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深入浅出SELinux

本文主要描述了SELinux的原理，以及在android中的使用。第一部分首先介绍了SELinux的基础框架；第二部分介绍了SELinux的基础理论；第三部分简单介绍了SELinux Policy。

本文主要基于android系统的SELinux讲解，水平有限,如果有错误，敬请指正。

SELinux Overview

SELinux 来源

SELinux 即Security-Enhanced Linux，由美国国家安全局(NSA)发起，Secure Computing Corporation (SCC) 和 MITRE 直接参与开发，以及很多研究机构(如犹他大学)一起参与的强制性安全审查机制，该系统最初是作为一款通用访问软件，发布于 2000 年 12 月(代码采用 GPL 许可发布)。并在Linux Kernel 2.6 版本后，有直接整合进入SELinux，搭建在Linux Security Module(LSM)基础上，目前已经成为最受欢迎，使用最广泛的安全方案。

SELinux 基本架构与原理

SELinux 是典型的MAC-Mandatory Access Controls实现，对系统中每个对象都生成一个安全上下文(Security Context)，每一个对象访问系统的资源都要进行安全上下文审查。审查的规则包括类型强制检测(type enforcement)，多层安全审查(Multi-Level Security)，以及基于角色的访问控制(RBAC: Role Based Access Control)。

SELinux 搭建在Linux Security Module(LSM)基础上，关于 LSM 架构的详细描述请参见文章 “Linux Security Modules: General Security Support for the Linux Kernel”，该文章在 2002 年的 USENIX Security 会议上发表。有完整的实现LSM 的所有hook function。

SELinux 的整体结构如下图所示：

SELinux 的整体结构

SELinux 包含五个基本组成：

  • 用于处理文件系统的辅助模块, 即SELinuxFS；
  • 集成Linux Security Modules 的hooks sets；
  • Security Policy Database；
  • Security Label 验证模块；
  • Access Vector Cache (AVC)，访问向量缓存，以便提高验证速度。

基本的访问流程如下图所示：

SELinux 的访问流程图

流程如下：

  • 进程通过系统调用(System Call) 访问某个资源，进入Kernel 后，先会做基本的检测，如果异常则直接返回；
  • Linux Kernel DAC 审查，如果异常则直接返回；
  • 调用Linux Kernel Modules 的相关hooks，对接到SELinux 的hooks，进而进行MAC 验证，如果异常则直接返回；
  • 访问真正的系统资源；
  • 返回用户态，将结果反馈。

SELinux and SEAndroid

Android 是建立在标准的Linux Kernel 基础上，自然也可以开启SELinux，通常在通用移动平台上，很少开启这样的安全服务，Google 为了进一步增强Android 的安全性，经过长期的准备，目前已经在Android 5.0(L) 之后有完整的开启SELinux，并对SELinux 进行深入整合形成了SEAndroid。

SELinux 在Android 上的更新历史

如下图所描述：

SELinux 在Android 的更新过程图

  • KK 4.4 针对netd、installd、zygote、vold 四个原本具有root 权限的process，以及它们fork 出的子进程启用Enforce 模式；
  • L 版本开始普遍性开启SELinux Enforce mode；
  • SELinux 分成两种模式，即Permissve Mode(宽容模式)和 Enfocing mode(强制模式)。

Permissive Mode 只通过Kernel Audit System 记录LOG，但不真正拦截访问。

Enforcing Mode 在记录LOG 的同时，还会真正的拦截访问。

SELinux 在Android 启动模式变化图

从Android N 版本的后续版本Google都会要求强制性开启SELinux，以保证手机安全。

从Android O 版本后，Google大幅度的增强了selinux的限制，特别是限制System/Vendor 之间的交叉使用，如VNDK 的权限控制就主要由selinux来控制。

总体来说, Selinux 在android上的使用过程是一个从具体启用，到整体启用，从粗粒度限制，到精细控制的过程。

SELinux 给Android 带来的影响

  • 严格限制了ROOT 权限，以往ROOT “无法无天” 的情况将得到极大的改善；
  • 通过SELinux保护，降低系统关键进程受攻击的风险，普通进程将没有权限直接连接到系统关键进程；
  • 进一步强化APP的沙箱机制，确保APP难以做出异常行为或者攻击行为；
  • 将改变APP一旦安装，权限就已经顶死的历史，APP权限动态调整将成为可能。

