沙箱与Docker

沙箱技术杂谈

为什么沙箱技术被称为沙箱技术？

在现实生活中，沙箱是一个装满沙子的小箱子，小孩儿们可以在沙箱里面发挥自己的想象力——建沙堡、画画等，而不会将沙子弄得满地都是。

在计算机安全领域，沙箱技术的主要目标是隔离和保护程序，以防止它们对系统或其他应用程序造成不必要的损害或干扰。

沙箱技术的历史

早在上世纪60年代，就已经通过硬件实现了系统和进程代码的隔离。

80年代，通过硬件方法隔离不同进程的内存空间。VAX/VMS操作系统引入了”访问控制列表”的概念，允许管理员对文件和资源进行更细粒度的权限控制。这是隔离和控制访问的重要步骤。

90年代，互联网逐渐开始普及。产生了解释器和被解释的代码之间的隔离，以及Java虚拟机（JVM）等早期沙箱技术。

2000年左右，是针对浏览器的网络攻击最盛之时。

而2010年前后，现代沙箱技术崛起了，主要用于浏览器，让不被信任的代码、数据被放置于一个被隔离的进程中。当被隔离的进程（子进程）想要执行一些需要授权的操作时，需要向父进程（如Firefox）请求，得到允许后方可执行。

沙箱逃逸

chroot()

chroot()系统调用最早于1979年出现在Unix系统，然后出现在BSD系统。这是一种传统沙盒。

chroot('/sandbox')的作用是让调用该函数的进程以及其子进程认为根目录是/sandbox，在/sandbox中时，不能cd ../到真正的根目录，因此一定程度上限制了进程对/sandbox外资源的访问。

路径穿越

考虑在根目录运行如下C代码（不完整）：

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chroot("/sandbox");
execl("/busybox", "sh", 0); // Busybox在单一的可执行文件中提供了精简的Unix工具集，在这可以理解为运行了一个Linux系统

初看：busybox运行，它认为自己的根目录是/sandbox。但问题是，调用chroot()不会自动更改工作目录，因此busybox的工作目录还在根目录，可能可以借由这个工作目录访问沙箱外的资源。

资源未关闭

仅仅执行chroot()，并不会将先前打开的资源（如文件）关闭（留下文件句柄）。

Linux中有许多后缀为at的系统调用，可以根据目录（的句柄）和相对路径找到文件。以下是一些例子：

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int openat(int dirfd, char *pathname, int flags);
int execveat(int dirfd, char *pathname, char **argv, char **envp, int flags);

如果先前有打开的目录未释放句柄，那么很容易利用句柄访问任意文件。

重复调用chroot()

调用了一次chroot()后，如果没有明确限制，可以再次调用chroot()。考虑以下情况：

位于根目录为/sandbox的沙箱中（已经执行chroot("/sandbox");）。

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mkdir springboard	# 在沙箱的根目录中创建目录
chroot springboard	# 现在进程认为/sandbox/springboard是它的根目录
# 但是现在工作目录是/sandbox，我们实际上处于进程所认为的根目录外面，因此不受限制
# chdir ../../
# 现在工作目录就是/
# 我们已经到达了真正的根目录

seccomp

seccomp被称作系统调用的防火墙。可以禁用某些系统调用，或者基于参数来禁用。
docker、chrome、firefox等，都依赖于seccomp。

seccomp的规则将会被children继承

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scmp_filter_ctx ctx;										//seccomp过滤规则的数据结构
ctx = seccomp_init(SCMP_ACT_ALLOW);							//初始化seccomp, 允许所有系统调用
seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_KILL, SCMP_SYS(execve), 0); 	//禁止 execve 系统调用
seccomp_load(ctx);											//应用规则

execl("/bin/cat", "cat", "/flag", (char *)0);				//这个函数会调用 execve，将被 kill

更多使用方法：

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man seccomp_rule_add

宽松的过滤规则

Linux系统现在有300多种系统调用，且仍然在不断更新，十分复杂。沙箱应用开发者为了功能、性能或方便，可能会制定相对宽松的过滤规则。有些未被允许的系统调用就有可能被用于逃逸。

系统调用混淆

许多64位架构向后兼容了32位。在amd64等架构中，你可以在同一个进程中切换32/64位模式。

不过有趣的是，不同架构（甚至是同一个架构的32/64位）的系统调用号不一样。例如：

exit()在amd64中号码是60，在x86中是1。

在amd64操作系统中，seccomp默认配置的是amd64下允许/禁用的系统调用。如果允许两种模式下的系统调用，那么沙盒很可能顾此失彼。

考虑下面这种情况：

如果开发者在配置规则时，本意是允许close(), stat(), fstat()系统调用，但由于seccomp是根据系统调用号进行过滤，当我们使用32位的指令进行系统调用时，我们竟然可以调用open, read, write——这意味着我们可以读取文件的内容并输出到其他文件或标准输出等。

内核漏洞

如果沙盒的seccomp被正确配置，攻击者很难发起有用的攻击。但是，用户仍然可以调用在白名单中的系统调用。如果内核中含有漏洞，通过系统调用，攻击者就可能利用这些内核漏洞。

