Linux Capabilities 入门教程--概念篇
該系列文章總共分為三篇：
- Linux Capabilities 入門教程：概念篇
- Linux Capabilities 入門教程：基礎(chǔ)實(shí)戰(zhàn)篇
- Linux Capabilities 入門教程：進(jìn)階實(shí)戰(zhàn)篇
Linux 是一種安全的操作系統(tǒng)，它把所有的系統(tǒng)權(quán)限都賦予了一個單一的 root 用戶，只給普通用戶保留有限的權(quán)限。root 用戶擁有超級管理員權(quán)限，可以安裝軟件、允許某些服務(wù)、管理用戶等。
作為普通用戶，如果想執(zhí)行某些只有管理員才有權(quán)限的操作，以前只有兩種辦法：一是通過 sudo 提升權(quán)限，如果用戶很多，配置管理和權(quán)限控制會很麻煩；二是通過 SUID（Set User ID on execution）來實(shí)現(xiàn)，它可以讓普通用戶允許一個 owner 為 root 的可執(zhí)行文件時具有 root 的權(quán)限。
SUID 的概念比較晦澀難懂，舉個例子就明白了，以常用的 passwd 命令為例，修改用戶密碼是需要 root 權(quán)限的，但普通用戶卻可以通過這個命令來修改密碼，這就是因?yàn)?/bin/passwd 被設(shè)置了 SUID 標(biāo)識，所以普通用戶執(zhí)行 passwd 命令時，進(jìn)程的 owner 就是 passwd 的所有者，也就是 root 用戶。
SUID 雖然可以解決問題，但卻帶來了安全隱患。當(dāng)運(yùn)行設(shè)置了 SUID 的命令時，通常只是需要很小一部分的特權(quán)，但是 SUID 給了它 root 具有的全部權(quán)限。這些可執(zhí)行文件是黑客的主要目標(biāo)，如果他們發(fā)現(xiàn)了其中的漏洞，就很容易利用它來進(jìn)行安全攻擊。簡而言之，SUID 機(jī)制增大了系統(tǒng)的安全攻擊面。
為了對 root 權(quán)限進(jìn)行更細(xì)粒度的控制，實(shí)現(xiàn)按需授權(quán)，Linux 引入了另一種機(jī)制叫 capabilities。
1. Linux capabilities 是什么？
Capabilities 機(jī)制是在 Linux 內(nèi)核 2.2 之后引入的，原理很簡單，就是將之前與超級用戶 root（UID=0）關(guān)聯(lián)的特權(quán)細(xì)分為不同的功能組，Capabilites 作為線程（Linux 并不真正區(qū)分進(jìn)程和線程）的屬性存在，每個功能組都可以獨(dú)立啟用和禁用。其本質(zhì)上就是將內(nèi)核調(diào)用分門別類，具有相似功能的內(nèi)核調(diào)用被分到同一組中。
這樣一來，權(quán)限檢查的過程就變成了：在執(zhí)行特權(quán)操作時，如果線程的有效身份不是 root，就去檢查其是否具有該特權(quán)操作所對應(yīng)的 capabilities，并以此為依據(jù)，決定是否可以執(zhí)行特權(quán)操作。
Capabilities 可以在進(jìn)程執(zhí)行時賦予，也可以直接從父進(jìn)程繼承。所以理論上如果給 nginx 可執(zhí)行文件賦予了 CAP_NET_BIND_SERVICE capabilities，那么它就能以普通用戶運(yùn)行并監(jiān)聽在 80 端口上。
| CAP_AUDIT_CONTROL | 啟用和禁用內(nèi)核審計(jì)；改變審計(jì)過濾規(guī)則；檢索審計(jì)狀態(tài)和過濾規(guī)則 |
| CAP_AUDIT_READ | 允許通過 multicast netlink 套接字讀取審計(jì)日志 |
| CAP_AUDIT_WRITE | 將記錄寫入內(nèi)核審計(jì)日志 |
| CAP_BLOCK_SUSPEND | 使用可以阻止系統(tǒng)掛起的特性 |
| CAP_CHOWN | 修改文件所有者的權(quán)限 |
| CAP_DAC_OVERRIDE | 忽略文件的 DAC 訪問限制 |
| CAP_DAC_READ_SEARCH | 忽略文件讀及目錄搜索的 DAC 訪問限制 |
| CAP_FOWNER | 忽略文件屬主 ID 必須和進(jìn)程用戶 ID 相匹配的限制 |
| CAP_FSETID | 允許設(shè)置文件的 setuid 位 |
| CAP_IPC_LOCK | 允許鎖定共享內(nèi)存片段 |
| CAP_IPC_OWNER | 忽略 IPC 所有權(quán)檢查 |