SELinux 基础原理

DAC and MAC

DAC 即 Discretionary Access control，自主访问控制，即系统只提供基本的验证，完整的访问控制由开发者自己控制。

MAC 即 Mandatory Access control，强制性访问控制，即系统针对每一项访问都进行严格限制，具体的限制策略由开发者给出。

Linux DAC

Linux DAC 采用了一种非常简单的策略，将资源访问者分成三类，分别是Owner、Group、Other。资源针对这三类访问者设置不同的访问权限。而访问权限又分成 read、write、execute。

访问者通常是进程，有自己的uid/gid，通过uid/gid和文件权限匹配，来确定是否可以访问。

将Root权限根据不同的应用场景划分成许多的Root Capabilities，其中如果有CAP_DAC_OVERRIDE 这项的话，可以直接绕过Linux DAC 限制。

Linux DAC 有明显的不足，其中一个重要点就是Root 权限 “无法无天”，几乎可以做任意事情，一旦入侵者拿到root 权限，即已经完全掌控了系统。另外，每一个进程默认都拿到对应这个用户的所有权限，可以改动/删除这个用户的所有文件资源。很明显，这个难以防止恶意软件。

Linux MAC

Linux MAC 针对DAC 的不足，要求系统对每一项访问进行检查，每访问一个文件资源都需要进行针对性的验证。而这个针对性的验证是根据已经定义好了的策略进行的。在Linux Kernel，所有的MAC机制都是搭建在Linux Security Modules (LSM) 基础上，包括有：SELinux、Apparmor、Smack 和 TOMOYO Linux等。目前SELinux已经成了事实上的行业标准。

针对Linux DAC，MAC 可以明显弥补DAC 的缺陷，一方面限制Root 权限，即使你有root 权限，如果无法通过MAC 验证，那么一样的无法真正执行相关的操作.。另外对每一项权限进行了更加完整的细化，可限制用户对资源的访问行为。

Core SELinux Components

SELinux 的核心组件可以参考下面的图：

SELinux 核心组件图

  • Subject 通常是指触发访问行为的对象，在Linux 里面通常是一个进程(Process)；
  • Object Manager 即是对象访问管理器，即可以知道Subject 需要访问哪些资源，并且触发验证机制；
  • Security Server 即安全服务器，用来验证某个Subject 是否可以真正的访问某个Object，而这个验证机制是基于定义好的Security Policy；
  • Security Policy 是一种描述SELinux Policy 的语言；
  • Access Vector Cache (AVC) 是访问缓存，用来记录以往的访问验证情况，以便提高效率，快速处理。

Security Context

SELinux 给Linux 的所有对象都分配一个安全上下文(Security Context)，描述成一个标准的字符串。

两种类型：

  • Subject 主体，linux通常以进程为单位
  • Object 访问对象，linux 通常以文件为单位

标准格式：user:role:type[:range]

  • User：用户，非Linux UID；
  • Role：角色，一个user可以属于多个role，不同的role具有不同的权限。它是SELinux中一种比较高层次，更方便的权限管理思路，即Role Based Access Control（基于角色的访问控制，简称为RBAC，SELinux 不推荐使用）；
  • Type：Subject或者Object的类型。MAC的基础管理思路其实不是针对上面的RBAC，而是所谓的Type Enforcement Access Control（简称TEAC，一般用TE表示）。对进程来说，Type就是Domain。
  • Range：Multi-Level Security（MLS）的级别。MLS将系统的进程和文件进行了分级，不同级别的资源需要对应级别的进程才能访问。

对象类型和权限项关系图

每一个对象都有一个Class，比如一个文件，它是File Class 类型，每个Class 类型都会根据实际情况定义权限类型项，如：read、write、exec、ioctl、append 等等。

Subject 即前面提到的主体，它能够产生访问行为，Linux 里面通常是一个process，但process 本身也可能是一个Object，比如另外一个进程对它发送Signal，去对它进行Ptrace 操作。

SELinux supports two forms of MAC

（1） Type Enforcement (TE)

顾名思义，Type Enforcement 是根据Security Label 中的 type 进行权限审查，审查 subject type 对 object type 的某个class 类型中某种permission 是否具有访问权限，是目前使用最为广泛的MAC 审查机制，简单易用。

（2） Multi-Level Security (MLS)

多层安全机制，是基于Bell-La Padula (BLP) 模型，将Subject 和 Object 定义成多层次的安全等级，不同安全等级之间有相关的访问约束，常见的访问约束是 “no write down” 和 “no read up”。它是根据Security Label 里面的最后一个字段label 进行确认的。

