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Linux Capabilities 入门：让普通进程获得 root 的洪荒之力

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Linux 是一种安全的操作系统，它把所有的系统权限都赋予了一个单一的 root 用户，只给普通用户保留有限的权限。root 用户拥有超级管理员权限，可以安装软件、允许某些服务、管理用户等。

作为普通用户，如果想执行某些只有管理员才有权限的操作，以前只有两种办法：一是通过sudo提升权限，如果用户很多，配置管理和权限控制会很麻烦；二是通过 SUID（Set User ID on execution）来实现，它可以让普通用户允许一个owner为 root 的可执行文件时具有 root 的权限。

SUID的概念比较晦涩难懂，举个例子就明白了，以常用的passwd命令为例，修改用户密码是需要 root 权限的，但普通用户却可以通过这个命令来修改密码，这就是因为/bin/passwd被设置了SUID标识，所以普通用户执行 passwd 命令时，进程的 owner 就是 passwd 的所有者，也就是 root 用户。

SUID虽然可以解决问题，但却带来了安全隐患。当运行设置了SUID的命令时，通常只是需要很小一部分的特权，但是SUID给了它 root 具有的全部权限。这些可执行文件是黑客的主要目标，如果他们发现了其中的漏洞，就很容易利用它来进行安全攻击。简而言之，SUID机制增大了系统的安全攻击面。

为了对 root 权限进行更细粒度的控制，实现按需授权，Linux 引入了另一种机制叫capabilities。

01

Linux capabilities 是什么？

Capabilities机制是在 Linux 内核2.2之后引入的，原理很简单，就是将之前与超级用户 root（UID=0）关联的特权细分为不同的功能组，Capabilites 作为线程（Linux 并不真正区分进程和线程）的属性存在，每个功能组都可以独立启用和禁用。其本质上就是将内核调用分门别类，具有相似功能的内核调用被分到同一组中。

这样一来，权限检查的过程就变成了：在执行特权操作时，如果线程的有效身份不是 root，就去检查其是否具有该特权操作所对应的 capabilities，并以此为依据，决定是否可以执行特权操作。

Capabilities 可以在进程执行时赋予，也可以直接从父进程继承。所以理论上如果给 nginx 可执行文件赋予了CAP_NET_BIND_SERVICEcapabilities，那么它就能以普通用户运行并监听在 80 端口上。

02

capabilities 的赋予和继承

Linux capabilities 分为进程 capabilities 和文件 capabilities。对于进程来说，capabilities 是细分到线程的，即每个线程可以有自己的capabilities。对于文件来说，capabilities 保存在文件的扩展属性中。

下面分别介绍线程（进程）的 capabilities 和文件的 capabilities。

线程的 capabilities

每一个线程，具有 5 个 capabilities 集合，每一个集合使用64位掩码来表示，显示为16进制格式。这 5 个 capabilities 集合分别是：

  • Permitted
  • Effective
  • Inheritable
  • Bounding
  • Ambient

每个集合中都包含零个或多个 capabilities。这5个集合的具体含义如下：

Permitted

定义了线程能够使用的 capabilities 的上限。它并不使能线程的 capabilities，而是作为一个规定。也就是说，线程可以通过系统调用capset()来从Effective或Inheritable集合中添加或删除 capability，前提是添加或删除的 capability 必须包含在Permitted集合中（其中 Bounding 集合也会有影响，具体参考下文）。如果某个线程想向Inheritable集合中添加或删除 capability，首先它的Effective集合中得包含CAP_SETPCAP这个 capabiliy。

Effective

内核检查线程是否可以进行特权操作时，检查的对象便是Effective集合。如之前所说，Permitted集合定义了上限，线程可以删除 Effective 集合中的某 capability，随后在需要时，再从 Permitted 集合中恢复该 capability，以此达到临时禁用 capability 的功能。

Inheritable

当执行exec()系统调用时，能够被新的可执行文件继承的 capabilities，被包含在Inheritable集合中。这里需要说明一下，包含在该集合中的 capabilities 并不会自动继承给新的可执行文件，即不会添加到新线程的Effective集合中，它只会影响新线程的Permitted集合。

Bounding

Bounding集合是Inheritable集合的超集，如果某个 capability 不在Bounding集合中，即使它在Permitted集合中，该线程也不能将该 capability 添加到它的Inheritable集合中。

Bounding 集合的 capabilities 在执行fork()系统调用时会传递给子进程的 Bounding 集合，并且在执行execve系统调用后保持不变。

  • 当线程运行时，不能向 Bounding 集合中添加 capabilities。
  • 一旦某个 capability 被从 Bounding 集合中删除，便不能再添加回来。
  • 将某个 capability 从 Bounding 集合中删除后，如果之前 Inherited 集合包含该 capability，将继续保留。但如果后续从 Inheritable 集合中删除了该 capability，便不能再添加回来。