听起来很玄乎，但其实内核与普通软件一样，都是代码，都或多或少存在漏洞，单是2019年一年，就有超过30个Chrome沙盒逃逸，其中大部分利用了内核漏洞。

namespace——现代解决方案

命名空间是 Linux 中可用的功能，用于隔离不同系统资源方面的进程。在Linux中有很多namespace，包括：

• mnt（挂载点，文件系统）
• pid（进程）
• net（网络堆栈）
• IPC（系统 V IPC）
• uts（主机名）
• 用户（UID）

等。使用挂载命名空间、pivot_root可以让用户只能访问原本文件树的一部分。

原有root挂载点未删除

一般会将旧的根目录挂载到沙箱内某个挂载点，然后使用pivot_root将根目录换成新的“根目录”，然后再将该挂载点和目录删除。如果忘记删除原有挂载点，则沙箱形同虚设。

共享文件系统

如果沙箱和宿主共用文件系统（沙箱对文件系统有写权限），那么沙箱用户就可以利用自己的root权限来在沙箱外提取。
例如，在沙箱内：

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chmod 4755 /bin/cat

那么在沙箱外的任何用户就都可以以root身份运行cat，这意味着可以读取任何文件。

先前打开的资源未关闭

与chroot()中讨论的一致。

setns()和/proc

setns():

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int setns(int fd, int nstype);

fd参数是下列两者其中之一：

• 指向/proc/pid/ns/目录中的一个链接（或绑定挂载到此类链接）的文件描述符；

• 一个进程文件的句柄

nstype视情况而定。

setns()系统调用可以将当前进程的命名空间切换成其他进程的命名空间。

在bash中，可以：

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PID=149
nsenter --mount=/proc/$PID/ns/mnt cat /flag

这样当前bash就会拥有和PID为149的进程一样的挂载命名空间。假如这个进程是沙箱外的，那么当前bash就有了沙箱外的挂载命名空间，意味着沙箱内用户可以访问完整的文件树。

也就是说，将原有的/proc挂载到沙箱中，且沙箱外有其他进程未关闭的情况下，是非常危险的！

Docker

Docker容器 vs 沙箱

Docker容器和沙箱有许多相似之处，例如：

• 环境隔离

  两者都与宿主系统产生了一定的隔离，起到了限制和保护作用

• 轻量

  相比于虚拟机，两者都称得上轻量

但两者是截然不同的技术：

• 隔离级别：

  Docker容器提供了一种相对较高级别的隔离，包括文件系统隔离、进程隔离、网络隔离等。容器之间通常是相互隔离的，但它们仍然在同一个操作系统内核上运行。沙箱通常提供更加细粒度的隔离，通常是为了限制单个应用程序或代码的权限。沙箱环境可以是单进程的，不涉及多个容器或应用程序的协同工作。

• 用途：

  Docker容器是用于构建、打包和运行应用程序的独立、可移植的环境。它们旨在在不同的环境中一致地运行应用程序，包括开发、测试和生产环境。Docker容器通常包括应用程序及其依赖项，并提供了隔离、版本控制和自动化部署的能力。沙箱是一种安全机制，用于隔离和限制运行在其中的代码或程序的能力。沙箱旨在提供一种受限制的执行环境，以防止应用程序或代码对系统或其他应用程序造成损害。它通常用于执行不受信任的代码或对应用程序进行测试，以减少潜在的风险。

• 隔离技术：

  Docker容器使用容器化技术，如Docker引擎，通过Linux命名空间、控制组等技术提供隔离和资源管理。沙箱可以使用各种技术，包括操作系统级别的虚拟化、chroot、Seccomp、AppArmor等，具体取决于实现。

Docker安全

除了在沙箱技术中提到的namespace, seccomp等，Docker还使用capabilities, control groups等来Linux提供的功能来提升安全性。

1. cgroups：
   • 资源隔离：Docker使用 cgroups 来隔离容器的资源使用，包括CPU、内存、磁盘I/O等。每个容器都可以分配一定的资源配额，以确保它们不会互相干扰或抢占主机上的资源。
   • 资源限制：cgroups 允许设置容器的资源限制，例如限制 CPU 使用率、内存使用量等。这有助于防止容器滥用主机上的资源，提高整个系统的稳定性。
   • 资源监控：通过 cgroups，你可以监视容器的资源使用情况，以便进行性能调整和资源规划。
2. capabilities：
   • 最小权限原则：Docker 使用 Linux 的 capabilities 功能来确保容器中的进程以最小权限原则运行。capabilities 允许我们将权限分配给进程，而不需要完全的 root 权限。这样可以减小潜在的攻击面。
   • 降低特权：Docker 默认情况下会剥夺容器中的进程一些敏感的权限，如修改主机的网络配置或访问主机的设备。这有助于降低容器中运行的进程对主机的潜在威胁。

值得一提的是，如果主机 /proc 目录被挂载在 docker 容器中，而且容器的capabilities配置了 CAP_SYS_ADMIN （很高的权限，例如可以挂载文件系统），那么我们能够很轻松的从容器中逃逸。