[Dreamhack-system] Background: SECCOMP

서론

모든 애플리케이션에는 잠재적인 취약점이 존재하며, 충분한 보안 의식만 가지고 있다면 사전에 예방할 수도 있지만, 원격에서 곧바로 공격할 수 있는 원격 코드 실행(Remote Code Execution) 취약점은 사전에 예방할 수 있는 길이 없다.

 

Sandbox

샌드박스(Sandbox)는 외부의 공격으로부터 시스템을 보호하기 위해 설계된 기법이다. 샌드박스는 Allow List와 Deny List 두 가지를 선택해 적용할 수 있으며, 애플리케이션의 기능을 수행하는데에 있어서 꼭 필요한 시스템 콜 실행, 파일의 접근만을 허용한다. => 이처럼 보호된 영역에서 애플리케이션의 기능이 수행되기 때문에 외부의 공격을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

 

각 애플리케이션은 실행 목적과 기능이 천차만별이기 때문에 샌드박스는 애플리케이션 개발자가 직접 명시해야 된다. 만약, 샌드박스를 적용 시에 애플리케이션에 대한 기능와 보안 관련 지식이 부족하면 서비스의 접근성을 과하게 해치며 일부 기능이 정상적으로 실행되지 않거나 우회될 수 있기 때문에 정확한 이해가 뒷받침되어야 한다.

 

SECCOMP

SECure COMPuting mode (SECCOMP)는 리눅스 커널에서도 프로그램의 샌드박싱 매커니즘을 제공하는 컴퓨터 보안 기능이다. SECCOMP를 사용하면 애플리케이션에서 불필요한 시스템 콜의 호출을 방지할 수 있다. 예를 들어, execve 시스템 콜의 실행을 방지하는 정책을 적용하면 외부의 공격으로부터 execve 시스템 콜이 실행될 경우 애플리케이션을 즉시 종료한다.

 

SECCOMP는 두 가지의 모드를 선택해서 적용할 수 있으며, 아래 코드는 해당 기능의 일부이다.

int __secure_computing(const struct seccomp_data *sd) {
  int mode = current->seccomp.mode;
  int this_syscall;
  ... 
  this_syscall = sd ? sd->nr : syscall_get_nr(current, task_pt_regs(current));
  switch (mode) {
    case SECCOMP_MODE_STRICT:
      __secure_computing_strict(this_syscall); /* may call do_exit */
      return 0;
    case SECCOMP_MODE_FILTER:
      return __seccomp_filter(this_syscall, sd, false);
    ...
  }
}

STRICT_MODE

해당 모드는 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 호출만을 허용하며 이외의 시트템 콜의 호출 요청이 들어오면 SIGKILL 시그널을 발생하고 프로그램을 종료한다.

 

FILTER_MODE

해당 모드는 원하는 시스템 콜의 호출을 허용하거나 거부할 수 있다. 이를 적용하는 방법은 라이브러리 함수를 이용한 방법과 필터링에 주로 쓰이는 Berkeley Packet Filter (BPF) 문법을 통해 적용하는 방법 두 가지로 나뉘어진다.

 

STRICT_MODE

STRICT_MODE는 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 호출만을 허용하여 이외의 시스템 콜의 호출 요청이 들어오면 SIGKILL 시그널을 발생하고 프로그램을 종료한다.

 

// Name: strict_mode.c
// Compile: gcc -o strict_mode strict_mode.c
#include <fcntl.h>
#include <linux/seccomp.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>
void init_filter() { prctl(PR_SET_SECCOMP, SECCOMP_MODE_STRICT); }
int main() {
  char buf[256];
  int fd = 0;
  init_filter();
  write(1, "OPEN!\n", 6);
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  write(1, "READ!\n", 6);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  write(1, buf, sizeof(buf));
  return 0;
}

위 코드는 STRICT_MODE를 적용한 예제 코드이다. 코드를 살펴보면, init_filter 함수에서 prctl 함수를 사용해 해당 모드를 적용한 것을 볼 수 있다. 예제 코드를 실행하면 다음과 같이 출력되며, open 함수가 실행되지 않고 프로그램이 종료된 것을 확인할 수 있다.