| CAP_KILL | 允許對不屬于自己的進(jìn)程發(fā)送信號 |
| CAP_LEASE | 允許修改文件鎖的 FL_LEASE 標(biāo)志 |
| CAP_LINUX_IMMUTABLE | 允許修改文件的 IMMUTABLE 和 APPEND 屬性標(biāo)志 |
| CAP_MAC_ADMIN | 允許 MAC 配置或狀態(tài)更改 |
| CAP_MAC_OVERRIDE | 忽略文件的 DAC 訪問限制 |
| CAP_MKNOD | 允許使用 mknod() 系統(tǒng)調(diào)用 |
| CAP_NET_ADMIN | 允許執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù) |
| CAP_NET_BIND_SERVICE | 允許綁定到小于 1024 的端口 |
| CAP_NET_BROADCAST | 允許網(wǎng)絡(luò)廣播和多播訪問 |
| CAP_NET_RAW | 允許使用原始套接字 |
| CAP_SETGID | 允許改變進(jìn)程的 GID |
| CAP_SETFCAP | 允許為文件設(shè)置任意的 capabilities |
| CAP_SETPCAP | 參考 capabilities man page |
| CAP_SETUID | 允許改變進(jìn)程的 UID |
| CAP_SYS_ADMIN | 允許執(zhí)行系統(tǒng)管理任務(wù)，如加載或卸載文件系統(tǒng)、設(shè)置磁盤配額等 |
| CAP_SYS_BOOT | 允許重新啟動系統(tǒng) |
| CAP_SYS_CHROOT | 允許使用 chroot() 系統(tǒng)調(diào)用 |
| CAP_SYS_MODULE | 允許插入和刪除內(nèi)核模塊 |
| CAP_SYS_NICE | 允許提升優(yōu)先級及設(shè)置其他進(jìn)程的優(yōu)先級 |
| CAP_SYS_PACCT | 允許執(zhí)行進(jìn)程的 BSD 式審計(jì) |
| CAP_SYS_PTRACE | 允許跟蹤任何進(jìn)程 |
| CAP_SYS_RAWIO | 允許直接訪問 /devport、/dev/mem、/dev/kmem 及原始塊設(shè)備 |
| CAP_SYS_RESOURCE | 忽略資源限制 |
| CAP_SYS_TIME | 允許改變系統(tǒng)時鐘 |
| CAP_SYS_TTY_CONFIG | 允許配置 TTY 設(shè)備 |
| CAP_SYSLOG | 允許使用 syslog() 系統(tǒng)調(diào)用 |
| CAP_WAKE_ALARM | 允許觸發(fā)一些能喚醒系統(tǒng)的東西(比如 CLOCK_BOOTTIME_ALARM 計(jì)時器) |
2. capabilities 的賦予和繼承
Linux capabilities 分為進(jìn)程 capabilities 和文件 capabilities。對于進(jìn)程來說，capabilities 是細(xì)分到線程的，即每個線程可以有自己的capabilities。對于文件來說，capabilities 保存在文件的擴(kuò)展屬性中。
下面分別介紹線程（進(jìn)程）的 capabilities 和文件的 capabilities。
線程的 capabilities
每一個線程，具有 5 個 capabilities 集合，每一個集合使用 64 位掩碼來表示，顯示為 16 進(jìn)制格式。這 5 個 capabilities 集合分別是：
- Permitted
- Effective
- Inheritable
- Bounding
- Ambient
每個集合中都包含零個或多個 capabilities。這5個集合的具體含義如下：
Permitted
定義了線程能夠使用的 capabilities 的上限。它并不使能線程的 capabilities，而是作為一個規(guī)定。也就是說，線程可以通過系統(tǒng)調(diào)用 capset() 來從 Effective 或 Inheritable 集合中添加或刪除 capability，前提是添加或刪除的 capability 必須包含在 Permitted 集合中（其中 Bounding 集合也會有影響，具體參考下文）。 如果某個線程想向 Inheritable 集合中添加或刪除 capability，首先它的 Effective 集合中得包含 CAP_SETPCAP 這個 capabiliy。
Effective
