利用capability特征加强Linux系统安全【转】

转自：https://blog.csdn.net/fivedragon/article/details/676849

1.简介

　　UNIX是一种安全操作系统，它给普通用户尽可能低的权限，而把全部的系统权限赋予一个单一的帐户--root。root帐户用来管理系统、安装软
件、管理帐户、运行某些服务、安装/卸载文件系统、管理用户、安装软件等。另外，普通用户的很多操作也需要root权限，这通过setuid实现。

　　这种依赖单一帐户执行特权操作的方式加大了系统的面临风险，而需要root权限的程序可能只是为了一个单一的操作，例如：绑定到特权端口、打开一个只
有root权限可以访问的文件。某些程序可能有安全漏洞，而如果程序不是以root的权限运行，其存在的漏洞就不可能对系统造成什么威胁。

　　从2.1版开始，内核开发人员在Linux内核中加入了能力(capability)的概念。其目标是消除需要执行某些操作的程序对root帐户的依赖。从2.2版本的内核开始，这些代基本可以使用了，虽然还存在一些问题，但是方向是正确的。

2.Linux内核能力详解

　　传统UNIX的信任状模型非常简单，就是“超级用户对普通用户”模型。在这种模型中，一个进程要么什么都能做，要么几乎什么也不能做，这取决于进程的

UID。如果一个进程需要执行绑定到私有端口、加载/卸载内核模块以及管理文件系统等操作时，就需要完全的root权限。很显然这样做对系统安全存在很大

的威胁。UNIX系统中的SUID问题就是由这种信任状模型造成的。例如，一个普通用户需要使用ping命令。这是一个SUID命令，会以root的权限

运行。而实际上这个程序只是需要RAW套接字建立必要ICMP数据包，除此之外的其它root权限对这个程序都是没有必要的。如果程序编写不好，就可能被
攻击者利用，获得系统的控制权。

　　使用能力(capability)可以减小这种风险。系统管理员为了系统的安全可以剥夺root用户的能力，这样即使root用户也将无法进行某些操
作。而这个过程又是不可逆的，也就是说如果一种能力被删除，除非重新启动系统，否则即使root用户也无法重新添加被删除的能力。

2.1.能力的概念

　　Linux内核中使用的能力(capability)概念非常容易被混淆。计算机科学中定义了很多种能力(capability)。能力就是一个进程
能够对某个对象进行的操作，它标志对象以及允许在这个对象上进行的操作。文件描述符就是一种能力，你使用open系统调用请求获得读或者写的权限，如果

open系统调用成功，系统的内核就会建立一个文件描述符。然后，如果收到读或者写的请求，内核就使用这个文件描述符作为一个数据结构的索引，检索相关的
操作是否允许。这是一种检查权限的有效方式，在执行open系统调用是，内核一次性建立必要的数据结构，然后的读写等操作检查只需要在数据结构中梭梭即

可。对能力的操作包括：复制能力、进程间的迁移能力、修改一个能力以及撤消一个能力等。修改一个能力类似与把一个可以读写的文件描述符改为只读。目前，各
种系统对能力的应用程度并不相同。

　　POSIX 1003.1e中也提出了一种能力定义，通常称为POSIX能力(POSIX capabilities)，Linux中的定义不大一样。内核使用这些能力分割root的权限，因为传统*NIX系统中root的权限过于强大了。

2.2.Linux是如何使用POSIX capabilities代替传统的信任状模型的

　　每个进程有三个和能力有关的位图：inheritable(I)、permitted(P)和effective(E)，对应进程描述符
task_struct(include/linux/sched.h)里面的cap_effective, cap_inheritable,
cap_permitted。每种能力由一位表示，1表示具有某种能力，0表示没有。当一个进程要进行某个特权操作时，操作系统会检查
cap_effective的对应位是否有效，而不再是检查进程的有效UID是否为0。例如，如果一个进程要设置系统的时钟，Linux的内核就会检查
cap_effective的CAP_SYS_TIME位(第25位)是否有效，

　　cap_permitted表示进程能够使用的能力。在cap_permitted中可以包含cap_effective中没有的能力，这些能力是被
进程自己临时放弃的，也可以说cap_effective是cap_permitted的一个子集。进程放弃没有必要的能力对于提高安全性大有助益。例
如，ping只需要CAP_NET_RAW，如果它放弃除这个能力之外的其它能力，即使存在安全缺陷，也不会对系统造成太大的损害。
cap_inheritable表示能够被当前进程执行的程序继承的能力。

3.Linux支持的能力

　　Linux实现了7个POSIX 1003.1e规定的能力，还有21个(截止到2.4.7-10版本的内核)Linux所特有的，这些能力在/usr/src/linux/include/linux/capability.h文件中定义。其细节如下：