 

STRICT_MODE 동작 원리

STRICT_MODE를 처리하는 코드를 살펴보면서 어떻게 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 호출만을 허용하는지 살펴보자.

static const int mode1_syscalls[] = {
    __NR_seccomp_read,
    __NR_seccomp_write,
    __NR_seccomp_exit,
    __NR_seccomp_sigreturn,
    -1, /* negative terminated */
};
#ifdef CONFIG_COMPAT
static int mode1_syscalls_32[] = {
    __NR_seccomp_read_32,
    __NR_seccomp_write_32,
    __NR_seccomp_exit_32,
    __NR_seccomp_sigreturn_32,
    0, /* null terminated */
};
#endif
static void __secure_computing_strict(int this_syscall) {
  const int *allowed_syscalls = mode1_syscalls;
#ifdef CONFIG_COMPAT
  if (in_compat_syscall()) allowed_syscalls = get_compat_mode1_syscalls();
#endif
  do {
    if (*allowed_syscalls == this_syscall) return;
  } while (*++allowed_syscalls != -1);
#ifdef SECCOMP_DEBUG
  dump_stack();
#endif
  seccomp_log(this_syscall, SIGKILL, SECCOMP_RET_KILL_THREAD, true);
  do_exit(SIGKILL);
}

mode1_syscalls는 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 번호를 저장하고 있는 변수이며, 애플리케이션의 호환 모드에 따라서 각 비트에 맞는 시스템 콜의 번호를 저장한다.

이후 애플리케이션에서 시스템 콜이 호출되면 __secure_computing 함수에 먼저 진입한다. 해당 함수는 전달된 시스템 콜 번호가 mode1_syscalls 또는 mode1_syscalls_32에 미리 정의된 번호와 일치하는지 검사하고, 일치하지 않는다면 SIGKILL 시그널을 전달하고 SECCOMP_RET_KILL을 반환한다.

 

FILTER_MODE: 라이브러리 함수

FILTER_MODE는 원하는 시스템 콜의 호출을 허용하거나 거부할 수 있다. 해당 모드는 애플리케이션 기능에 맞춰 유연하게 시스템 콜 실행을 허용 및 거부할 수 있는 장점이 있다. 아래는 SECCOMP에서 제공하는 함수를 정리한 표이다.

 

함수	설명
seccomp_init	SECCOMP 모드의 기본 값을 설정하는 함수이다. 임의의 시스템 콜이 호출되면 이에 해당하는 이벤트가 발생한다.
seccomp_rule_add	SECCOMP의 규칙을 추가한다. 임의의 시스템 콜을 허용하거나 거부할 수 있다.
seccomp_load	앞서 적용한 규칙을 애플리케이션에 반환한다.

 

ALLOW LIST

아래 코드는 seccomp 라이브러리 함수를 사용해 지정한 시스템 콜의 호출만을 허용하는 예제 코드이다. 코드의 sandbox 함수를 살펴보면, SCMP_ACT_KILL을 통해 모든 시스템 콜의 호출을 허용하지 않는 규칙을 생성한다. 이렇게 생성된 규칙에 seccomp_rule_add 함수를 통해 세 번째 인자로 전달된 시스템 콜의 호출을 허용하는 코드를 명시하고, 해당 규칙을 적용한다.