內(nèi)核檢查線程是否可以進(jìn)行特權(quán)操作時，檢查的對象便是 Effective 集合。如之前所說，Permitted 集合定義了上限，線程可以刪除 Effective 集合中的某 capability，隨后在需要時，再從 Permitted 集合中恢復(fù)該 capability，以此達(dá)到臨時禁用 capability 的功能。
Inheritable
當(dāng)執(zhí)行exec() 系統(tǒng)調(diào)用時，能夠被新的可執(zhí)行文件繼承的 capabilities，被包含在 Inheritable 集合中。這里需要說明一下，包含在該集合中的 capabilities 并不會自動繼承給新的可執(zhí)行文件，即不會添加到新線程的 Effective 集合中，它只會影響新線程的 Permitted 集合。
Bounding
Bounding 集合是 Inheritable 集合的超集，如果某個 capability 不在 Bounding 集合中，即使它在 Permitted 集合中，該線程也不能將該 capability 添加到它的 Inheritable 集合中。
Bounding 集合的 capabilities 在執(zhí)行 fork() 系統(tǒng)調(diào)用時會傳遞給子進(jìn)程的 Bounding 集合，并且在執(zhí)行 execve 系統(tǒng)調(diào)用后保持不變。
- 當(dāng)線程運(yùn)行時，不能向 Bounding 集合中添加 capabilities。
- 一旦某個 capability 被從 Bounding 集合中刪除，便不能再添加回來。
- 將某個 capability 從 Bounding 集合中刪除后，如果之前 Inherited 集合包含該 capability，將繼續(xù)保留。但如果后續(xù)從 Inheritable 集合中刪除了該 capability，便不能再添加回來。
Ambient
Linux 4.3 內(nèi)核新增了一個 capabilities 集合叫 Ambient ，用來彌補(bǔ) Inheritable 的不足。Ambient 具有如下特性：
- Permitted 和 Inheritable 未設(shè)置的 capabilities，Ambient 也不能設(shè)置。
- 當(dāng) Permitted 和 Inheritable 關(guān)閉某權(quán)限（比如 CAP_SYS_BOOT）后，Ambient 也隨之關(guān)閉對應(yīng)權(quán)限。這樣就確保了降低權(quán)限后子進(jìn)程也會降低權(quán)限。
- 非特權(quán)用戶如果在 Permitted 集合中有一個 capability，那么可以添加到 Ambient 集合中，這樣它的子進(jìn)程便可以在 Ambient、Permitted 和 Effective 集合中獲取這個 capability。現(xiàn)在不知道為什么也沒關(guān)系，后面會通過具體的公式來告訴你。
Ambient 的好處顯而易見，舉個例子，如果你將 CAP_NET_ADMIN 添加到當(dāng)前進(jìn)程的 Ambient 集合中，它便可以通過 fork() 和 execve() 調(diào)用 shell 腳本來執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)，因?yàn)?CAP_NET_ADMIN 會自動繼承下去。
文件的 capabilities
文件的 capabilities 被保存在文件的擴(kuò)展屬性中。如果想修改這些屬性，需要具有 CAP_SETFCAP 的 capability。文件與線程的 capabilities 共同決定了通過 execve() 運(yùn)行該文件后的線程的 capabilities。
文件的 capabilities 功能，需要文件系統(tǒng)的支持。如果文件系統(tǒng)使用了 nouuid 選項(xiàng)進(jìn)行掛載，那么文件的 capabilities 將會被忽略。
類似于線程的 capabilities，文件的 capabilities 包含了 3 個集合：
- Permitted
- Inheritable
- Effective
這3個集合的具體含義如下：
Permitted
這個集合中包含的 capabilities，在文件被執(zhí)行時，會與線程的 Bounding 集合計(jì)算交集，然后添加到線程的 Permitted 集合中。
Inheritable
這個集合與線程的 Inheritable 集合的交集，會被添加到執(zhí)行完 execve() 后的線程的 Permitted 集合中。
Effective