能力名 数字 描述  
CAP_CHOWN 0 允许改变文件的所有权  
CAP_DAC_OVERRIDE 1 忽略对文件的所有DAC访问限制  
CAP_DAC_READ_SEARCH 2 忽略所有对读、搜索操作的限制  
CAP_FOWNER 3 如果文件属于进程的UID，就取消对文件的限制  
CAP_FSETID 4 允许设置setuid位  
CAP_KILL 5 允许对不属于自己的进程发送信号  
CAP_SETGID 6 允许改变组ID  
CAP_SETUID 7 允许改变用户ID  
CAP_SETPCAP 8 允许向其它进程转移能力以及删除其它进程的任意能力  
CAP_LINUX_IMMUTABLE 9 允许修改文件的不可修改(IMMUTABLE)和只添加(APPEND-ONLY)属性  
CAP_NET_BIND_SERVICE 10 允许绑定到小于1024的端口  
CAP_NET_BROADCAST 11 允许网络广播和多播访问  
CAP_NET_ADMIN 12 允许执行网络管理任务：接口、防火墙和路由等，详情请参考/usr/src/linux/include/linux/capability.h文件  
CAP_NET_RAW 13 允许使用原始(raw)套接字  
CAP_IPC_LOCK 14 允许锁定共享内存片段  
CAP_IPC_OWNER 15 忽略IPC所有权检查  
CAP_SYS_MODULE 16 插入和删除内核模块  
CAP_SYS_RAWIO 17 允许对ioperm/iopl的访问  
CAP_SYS_CHROOT 18 允许使用chroot()系统调用  
CAP_SYS_PTRACE 19 允许跟踪任何进程  
CAP_SYS_PACCT 20 允许配置进程记帐(process accounting)  
CAP_SYS_ADMIN 21 允许执行系统管理任务：加载/卸载文件系统、设置磁盘配额、开/关交换设备和文件等。详情请参考/usr/src/linux/include/linux/capability.h文件。  
CAP_SYS_BOOT 22 允许重新启动系统  
CAP_SYS_NICE 23 允许提升优先级，设置其它进程的优先级  
CAP_SYS_RESOURCE 24 忽略资源限制  
CAP_SYS_TIME 25 允许改变系统时钟  
CAP_SYS_TTY_CONFIG 26 允许配置TTY设备  
CAP_MKNOD 27 允许使用mknod()系统调用  
CAP_LEASE 28 Allow taking of leases on files

4.能力边界集

　　Linux2.2内核提供了对能力的基本支持。但是在引入了能力之后遇到了一些困难，虽然2.2版本的内核能够理解能力，但是缺乏一个系统和用户之间
的接口。除此之外，还存在其它的一些问题。从2.2.11版本开始，这种情况发生了很大的改观，在这个版本中引入了能力边界集(capability
bounding set)的概念，解决了和系统和用户之间的接口问题。能力边界集(capability bounding
set)是系统中所有进程允许保留的能力。如果在能力边界集中不存在某个能力，那么系统中的所有进程都没有这个能力，即使以超级用户权限执行的进程也一
样。

　　能力边界集通过sysctl命令导出，用户可以在/proc/sys/kernel/cap-bound中看到系统保留的能力。在默认情况下，能力边界集所有的位都是打开的。

　　root用户可以向能力边界集中写入新的值来修改系统保留的能力。但是要注意，root用户能够从能力边界集中删除能力，却不能再恢复被删除的能力，只有init进程能够添加能力。通常，一个能力如果从能力边界集中被删除，只有系统重新启动才能恢复。

　　删除系统中多余的能力对提高系统的安全性是很有好处的。假设你有一台重要的服务器，比较担心可加载内核模块的安全性。而你又不想完全禁止在系统中使用

可加载内核模块或者一些设备的驱动就是一些内核模块。在这种情况下，最好使系统在启动时加载所有的模块，然后禁止加载/卸载任何内核模块。在Linux系

统中，加载/卸载内核模块是由CAP_SYS_MODULE能力控制的。如果把CAP_SYS_MODULE从能力边界集中删除，系统将不再允许加载/卸
载任何的内核模块。

　　CAP_SYS_MODULE能力的值是16，因此我们使用下面的命令就可以把它从能力边界集中删除：

　　echo 0xFFFEFFFF >/proc/sys/kernel/cap-bound

5.lcap

　　虽然我们可以直接修改/proc/sys/kernel/cap-bound来删除系统的某中能力，但是这样毕竟非常的不方便。有一个程序lcap可

以帮助我们更方便的从系统中删除指定的能力。它可以从http://home.netcom.com/~spoon/lcap/下载。编译之后就可以直接
使用。如果不带参数，lcap可以列出系统当前支持的各种能力：