目前在Android 中，重点启用了Type Enforcement 机制，Multi-Level Security (MLS) 虽然有定义，但没有深入使用，这里暂时略过。

Type Enforcement Access Control

  • 控制语句格式：rule_name source_type target_type:class perm_set；
  • rule：控制类型，分成两方面 allow 以及 audit。
  • source_type：也叫subject，通常是domain。
  • Target_type：代表请求的资源的类型。
  • class perm_set：代表对资源访问的操作。

Rule of Type Enforcement

如下表所示：

TEAC-Rule图

  • allow：赋予某项权限。

  • auditallow：audit含义就是记录某项操作。默认SELinux只记录那些权限检查失败的操作。auditallow则使得权限检查成功的操作也被记录。注意，allowaudit只是允许记录，它和赋予权限没关系。赋予权限必须且只能使用allow语句。

  • dontaudit：对那些权限检查失败的操作不做记录。
  • neverallow：前面讲过，用来检查安全策略文件中是否有违反该项规则的allow语句。

Domain Transitions

在SELinux 中，我们通常称一个进程是一个domain，一个进程fork 另外一个进程并执行(exec) 一个执行档时，我们往往会涉及到domain 的切换。比如init 进程，SELinux 给予了它很大的权限，而它拉起的服务，我们要限制这个服务的权限，于是就涉及到从一个domain 切换到另外一个domain，不然默认就使用init 进程的domain。

在SELinux 里面有专门的一条语法：type_transition statement。

在准备切换前我们先要确保有相关的权限操作：

  • The source domain has permission to transition into the target domain.

源domain 必须有权限切换到这个目标domain；

  • The application binary file needs to be executable in the source domain.

源doamin 必须要有执行这个执行档的权限；

  • The application binary file needs an entry point into the target domain.

这个执行档必须是目标domain 的入口(Entry Point)。

如下面的demo，init 拉起apache 并且切换到 apache 的domain。

#首先，你得让init_t域中的进程能够执行type为apache_exec_t的文件

allow init_t apache_exec_t : file {read getattr execute};

#然后，你还得告诉SELinux，允许init_t做DT切换以进入apache_t域

allow init_t apache_t : process transition;

#最后，你还得告诉SELinux，切换入口（对应为entrypoint权限）为执行apache_exec_t类型 的文件

allow apache_t apache_exec_t : file entrypoint;

#Domain Transition

type_transition init_t apache_exec_t : process apache_t;

Google 为了方便操作, 定义了专门的 transition 宏, 方便大家操作, 可以参考如:

system/sepolicy/public/te_macros 文件。

Target Transitions

一个进程在一个目录下创建文件时，默认是沿用父目录的Security Context，如果要设置成特定的Label，就必须进行Object Transitions。

同样是使用type_transition statement。

对应的必须有两个前提条件：

1）The source domain needs permission to add file entries into the directory

这个process 必须有在这个目录下添加文件的权限。

2）The source domain needs permission to create file entries

这个process 必须有在这个目录下创建以这个Security Context 为Label 的文件权限。

下面是一个demo，ext_gateway_t 这个domain 在类型为in_queue_t 的目录下，创建类型为 in_file_t 的文件。

#首先，你得让ext_gateway_t 对in_queue_t 目录具备访问权限

allow ext_gateway_t in_queue_t : dir { write search add_name };

#然后，你还得告诉SELinux，允许ext_gateway_t 访问in_file_t的文件

allow ext_gateway_t in_file_t : file { write create getattr };

#Object Transition

type_transition ext_gateway_t in_queue_t : file in_file_t;

同样Google 也为此定义了专门的target transition 宏，以方便大家。参考system/sepolicy/public/te_macros 文件。

SELinux File System

SELinux 在Kernel 中实现，统一对外的接口都集中在SELinux File System 当中，即通过读写相关文件的方式来达成。

SELinux File System 在比较新的Linux Kernel 中被mount 在/sys/fs/selinux。老的版本就直接是/selinuxfs。

具体每一只文件的说明，请参考：The SELinux Notebook: 2.19.2.3 SELinux Filesystem

SELinux Lib

所有SELinux Lib 几乎都是对selinuxfs 的封装，具体的API 可以参考：The SELinux Notebook: 9. APPENDIX B – LIBSELINUX LIBRARY FUNCTIONS

