基于系統(tǒng)調(diào)用替換的Linux系統(tǒng)安全性設(shè)計與分析

邢柳

北京航天長征科技信息技術(shù)研究所 北京 100076

0 前言

Linux的系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)指針存放在系統(tǒng)調(diào)用符號表(sys_call_table)中。通過一些特殊的手段，我們可以更改其中系統(tǒng)地址的指針將系統(tǒng)調(diào)用引導(dǎo)到自己的程序代碼中，從而實現(xiàn)特定功能。使用LKM替換系統(tǒng)調(diào)用，我們可以在不重新編譯內(nèi)核的情況下，為Linux系統(tǒng)增加或完成一些特殊形式的功能。

1 監(jiān)控特權(quán)命令chattr的必要性

文件系統(tǒng)的屬性對于提高文件系統(tǒng)的安全性和保障文件系統(tǒng)的完整性(尤其對于系統(tǒng)日志文件)有很大的作用。chattr正是設(shè)置文件系統(tǒng)屬性的用戶接口命令。注意，該命令的使用必須是root用戶，其他用戶即使是文件的所有者對該文件使用chattr命令也會顯示“不允許的操作”的錯誤提示。系統(tǒng)管理員把系統(tǒng)的重要文件添加上隱藏屬性，以防止系統(tǒng)重要文件被刪除或篡改。比如使用了命令：

chattr + a message.txt

對message.txt文件設(shè)置了append屬性后，系統(tǒng)只允許在這個文件末尾追加數(shù)據(jù)，不允許任何進程覆蓋、截斷或者刪除這個文件。實驗結(jié)果顯示，message.txt只能被添加，而不準修改。

在Linux系統(tǒng)中，如果一個用戶以root的權(quán)限登錄，文件系統(tǒng)的權(quán)限控制將無法對root用戶和以root權(quán)限運行的進程進行任何的限制。這樣對于Linux操作系統(tǒng)，如果攻擊者通過遠程或者本地攻擊獲得root權(quán)限將可能對系統(tǒng)造成嚴重的破壞。而ext2文件系統(tǒng)可以作為最后道防線，最大限度地減小系統(tǒng)被破壞的程度，并保存攻擊者的行蹤。ext2屬性是由 sys_open()和 sys_truncate()等系統(tǒng)調(diào)用檢查和賦予的，不受用戶識別號和其他因素的影響，在任何情況下，對具有不可修改(immutable)屬性的文件的進行任何修改都會失敗，不管是否是root用戶進行的修改。

如果root用戶去掉了文件的隱藏屬性，就可以對該文件進行任意的刪除、修改等操作。本文對系統(tǒng)進行的保護措施是：先對系統(tǒng)重要文件設(shè)置隱減屬性，然后加載本文提出的安全保護模塊。目的是使root用戶也不能更改文件的隱藏屬性，即不能篡改要保護的文件。從而保證系統(tǒng)重要文件不被破壞和刪除。

2 文件系統(tǒng)的隱藏屬性

眾所周知，Linux內(nèi)核中有大量安全特征，其中有很多特征有著廣泛的應(yīng)用，但是絕大多數(shù)的系統(tǒng)管理員(包括一些資深系統(tǒng)管理員)都忽略了 ext2文件系統(tǒng)的隱藏屬性(attribute)。Linux的這種安全特征甚至遠沒有Lids和Tripwire等外部安全工具受關(guān)注，但是使用這個特征可以很好地保護系統(tǒng)的安全。從Linux的1.1系列內(nèi)核開始，ext2文件系統(tǒng)就開始支持一些針對文件和目錄的額外標記或者叫做屬性(attribute)。ext2文件系統(tǒng)支持表1列出的屬性設(shè)置。

在這些屬性中，最為重要的是a(Append Only)屬性和不可修改(immutable)屬性，它們對于提高文件系統(tǒng)的安全性和保障文件系統(tǒng)的完整性(尤其對于系統(tǒng)日志文件)有很大的作用。另外，由于ext3文件系統(tǒng)是以ext2文件系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，因此所有ext2文件系統(tǒng)支持的屬性，ext3文件系統(tǒng)也都支持。

