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eBPF 入门实践教程：使用 LSM 进行安全检测防御

eBPF (扩展的伯克利数据包过滤器) 是一项强大的网络和性能分析工具，被广泛应用在 Linux 内核上。eBPF 使得开发者能够动态地加载、更新和运行用户定义的代码，而无需重启内核或更改内核源代码。这个特性使得 eBPF 能够提供极高的灵活性和性能，使其在网络和系统性能分析方面具有广泛的应用。安全方面的 eBPF 应用也是如此，本文将介绍如何使用 eBPF LSM（Linux Security Modules）机制实现一个简单的安全检查程序。

背景

LSM 从 Linux 2.6 开始成为官方内核的一个安全框架，基于此的安全实现包括 SELinux 和 AppArmor 等。在 Linux 5.7 引入 BPF LSM 后，系统开发人员已经能够自由地实现函数粒度的安全检查能力，本文就提供了这样一个案例：限制通过 socket connect 函数对特定 IPv4 地址进行访问的 BPF LSM 程序。（可见其控制精度是很高的）

LSM 概述

LSM（Linux Security Modules）是 Linux 内核中用于支持各种计算机安全模型的框架。LSM 在 Linux 内核安全相关的关键路径上预置了一批 hook 点，从而实现了内核和安全模块的解耦，使不同的安全模块可以自由地在内核中加载/卸载，无需修改原有的内核代码就可以加入安全检查功能。

在过去，使用 LSM 主要通过配置已有的安全模块（如 SELinux 和 AppArmor）或编写自己的内核模块；而在 Linux 5.7 引入 BPF LSM 机制后，一切都变得不同了：现在，开发人员可以通过 eBPF 编写自定义的安全策略，并将其动态加载到内核中的 LSM 挂载点，而无需配置或编写内核模块。

现在 LSM 支持的 hook 点包括但不限于：

  • 对文件的打开、创建、删除和移动等；
  • 文件系统的挂载；
  • 对 task 和 process 的操作；
  • 对 socket 的操作（创建、绑定 socket，发送和接收消息等）；

更多 hook 点可以参考 lsm_hooks.h。

确认 BPF LSM 是否可用

首先，请确认内核版本高于 5.7。接下来，可以通过

$ cat /boot/config-$(uname -r) | grep BPF_LSM
CONFIG_BPF_LSM=y

判断是否内核是否支持 BPF LSM。上述条件都满足的情况下，可以通过

$ cat /sys/kernel/security/lsm
ndlock,lockdown,yama,integrity,apparmor

查看输出是否包含 bpf 选项，如果输出不包含（像上面的例子），可以通过修改 /etc/default/grub：

GRUB_CMDLINE_LINUX="lsm=ndlock,lockdown,yama,integrity,apparmor,bpf"

并通过 update-grub2 命令更新 grub 配置（不同系统的对应命令可能不同），然后重启系统。

编写 eBPF 程序

// lsm-connect.bpf.c
#include "vmlinux.h"
#include <bpf/bpf_core_read.h>
#include <bpf/bpf_helpers.h>
#include <bpf/bpf_tracing.h>

char LICENSE[] SEC("license") = "GPL";

#define EPERM 1
#define AF_INET 2

const __u32 blockme = 16843009; // 1.1.1.1 -> int

SEC("lsm/socket_connect")
int BPF_PROG(restrict_connect, struct socket *sock, struct sockaddr *address, int addrlen, int ret)
{
    // Satisfying "cannot override a denial" rule
    if (ret != 0)
    {
        return ret;
    }

    // Only IPv4 in this example
    if (address->sa_family != AF_INET)
    {
        return 0;
    }

    // Cast the address to an IPv4 socket address
    struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *)address;

    // Where do you want to go?
    __u32 dest = addr->sin_addr.s_addr;
    bpf_printk("lsm: found connect to %d", dest);

    if (dest == blockme)
    {
        bpf_printk("lsm: blocking %d", dest);
        return -EPERM;
    }
    return 0;
}

这是一段 C 实现的 eBPF 内核侧代码，它会阻碍所有试图通过 socket 对 1.1.1.1 的连接操作，其中：

  • SEC("lsm/socket_connect") 宏指出该程序期望的挂载点；
  • 程序通过 BPF_PROG 宏定义（详情可查看 tools/lib/bpf/bpf_tracing.h）；
  • restrict_connect 是 BPF_PROG 宏要求的程序名；
  • ret 是该挂载点上（潜在的）当前函数之前的 LSM 检查程序的返回值；

整个程序的思路不难理解：

  • 首先，若其他安全检查函数返回值不为 0（不通过），则无需检查，直接返回不通过；
  • 接下来，判断是否为 IPV4 的连接请求，并比较试图连接的地址是否为 1.1.1.1；
  • 若请求地址为 1.1.1.1 则拒绝连接，否则允许连接；

在程序运行期间，所有通过 socket 的连接操作都会被输出到 /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe。

编译运行

通过容器编译：

docker run -it -v `pwd`/:/src/ ghcr.io/eunomia-bpf/ecc-`uname -m`:latest

或是通过 ecc 编译：

$ ecc lsm-connect.bpf.c
Compiling bpf object...
Packing ebpf object and config into package.json...

并通过 ecli 运行：

sudo ecli run package.json

接下来，可以打开另一个 terminal，并尝试访问 1.1.1.1：

$ ping 1.1.1.1
ping: connect: Operation not permitted
$ curl 1.1.1.1
curl: (7) Couldn't connect to server
$ wget 1.1.1.1
--2023-04-23 08:41:18--  (try: 2)  http://1.1.1.1/
Connecting to 1.1.1.1:80... failed: Operation not permitted.
Retrying.

同时，我们可以查看 bpf_printk 的输出：

$ sudo cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe
            ping-7054    [000] d...1  6313.430872: bpf_trace_printk: lsm: found connect to 16843009
            ping-7054    [000] d...1  6313.430874: bpf_trace_printk: lsm: blocking 16843009
            curl-7058    [000] d...1  6316.346582: bpf_trace_printk: lsm: found connect to 16843009
            curl-7058    [000] d...1  6316.346584: bpf_trace_printk: lsm: blocking 16843009
            wget-7061    [000] d...1  6318.800698: bpf_trace_printk: lsm: found connect to 16843009
            wget-7061    [000] d...1  6318.800700: bpf_trace_printk: lsm: blocking 16843009

完整源代码：https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial/tree/main/src/19-lsm-connect

总结

本文介绍了如何使用 BPF LSM 来限制通过 socket 对特定 IPv4 地址的访问。我们可以通过修改 GRUB 配置文件来开启 LSM 的 BPF 挂载点。在 eBPF 程序中，我们通过 BPF_PROG 宏定义函数，并通过 SEC 宏指定挂载点；在函数实现上，遵循 LSM 安全检查模块中 "cannot override a denial" 的原则，并根据 socket 连接请求的目的地址对该请求进行限制。

如果您希望学习更多关于 eBPF 的知识和实践，可以访问我们的教程代码仓库 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial 或网站 https://eunomia.dev/zh/tutorials/ 以获取更多示例和完整的教程。

参考