在android 上，Google 有进一步对这些API 进行封装，具体都在/external/libselinux 下面。(参考: http://selinuxproject.org/page/NB_SEforAndroid_1)

SELinux Java API

Google 进一步将部分重要的SELinxu API 包装成了Java API。

对应的代码是：

Java API：frameworks/base/core/java/android/os/SELinux.java

JNI Code：frameworks/base/core/jni/android_os_SELinux.cpp

对应的API 描述 (参考: http://selinuxproject.org/page/NB_SEforAndroid_1)。

SELinux Commands

SELinux Commands可以参考(http://selinuxproject.org/page/NB_SEforAndroid_1)。

SELinux Policy

SELinux Policy Path

路径：Google Original，android/external/sepolicy/XXX.te (通常不建议修改)

所有的Policy 最终采用Union(合并) 的方式编译在一起。

SELinux Files in Phone

SELinux Policy 手机上关键性的配置文件包括：

  • /sepolicy：所有SELinux Policy 编译后的sepolicy 文件
  • /file_contexts：系统文件以及device 所对应的security context
  • /seapp_contexts：zygote 设置app 的security context 的配置项
  • /service_contexts：service 所绑定的security context
  • /property_contexts：property 所绑定的security context
  • /system/etc/security/mac_permissions.xml：定义app 的security context 类型
  • /selinux_version：对应system property: ro.build.fingerprint
  • /selinux_network.sh：设置selinux 对网络端的访问
  • 临时性设置/data/security/current/

    KK 上SELinux 是实验性质的，相关如file_contexts, seapp_contexts 等都优选/data/security/current 下面的特别文件。

L 版本上，在android.c 中使用了特别的判定函数 set_policy_index用来比较

/selinux_version

/data/security/current/selinux_version

当两只文件都存在，并且完全一致，才会使用/data/security/current 下面的文件，其它情况下都会使用根目录的配置文件。

selinux_version 中存储的是build 的BUILD_FINGERPRINT 即system property: ro.build.fingerprint

SELinux Update in O overview

Google android O 8.0 开始，对android 架构进行大幅度的更新，一个最为重要的方面是切割Google/SoC Vendor/ODM 三者的复杂关联性，让android 单独升级成为可能。

android O img调整关系图

注: Google: Android O LKM feature is disabled due to ODM partition OTA not ready. Expect to ready in P. 所以实际odm.img 还和vendor.img 结合。

而为了防止System.img / Vendor.img 中数据、服务、应用等相互的依赖、调用、引用。Google 大幅度的更新了selinux policy，进行严格的限制。

android O System / Vendor访问限制示意图

比如严格限制了system image 和 vendor image 之间的socket，binder 通讯。只能通过HIDL，HwBinder 进行交互。下面我们详细的讲到具体的更新变化。

sepolicy 分离

伴随着system image 和 vendor image 的分离，自然也会伴随着sepolicy 的分离，从以往集中放在bootimage，到分离存放到system image 以及 vendor image。原则上与system 相关的sepolicy 就存放system image，与SoC vendor 相关的sepolicy 就存放在vendor image。

对应sepolicy，Google 也设定了不同的存放目录，以便进行分离，以Google 默认的sepolicy 为例：/system/sepolicy

  • Public：android 和 vendor 共享的sepolicy 定义，通常情况下，意味着vendor 开发者可能为此新增一些权限。一般system/vendor 共用的一些类型和属性的定义，neverallow 限制等会存放于此。
  • Private：通常意义上的仅限于system image 内部的使用，不对vendor 开放。这个只会编译到system image 中。
  • Vendor：它仅仅能引用public 目录下的相关定义，这个只会编译到vendor image 中。但它依旧可以对system image 里面的module 设定sepolicy(对应module 需要在public 下进行声明)；在很大程度上绕过了Google GTS 约束测试。
  • Mapping：为兼容老版本的sepolicy 而导入，只有在system image version > vendor version 的时候，才可能被用到。即包括两方面，新版本增加的type，新版本移除的type，以及老版本public，新版本private 等变化的设定。以兼容老版本。

对应Google 的描述, 可以参考: /system/sepolicy/android.mk

最后对于手机来说生成的selinux policy 位于：

  • System android sepolicy: system/etc/selinux
  • Vendor ODM sepolicy: vendor/etc/selinux

注意没有如以往一样直接编译成sepolicy binary，而是使用selinux CIL 描述。具体可以参考：https://github.com/SELinuxProject/cil

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