3 替換系統(tǒng)調(diào)用

替換系統(tǒng)調(diào)用就是我們自己構(gòu)造一個系統(tǒng)調(diào)用，想辦法使 sys_call_table相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用號指向我們自己構(gòu)造的函數(shù)。在原來的2.4內(nèi)核里，可以將sys_call_table直接導(dǎo)出，這樣我們就很容易拿到sys_call_table的控制權(quán)來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的替換，但是從2.6的版本以后，考慮到安全問題不允許將sys_call_table再導(dǎo)出，這樣就加大了取得syscall_table控制權(quán)的難度。下面討論獲取sys_call_table地址的方法。

3.1 通過System.map和vmLinux取得sys_call_table地址

在內(nèi)核代碼中存在許多符號(symbol)，特別是大量的全局符號，內(nèi)核通過它的地址，如c02f94a0這樣的符號來使用變量，但是直接使用地址來引用變量又給內(nèi)核編程帶來了很大困難，所以內(nèi)核提供了一種折中的方案，即將每個符號和其對應(yīng)的地址保存在一個文件中，這樣既可在編程開發(fā)時使用符號，又可以方便的得到其地址。System.map就是保存這種對應(yīng)關(guān)系的文件。它通常位于/boot/System.map，在其內(nèi)部記錄了內(nèi)核各個符號的內(nèi)存定位信息。通過文本文件搜索，我們可以獲取sys_call_table的地址，并作為LKM模塊加載時的傳遞參數(shù)。

vmlinuz是可引導(dǎo)的、壓縮的內(nèi)核，其中“vm”代表“Virtual Memory”，通常位于/boot/vmlinuz，一般是在編譯內(nèi)核時通過“make zImage”創(chuàng)建或make bzImage創(chuàng)建，然后通過拷貝產(chǎn)生，在開頭部分內(nèi)嵌有g(shù)zip解壓縮代碼。由內(nèi)核文件中包含的一個微型的 gzip用于解壓縮內(nèi)核并引導(dǎo)它。vmlinux是未壓縮的內(nèi)核，vmlinuz是vmlinux的壓縮文件。通過shell命令：grep sys_call_table/boot/System.map或nm vmlinux grep sys_call_table就可以獲得sys_call_table的地址。

3.2 通過中斷向量取得sys_call_table地址

替換系統(tǒng)調(diào)用可以通過中斷向量取得 sys_call_table地址?；舅悸肥沁@樣的，因為系統(tǒng)調(diào)用都是通過 0x80中斷來進行的，故可以通過查找 0x80中斷的處理程序來獲得sys_call_table的地址。其基本步驟是，首先獲取中斷描述符表的地址，再從中查找 0x80中斷的服務(wù)例程，再搜索該例程的內(nèi)存空間，以從其中獲取sys_call_table的地址。

4 替換sys_ioctl()系統(tǒng)調(diào)用

chattr命令最終執(zhí)行進sys_ioctl()系統(tǒng)調(diào)用里，所以，我們替換調(diào)用原有的sys_ioctl()函數(shù)。在新的sys_ioctl()函數(shù)里面，根據(jù)傳進的參數(shù)進行判斷，如果用戶輸入的是要求改寫文件屬性的chattr命令，那么就可以通過dbgprint函數(shù)調(diào)用printk，輸出信息到環(huán)形buffer，該信息由klogd取出，交給syslogd存到系統(tǒng)日志文件/.var/log/messages里面，管理員查看該日志，會發(fā)現(xiàn)有人想要執(zhí)行該操作，根據(jù)該信息輸出的時間，能判斷出是否合法用戶在執(zhí)行這條命令。

5 測試結(jié)果

本文的測試環(huán)境是Fedora core 5。在模塊hijack.ko里面，通過替換sys_ioctl()系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)了監(jiān)控 root用戶修改文件隱藏屬性功能。測試步驟如表2所示。

表2 監(jiān)控特權(quán)命令chattr測試步驟

6 結(jié)束語

本文使用LKM替換系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)監(jiān)控特權(quán)命令的執(zhí)行。以監(jiān)控chattr命令執(zhí)行為例。本文的安全實現(xiàn)前提是，系統(tǒng)管理員把系統(tǒng)的重要文件添加上隱藏屬性，以防止系統(tǒng)重要文件被刪除或篡改。設(shè)置完各種隱藏屬性后，安裝hijack模塊，防止不法用戶獲取到root口令，破壞系統(tǒng)重要文件。

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