這不是一個集合，僅僅是一個標(biāo)志位。如果設(shè)置開啟，那么在執(zhí)行完 execve() 后，線程 Permitted 集合中的 capabilities 會自動添加到它的 Effective 集合中。對于一些舊的可執(zhí)行文件，由于其不會調(diào)用 capabilities 相關(guān)函數(shù)設(shè)置自身的 Effective 集合，所以可以將可執(zhí)行文件的 Effective bit 開啟，從而可以將 Permitted 集合中的 capabilities 自動添加到 Effective 集合中。
詳情請參考 Linux capabilities 的 man page。
3. 運(yùn)行 execve() 后 capabilities 的變化
上面介紹了線程和文件的 capabilities，你們可能會覺得有些抽象難懂。下面通過具體的計(jì)算公式，來說明執(zhí)行 execve() 后 capabilities 是如何被確定的。
我們用 P 代表執(zhí)行 execve() 前線程的 capabilities，P' 代表執(zhí)行 execve() 后線程的 capabilities，F 代表可執(zhí)行文件的 capabilities。那么：
P’(ambient) = (file is privileged) ? 0 : P(ambient)
P’(permitted) = (P(inheritable) & F(inheritable)) |
(F(permitted) & P(bounding))) | P’(ambient)
P’(effective) = F(effective) ? P’(permitted) : P’(ambient)
P’(inheritable) = P(inheritable) [i.e., unchanged]
P’(bounding) = P(bounding) [i.e., unchanged]
我們一條一條來解釋：
- 如果用戶是 root 用戶，那么執(zhí)行 execve() 后線程的 Ambient 集合是空集；如果是普通用戶，那么執(zhí)行 execve() 后線程的 Ambient 集合將會繼承執(zhí)行 execve() 前線程的 Ambient 集合。
- 執(zhí)行 execve() 前線程的 Inheritable 集合與可執(zhí)行文件的 Inheritable 集合取交集，會被添加到執(zhí)行 execve() 后線程的 Permitted 集合；可執(zhí)行文件的 capability bounding 集合與可執(zhí)行文件的 Permitted 集合取交集，也會被添加到執(zhí)行 execve() 后線程的 Permitted 集合；同時執(zhí)行 execve() 后線程的 Ambient 集合中的 capabilities 會被自動添加到該線程的 Permitted 集合中。
- 如果可執(zhí)行文件開啟了 Effective 標(biāo)志位，那么在執(zhí)行完 execve() 后，線程 Permitted 集合中的 capabilities 會自動添加到它的 Effective 集合中。
- 執(zhí)行 execve() 前線程的 Inheritable 集合會繼承給執(zhí)行 execve() 后線程的 Inheritable 集合。
這里有幾點(diǎn)需要著重強(qiáng)調(diào)：
關(guān)于上述計(jì)算公式的邏輯流程圖如下所示（不包括 Ambient 集合）：
4. 簡單示例
下面我們用一個例子來演示上述公式的計(jì)算邏輯，以 ping 文件為例。如果我們將 CAP_NET_RAW capability添加到 ping 文件的 Permitted 集合中（F(Permitted)），它就會添加到執(zhí)行后的線程的 Permitted 集合中（P’(Permitted)）。由于 ping 文件具有 capabilities 感知能力，即能夠調(diào)用 capset() 和 capget() ，它在運(yùn)行時會調(diào)用 capset() 將 CAP_NET_RAW capability 添加到線程的 Effective 集合中。
換句話說，如果可執(zhí)行文件不具有 capabilities 感知能力，我們就必須要開啟 Effective 標(biāo)志位（F(Effective)），這樣就會將該 capability 自動添加到線程的 Effective 集合中。具有capabilities 感知能力的可執(zhí)行文件更安全，因?yàn)樗鼤拗凭€程使用該 capability 的時間。