Ambient

Linux4.3内核新增了一个 capabilities 集合叫Ambient，用来弥补Inheritable的不足。Ambient具有如下特性：

  • Permitted 和 Inheritable 未设置的 capabilities，Ambient 也不能设置。
  • 当 Permitted 和 Inheritable 关闭某权限（比如 CAP_SYS_BOOT）后，Ambient 也随之关闭对应权限。这样就确保了降低权限后子进程也会降低权限。
  • 非特权用户如果在 Permitted 集合中有一个 capability，那么可以添加到 Ambient 集合中，这样它的子进程便可以在 Ambient、Permitted 和 Effective 集合中获取这个 capability。现在不知道为什么也没关系，后面会通过具体的公式来告诉你。

Ambient的好处显而易见，举个例子，如果你将CAP_NET_ADMIN添加到当前进程的Ambient集合中，它便可以通过fork()和execve()调用 shell 脚本来执行网络管理任务，因为CAP_NET_ADMIN会自动继承下去。

文件的 capabilities

文件的 capabilities 被保存在文件的扩展属性中。如果想修改这些属性，需要具有CAP_SETFCAP的 capability。文件与线程的 capabilities 共同决定了通过execve()运行该文件后的线程的 capabilities。

文件的 capabilities 功能，需要文件系统的支持。如果文件系统使用了nouuid选项进行挂载，那么文件的 capabilities 将会被忽略。

类似于线程的 capabilities，文件的 capabilities 包含了 3 个集合：

  • Permitted
  • Inheritable
  • Effective

这3个集合的具体含义如下：

Permitted

这个集合中包含的 capabilities，在文件被执行时，会与线程的 Bounding 集合计算交集，然后添加到线程的Permitted集合中。

Inheritable

这个集合与线程的Inheritable集合的交集，会被添加到执行完execve()后的线程的Permitted集合中。

Effective

这不是一个集合，仅仅是一个标志位。如果设置开启，那么在执行完execve()后，线程Permitted集合中的 capabilities 会自动添加到它的Effective集合中。对于一些旧的可执行文件，由于其不会调用 capabilities 相关函数设置自身的Effective集合，所以可以将可执行文件的 Effective bit 开启，从而可以将Permitted集合中的 capabilities 自动添加到Effective集合中。

详情请参考 Linux capabilities 的 man page。

03

运行 execve() 后 capabilities 的变化

上面介绍了线程和文件的 capabilities，你们可能会觉得有些抽象难懂。下面通过具体的计算公式，来说明执行execve()后 capabilities 是如何被确定的。

我们用P代表执行execve()前线程的 capabilities，P’代表执行execve()后线程的 capabilities，F代表可执行文件的 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]

我们一条一条来解释：

  • 如果用户是 root 用户，那么执行 execve() 后线程的 Ambient 集合是空集；如果是普通用户，那么执行 execve() 后线程的 Ambient 集合将会继承执行 execve() 前线程的 Ambient 集合。

  • 执行 execve() 前线程的 Inheritable 集合与可执行文件的 Inheritable 集合取交集，会被添加到执行 execve() 后线程的 Permitted 集合；可执行文件的 capability bounding 集合与可执行文件的 Permitted 集合取交集，也会被添加到执行 execve() 后线程的 Permitted 集合；同时执行 execve() 后线程的 Ambient 集合中的 capabilities 会被自动添加到该线程的 Permitted 集合中。

  • 如果可执行文件开启了 Effective 标志位，那么在执行完 execve() 后，线程 Permitted 集合中的 capabilities 会自动添加到它的 Effective 集合中。

  • 执行 execve() 前线程的 Inheritable 集合会继承给执行 execve() 后线程的 Inheritable 集合。

这里有几点需要着重强调：

  1. 上面的公式是针对系统调用 execve() 的，如果是 fork()，那么子线程的 capabilities 信息完全复制父进程的 capabilities 信息。

  2. 可执行文件的 Inheritable 集合与线程的 Inheritable 集合并没有什么关系，可执行文件 Inheritable 集合中的 capabilities 不会被添加到执行 execve() 后线程的 Inheritable 集合中。如果想让新线程的 Inheritable 集合包含某个 capability，只能通过 capset() 将该 capability 添加到当前线程的 Inheritable 集合中（因为 P'(inheritable) = P(inheritable)）。

  3. 如果想让当前线程 Inheritable 集合中的 capabilities 传递给新的可执行文件，该文件的 Inheritable 集合中也必须包含这些 capabilities（因为 P'(permitted)   = (P(inheritable) & F(inheritable))|…）。

  4. 将当前线程的 capabilities 传递给新的可执行文件时，仅仅只是传递给新线程的 Permitted 集合。如果想让其生效，新线程必须通过 capset() 将 capabilities 添加到 Effective 集合中。或者开启新的可执行文件的 Effective 标志位（因为 P'(effective)   = F(effective) ? P'(permitted) : P'(ambient)）。

