FILE_OFF 0
#define DEMO_SOCKET_ON 1
#define DEMO_SOCKET_OFF 0

#define DEMO_SCOPE_DISABLED 0
#define DEMO_SCOPE_LEARNING 1
#define DEMO_SCOPE_ENABLE 2

#define DEMO 0 #define DEMO_PTRACE 1 #define DEMO_FILE 2 #define DEMO_SOCKET 3

对安全域的初始化，在SELinux，在钩子里队每一个task自动初始化，SElinux因为对每个task都设计了安全域，为了提高内存利用效率，还用了SLAB。而由于我的沙箱只是针对具体进程，所以干脆直接用了kmalloc和kfree进行分配并添加了一个系统调用。代码对比如下：

//SLinux
static void cred_init_security(void)
{
struct cred *cred = (struct cred *) current->real_cred;
struct task_security_struct *tsec; tsec = kzalloc(sizeof(struct task_security_struct), GFP_KERNEL);
if (!tsec)
panic("SELinux: Failed to initialize initial task.\n"); tsec->osid = tsec->sid = SECINITSID_KERNEL;
cred->security = tsec;
}

而我的：

static int task_alloc_security(struct task_struct *task){
struct security_demo_task *tsec;
if(task->f_security != NULL){
printk("Demo:error!Aready Inint!");
return -EIO;
} tsec = kmalloc(sizeof(struct security_demo_task),GFP_KERNEL);
if (!tsec){
printk("Demo:error!kmalloc fail!");
return -ENOMEM;
}
tsec->demo_flag = DEMO_ON;
tsec->ptrace_flag = DEMO_PTRACE_ON;
tsec->file_flag = DEMO_FILE_ON;
tsec->socket_flag = DEMO_SOCKET_ON;
task->f_security = tsec; return ;
}

二：对安全域的操作

SELinux采用了AVC对其进行操作，具体的原理网上烂大街了，也不多做阐述。对于这种玩具型的LSM模块来说，可以自己直接添加一个系统调用就OK了。

SYSCALL_DEFINE3(task_security,pid_t,pid,int,type,int,value){
struct task_struct* pTaskStruct;
struct pid* p;
int err;
struct security_demo_task* st; //get task_struct by pid with rcu
rcu_read_lock();
p = find_vpid(pid);
pTaskStruct = pid_task(p,PIDTYPE_PID);
//printk("Test:name %s\n",pTaskStruct->comm);
rcu_read_unlock()；

//下面代码用于检测各个属性域的sid，每个sid初步设置为open和close，其中的错误检测，就偷懒写成-EIO，具体的宏定义可以自己区看type.h

if(type == DEMO){
if(value == DEMO_ON){ err = task_alloc_security(pTaskStruct);
if(err){
printk("Demo:error! Init task_struct_security fail\n");
return -EIO;
}
printk("Demo:Init %s'f_security success!\n",pTaskStruct->comm);
}
else if(value == DEMO_OFF){
err = task_free_security(pTaskStruct);
if(err){
printk("Demo: Free %s's f_security fail!\n",pTaskStruct->comm);
return -EIO;
}
printk("Demo:Free %s'f_security success!\n",pTaskStruct->comm);
}
else{
printk("Demo:Invid Argument!Please check it,and try again");
return -EIO;
}
} else if(type == DEMO_PTRACE){
if(pTaskStruct->f_security == NULL){
printk("Demo:Dont be inint\n");
return -EIO;
}
st = (struct security_demo_task*)(pTaskStruct->f_security);
st->ptrace_flag = value;
printk("Demo:%s'->f_security-> ptrace_flag=%d\n",pTaskStruct->comm,st->ptrace_flag);
} else if(type == DEMO_FILE){
if(pTaskStruct->f_security == NULL){
printk("Demo:Dont be inint\n");
return -EIO;
}
st = (struct security_demo_task*)(pTaskStruct->f_security);
st->file_flag = value;
printk("Demo:%s'->f_security-> file_flag=%d\n",pTaskStruct->comm,st->file_flag);
} else if(type == DEMO_SOCKET){
if(pTaskStruct->f_security == NULL){
printk("Demo:Dont be inint\n");
return -EIO;
}
st = (struct security_demo_task*)(pTaskStruct->f_security);
st->socket_flag = value;
printk("Demo:%s'->f_security-> socket_flag=%d\n",pTaskStruct->comm,st->socket_flag);
} else{
printk("Demo:Invid Argument!Please check it,and try again");
return -EIO;
}
//st = (struct security_demo_task*)(pTaskStruct->f_security);
//printk("Test:Switch %d\n",st->demo_flag);
return ;
}

三：具体设计

每一个内核里的每个LSM模块(SELinux,Apparmor等)都分为了几个等级(Enable,Learning,Disable)。在这个简单的demo里我也是这样设计的，可以利用sysctl来注册一个变量，这里可以参考yama的具体实现或者直接看系列(二)的文章。至于Disable级，所有的函数Hook都被禁用，而学习模式，则将目标进程的活动全部进行记录，这里可以专门将一个ASCII码文件作为输出log，也可以省事点直接Printk出来。而在Enable级中，则是根据security_demo_task的具体sid来对进程的活动进行限制，所以说，安全域的安全属性越全，则沙箱的功能越强大：

这里展示一下对创建进程的函数进行hook:

int demo_task_create(unsigned long clone_flags)
{
struct security_demo_task* sdt; if(demo_scope == DEMO_SCOPE_ENABLE && current->f_security != NULL){
sdt = (struct security_demo_task*)(current->f_security);
if (sdt->task_flag == DEMO_TASK_ON){
printk("Demo:Forbid create task!");
return -EIO;
}
else if(sdt->task_flag == DEMO_TASK_OFF){
printk("Demo:OK!You can fork!");
}
} if(demo_scope == DEMO_SCOPE_LEARNING && current->f_security != NULL){
sdt = (struct security_demo_task*)(current->f_security); if (sdt->task_flag == DEMO_TASK_ON){
get_time();
printk("%s try to fork a new task that forbid!\n",current->comm);
}
}
return ;}