我們也可以將 capabilities 添加到文件的 Inheritable 集合中，文件的 Inheritable 集合會與當(dāng)前線程的 Inheritable 集合取交集，然后添加到新線程的 Permitted 集合中。這樣就可以控制可執(zhí)行文件的運(yùn)行環(huán)境。
看起來很有道理，但有一個問題：如果可執(zhí)行文件的有效用戶是普通用戶，且沒有 Inheritable 集合，即 F(inheritable) = 0，那么 P(inheritable) 將會被忽略（P(inheritable) & F(inheritable)）。由于絕大多數(shù)可執(zhí)行文件都是這種情況，因此 Inheritable 集合的可用性受到了限制。我們無法讓腳本中的線程自動繼承該腳本文件中的 capabilities，除非讓腳本具有 capabilities 感知能力。
要想改變這種狀況，可以使用 Ambient 集合。Ambient 集合會自動從父線程中繼承，同時會自動添加到當(dāng)前線程的 Permitted 集合中。舉個例子，在一個 Bash 環(huán)境中（例如某個正在執(zhí)行的腳本），該環(huán)境所在的線程的 Ambient 集合中包含 CAP_NET_RAW capability，那么在該環(huán)境中執(zhí)行 ping 文件可以正常工作，即使該文件是普通文件（沒有任何 capabilities，也沒有設(shè)置 SUID）。
5. 終極案例
最后拿 docker 舉例，如果你使用普通用戶來啟動官方的 nginx 容器，會出現(xiàn)以下錯誤：
bind() to 0.0.0.0:80 failed (13: Permission denied)因?yàn)?nginx 進(jìn)程的 Effective 集合中不包含 CAP_NET_BIND_SERVICE capability，且不具有 capabilities 感知能力（普通用戶），所以啟動失敗。要想啟動成功，至少需要將該 capability 添加到 nginx 文件的 Inheritable 集合中，同時開啟 Effective 標(biāo)志位，并且在 Kubernetes Pod 的部署清單中的 securityContext –> capabilities 字段下面添加 NET_BIND_SERVICE（這個 capability 會被添加到 nginx 進(jìn)程的 Bounding 集合中），最后還要將 capability 添加到 nginx 文件的 Permitted 集合中。如此一來就大功告成了，參考公式：P’(permitted) = …|(F(permitted) & P(bounding)))|…，P’(effective) = F(effective) ? P’(permitted) : P’(ambient)。
如果容器開啟了 securityContext/allowPrivilegeEscalation，上述設(shè)置仍然可以生效。如果 nginx 文件具有 capabilities 感知能力，那么只需要將 CAP_NET_BIND_SERVICE capability 添加到它的 Inheritable 集合中就可以正常工作了。
當(dāng)然了，除了上述使用文件擴(kuò)展屬性的方法外，還可以使用 Ambient 集合來讓非 root 容器進(jìn)程正常工作，但 Kubernetes 目前還不支持這個屬性，具體參考 Kubernetes 項(xiàng)目的 issue。
雖然 Kubernetes 官方不支持，但我們可以自己來實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方式可以關(guān)注我后續(xù)的文章。
6. 參考資料
- Linux Capabilities: Why They Exist and How They Work
- Understanding Capabilities in Linux
- Linux Capabilities in a nutshell
- Linux的capabilities機(jī)制
轉(zhuǎn)載自：https://fuckcloudnative.io/posts/linux-capabilities-why-they-exist-and-how-they-work/
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Linux Capabilities 入门教程--概念篇的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： toml文件格式
- 下一篇： Linux Capabilities 入