[root@nixe0n lcap-0.0.6]# ./lcap
Current capabilities: 0xFFFFFEFF
   0) *CAP_CHOWN                   1) *CAP_DAC_OVERRIDE         
   2) *CAP_DAC_READ_SEARCH         3) *CAP_FOWNER               
   4) *CAP_FSETID                  5) *CAP_KILL                 
   6) *CAP_SETGID                  7) *CAP_SETUID               
   8)  CAP_SETPCAP                 9) *CAP_LINUX_IMMUTABLE      
  10) *CAP_NET_BIND_SERVICE       11) *CAP_NET_BROADCAST        
  12) *CAP_NET_ADMIN              13) *CAP_NET_RAW              
  14) *CAP_IPC_LOCK               15) *CAP_IPC_OWNER            
  16) *CAP_SYS_MODULE             17) *CAP_SYS_RAWIO            
  18) *CAP_SYS_CHROOT             19) *CAP_SYS_PTRACE           
  20) *CAP_SYS_PACCT              21) *CAP_SYS_ADMIN            
  22) *CAP_SYS_BOOT               23) *CAP_SYS_NICE             
  24) *CAP_SYS_RESOURCE           25) *CAP_SYS_TIME             
  26) *CAP_SYS_TTY_CONFIG       
    * = Capabilities currently allowed

　　如果我们需要删除某个能力，直接把能力名作为参数就可以，例如我们要删除加载/卸载内核模块的能力：

[root@nixe0n lcap-0.0.6]# ./lcap CAP_SYS_MODULE
[root@nixe0n lcap-0.0.6]# ./lcap
Current capabilities: 0xFFFBFEFF
   0) *CAP_CHOWN                   1) *CAP_DAC_OVERRIDE         
   2) *CAP_DAC_READ_SEARCH         3) *CAP_FOWNER               
   4) *CAP_FSETID                  5) *CAP_KILL                 
   6) *CAP_SETGID                  7) *CAP_SETUID               
   8)  CAP_SETPCAP                 9) *CAP_LINUX_IMMUTABLE      
  10) *CAP_NET_BIND_SERVICE       11) *CAP_NET_BROADCAST        
  12) *CAP_NET_ADMIN              13) *CAP_NET_RAW              
  14) *CAP_IPC_LOCK               15) *CAP_IPC_OWNER            
  16)  CAP_SYS_MODULE             17) *CAP_SYS_RAWIO            
  18) *CAP_SYS_CHROOT             19) *CAP_SYS_PTRACE           
  20) *CAP_SYS_PACCT              21) *CAP_SYS_ADMIN            
  22) *CAP_SYS_BOOT               23) *CAP_SYS_NICE             
  24) *CAP_SYS_RESOURCE           25) *CAP_SYS_TIME             
  26) *CAP_SYS_TTY_CONFIG       
    * = Capabilities currently allowed

6.能力边界集的安全问题

　　能力边界集为系统和管理员之间提供了一个便利的交互接口，但是它存在一些的脆弱性。Patrick
Reynolds在提交到BugTraq的一个邮件里详细分析了这种脆弱性。对能力边界集的最大威胁就是能够被读/写的/dev/mem设备。在内核内存

区中，/proc/sys/kernel/cap-bound直接影射到cap_bset变量中。如果/dev/mem可以写，攻击者就能够直接修改内存
重置cap_bset变量。从而能够越过能力边界集打开所有的能力。使用以下命令就可以获得cap_bset变量的地址：

$ grep cap_bset System.map
c01f0cd5 ? __kstrtab_cap_bset
c01f7340 ? __ksymtab_cap_bset
c01fb2ac D cap_bset

　　从结果可以看出，cap_bset位于c01fb2ac。攻击者获得了/dev/mem的写权限，只要写入0xffffffff就能够重新打开所有的能力。

　　因此，为了维护能力边界集的安全，你应该放弃系统的CAP_SYS_RAWIO能力。这样会造成X系统和其它一些需要访问/dev/mem或I/O端
口的程序无法运行，不过对于服务器来说，这是值得的。除了关闭CAP_SYS_RAWIO，还应该放弃CAP_SYS_MODULE能力。

7.局限

　　虽然利用能力可已经以有效地保护系统的安全，但是由于文件系统的制约，Linux的能力控制还不是很完善。我们除了可以使用lcap从总体上放弃一些
能力之外，服务器软件程序员也应该主动放弃进程的一些多余的能力。例如，xntpd程序可以通过以下的步骤放弃没有必要的能力，以加强安全性：

以完整的root权限启动
绑定到ntp端口
除了CAP_SYS_TIME能力之外，放弃其它的能力
放弃root权限
以普通管理帐户的身份进行正常的操作

　　但是，并不是所有的程序员能够注意到这个问题，如果能够直接使用chmod和chattr命令限制程序的能力将给为方便。例如：

[root@localhost /root]# chattr +CAP_BIND xntpd

　　目前，由于文件系统的制约，还无法实现。

8.结论

　　在本文，我们讨论了Linux的能力，并说明了如何使用相关的工具加强系统的安全性。但是，能力还守制于文件系统的扩展，并不是非常完善。