// Name: libseccomp_alist.c
// Compile: gcc -o libseccomp_alist libseccomp_alist.c -lseccomp
#include <fcntl.h>
#include <seccomp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>
void sandbox() {
  scmp_filter_ctx ctx;
  ctx = seccomp_init(SCMP_ACT_KILL);
  if (ctx == NULL) {
    printf("seccomp error\n");
    exit(0);
  }
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(rt_sigreturn), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(exit), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(exit_group), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(read), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(write), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(open), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(openat), 0);
  seccomp_load(ctx);
}
int banned() { fork(); }
int main(int argc, char *argv[]) {
  char buf[256];
  int fd;
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
  sandbox();
  if (argc < 2) {
    banned();
  }
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  write(1, buf, sizeof(buf));
}

main 함수를 살펴보면, 앞서 만든 규칙을 적용하고 나서 프로그램 실행 시에 전달되는 인자 갯수에 따라 fork 함수의 호출을 결정한다. fork 함수가 호출되면 적용한 규칙에 따라 함수의 호출을 허용하지 않는다.

인자를 전달하고 프로그램을 실행하면 "/bin/sh" 파일을 읽고 화면에 출력하지만, 인자를 전달하지 않을 경우 fork 함수가 호출되어 곧바로 프로그램이 종료될 것이다.

$ ./libseccomp_alist
Bad system call (core dumped)
$ ./libseccomp_alist 1
ELF> J@X?@8	@@@?888h?h? P?P?!

 

DENY LIST

위의 ALLOW LIST와는 대조적으로, 지정한 시스템 콜을 호출하지 못하도록 하는 예제 코드이다.

// Name: libseccomp_dlist.c
// Compile: gcc -o libseccomp_dlist libseccomp_dlist.c -lseccomp
#include <fcntl.h>
#include <seccomp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>
void sandbox() {
  scmp_filter_ctx ctx;
  ctx = seccomp_init(SCMP_ACT_ALLOW);
  if (ctx == NULL) {
    exit(0);
  }
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_KILL, SCMP_SYS(open), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_KILL, SCMP_SYS(openat), 0);
  seccomp_load(ctx);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
  char buf[256];
  int fd;
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
  sandbox();
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  write(1, buf, sizeof(buf));
}

 

FILTER_MODE: BPF

Berkeley Packet Filter (BPF)를 사용해서 SECCOMP를 적용할 수 있다. BPF는 커널에서 지원하는 Virtual machine으로, 본래에는 네트워크 패킷을 분석하고 필터링하는 목적으로 사용되었다. 

이는 임의 데이터를 비교하고, 결과에 따라 특정 구문으로 분기하는 명령어를 제공한다.

명령어	설명
BPF_LD	인자로 전달된 값을 누산기에 복사한다. 이를 통해 값을 복사한 후 비교 구문에서 해당 값을 비교할 수 있다.
BPF_JMP	지정한 위치로 분기한다.
BPF_JEQ	설정한 비교 구문이 일치할 경우 지정한 위치로 분기한다.
BPF_RET	인자로 전달된 값을 반환한다.

 

BPF Macro

BPF 코드를 직접 입력하지 않고 편리하게 원하는 코드를 실행할 수 있게끔 매크로를 제공한다.

BPF_STMT

operand에 해당하는 값을 명시한 opcode로 값을 가져온다. opcode는 인자로 전달된 값에서 몇 번째 인덱스에서 몇 바이트를 가져올 것인지를 지정할 수 있다.

BPF_STMT(opcode, operand)

BPF_JUMP

BPF_STMT 매크로를 통해 저장한 값과 operand를 opcode에 정의한 코드로 비교하고, 비교 결과에 따라 특정 오프셋으로 분기한다.