  5. 在没有 Ambient 集合之前，如果某个脚本不能调用 capset()，但想让脚本中的线程都能获得该脚本的 Permitted 集合中的 capabilities，只能将 Permitted 集合中的 capabilities 添加到 Inheritable 集合中（P'(permitted)  = P(inheritable) & F(inheritable)|…），同时开启 Effective 标志位（P'(effective)   = F(effective) ? P'(permitted) : P'(ambient)）。有 有 Ambient 集合之后，事情就变得简单多了，后续的文章会详细解释。

  6. 如果某个 UID 非零（普通用户）的线程执行了 execve()，那么 Permitted和 Effective 集合中的 capabilities 都会被清空。

  7. 从 root 用户切换到普通用户，那么 Permitted 和 Effective 集合中的 capabilities 都会被清空，除非设置了 SECBIT_KEEP_CAPS 或者更宽泛的 SECBIT_NO_SETUID_FIXUP。

关于上述计算公式的逻辑流程图如下所示（不包括Ambient集合）：

04

简单示例

下面我们用一个例子来演示上述公式的计算逻辑，以ping文件为例。如果我们将CAP_NET_RAWcapability添加到 ping 文件的Permitted集合中（F(Permitted)），它就会添加到执行后的线程的Permitted集合中（P'(Permitted)）。由于 ping 文件具有 capabilities 意识，即能够调用capset()和capget()，它在运行时会调用capset()将CAP_NET_RAWcapability 添加到线程的Effective集合中。

换句话说，如果可执行文件不具有 capabilities 意识，我们就必须要开启 Effective 标志位（F(Effective)），这样就会将该 capability 自动添加到线程的Effective集合中。具有capabilities 意识的可执行文件更安全，因为它会限制线程使用该 capability 的时间。

我们也可以将 capabilities 添加到文件的Inheritable集合中，文件的Inheritable集合会与当前线程的Inheritable集合取交集，然后添加到新线程的Permitted集合中。这样就可以控制可执行文件的运行环境。

看起来很有道理，但有一个问题：如果可执行文件的有效用户是普通用户，且没有Inheritable集合，即F(inheritable) = 0，那么P(inheritable)将会被忽略（P(inheritable) & F(inheritable)）。由于绝大多数可执行文件都是这种情况，因此Inheritable集合的可用性受到了限制。我们无法让脚本中的线程自动继承该脚本文件中的 capabilities，除非让脚本具有 capabilities 意识。

要想改变这种状况，可以使用Ambient集合。Ambient集合会自动从父线程中继承，同时会自动添加到当前线程的Permitted集合中。举个例子，在一个 Bash 环境中（例如某个正在执行的脚本），该环境所在的线程的Ambient集合中包含CAP_NET_RAWcapability，那么在该环境中执行 ping 文件可以正常工作，即使该文件是普通文件（没有任何 capabilities，也没有设置 SUID）。

05

终极案例

最后拿 docker 举例，如果你使用普通用户来启动官方的 nginx 容器，会出现以下错误： 

bind() to 0.0.0.0:80 failed (13: Permission denied)

因为 nginx 进程的Effective集合中不包含CAP_NET_BIND_SERVICEcapability，且不具有 capabilities 意识（普通用户），所以启动失败。要想启动成功，至少需要将该 capability 添加到 nginx 文件的Inheritable集合中，同时开启 Effective 标志位，并且在 Kubernetes Pod 的部署清单中的 securityContext –> capabilities 字段下面添加NET_BIND_SERVICE（这个 capability 会被添加到 nginx 进程的Bounding集合中），最后还要将 capability 添加到 nginx 文件的Permitted集合中。如此一来就大功告成了，参考公式：P'(permitted) = …|(F(permitted) & P(bounding)))|…和P'(effective) = F(effective) ? P'(permitted) : P'(ambient)。

如果容器开启了securityContext/allowPrivilegeEscalation，上述设置仍然可以生效。如果 nginx 文件具有 capabilities 意识，那么只需要将CAP_NET_BIND_SERVICEcapability 添加到它的Inheritable集合中就可以正常工作了。

当然了，除了上述使用文件扩展属性的方法外，还可以使用Ambient集合来让非 root 容器进程正常工作，但 Kubernetes 目前还不支持这个属性，具体参考 Kubernetes 项目的 issue。

虽然 Kubernetes 官方不支持，但我们可以自己来实现，具体实现方式可以关注我后续的文章。

06

参考资料

  • Linux Capabilities: Why They Exist and How They Work
  • Understanding Capabilities in Linux
  • Linux Capabilities in a nutshell
  • Linux的capabilities机制

● Docker 大势已去，Podman 万岁

● 国内 2018 年 12 月 XX 站访问百强榜单

● etcd 性能测试与调优

云原生是一种信仰 ????

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