BPF_JUMP(opcode, operand, true_offset, false_offset)

 

ALLOW LIST

아래는 BPF를 통해 지정한 시스템 콜의 호출만을 허용하는 예제 코드이다. 코드의 sandbox 함수를 살펴보면, filter 구조체에 BPF 코드가 작성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

// Name: secbpf_alist.c
// Compile: gcc -o secbpf_alist secbpf_alist.c
#include <fcntl.h>
#include <linux/audit.h>
#include <linux/filter.h>
#include <linux/seccomp.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <stddef.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>
#define ALLOW_SYSCALL(name)                               \
  BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, __NR_##name, 0, 1), \
      BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, SECCOMP_RET_ALLOW)
#define KILL_PROCESS BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, SECCOMP_RET_KILL)
#define syscall_nr (offsetof(struct seccomp_data, nr))
#define arch_nr (offsetof(struct seccomp_data, arch))
/* architecture x86_64 */
#define ARCH_NR AUDIT_ARCH_X86_64
int sandbox() {
  struct sock_filter filter[] = {
      /* Validate architecture. */
      BPF_STMT(BPF_LD + BPF_W + BPF_ABS, arch_nr),
      BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, ARCH_NR, 1, 0),
      BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, SECCOMP_RET_KILL),
      /* Get system call number. */
      BPF_STMT(BPF_LD + BPF_W + BPF_ABS, syscall_nr),
      /* List allowed syscalls. */
      ALLOW_SYSCALL(rt_sigreturn),
      ALLOW_SYSCALL(open),
      ALLOW_SYSCALL(openat),
      ALLOW_SYSCALL(read),
      ALLOW_SYSCALL(write),
      ALLOW_SYSCALL(exit_group),
      KILL_PROCESS,
  };
  struct sock_fprog prog = {
      .len = (unsigned short)(sizeof(filter) / sizeof(filter[0])),
      .filter = filter,
  };
  if (prctl(PR_SET_NO_NEW_PRIVS, 1, 0, 0, 0) == -1) {
    perror("prctl(PR_SET_NO_NEW_PRIVS)\n");
    return -1;
  }
  if (prctl(PR_SET_SECCOMP, SECCOMP_MODE_FILTER, &prog) == -1) {
    perror("Seccomp filter error\n");
    return -1;
  }
  return 0;
}
void banned() { fork(); }
int main(int argc, char* argv[]) {
  char buf[256];
  int fd;
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
  sandbox();
  if (argc < 2) {
    banned();
  }
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  write(1, buf, sizeof(buf));
  return 0;
}

아키텍처 검사

현재 아키텍처가 X86_64라면 다음 코드로 분기하고, 다른 아키텍처라면 SECCOMP_RET_KILL을 반환하고 프로그램을 종료한다.

#define arch_nr (offsetof(struct seccomp_data, arch))
#define ARCH_NR AUDIT_ARCH_X86_64
BPF_STMT(BPF_LD+BPF_W+BPF_ABS, arch_nr),
BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, ARCH_NR, 1, 0),
BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, SECCOMP_RET_KILL),

 

시스템 콜 검사

호출된 시스템 콜의 번호를 저장하고, ALLOW_SYSCALL 매크로를 호출한다. 해당 매크로는 호출된 시스템 콜이 인자로 전달된 시스템 콜과 일치하는지 비교하고 같다면 SECCOMP_RET_ALLOW를 반환한다. 만약 다른 시스템 콜이라면 KILL_PROCESS를 호출해 SECCOMP_RET_KILL을 반환하고 프로그램을 종료한다.

#define ALLOW_SYSCALL(name) \
	BPF_JUMP(BPF_JMP+BPF_JEQ+BPF_K, __NR_##name, 0, 1), \
	BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, SECCOMP_RET_ALLOW
	
#define KILL_PROCESS \
	BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K, SECCOMP_RET_KILL)
	
BPF_STMT(BPF_LD+BPF_W+BPF_ABS, syscall_nr),
ALLOW_SYSCALL(rt_sigreturn),
ALLOW_SYSCALL(open),
ALLOW_SYSCALL(openat),
ALLOW_SYSCALL(read),
ALLOW_SYSCALL(write),
ALLOW_SYSCALL(exit_group),
KILL_PROCESS,

DENY LIST

ALLOW LIST의 역할과 반대되는 역할을 한다.