Linux Capabilities 与容器的水乳交融
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前言
该系列文章总共分为三篇：
????Linux Capabilities 入门教程：概念篇
????Linux Capabilities 入门教程：基础实战篇
Linux Capabilities 入门教程：进阶实战篇（就是本文啦）
Linux capabilities 非常晦涩难懂，为此我专门写了两篇文章来解释其????基本原理和????设置方法。本文将会继续研究 Linux capabilities 更高级的应用案例，并结合 Docker 和 Kubernetes 来加深理解。
1. 快速回顾
如果你看过该系列教程的????第一篇，那你应该大致了解下面的计算公式：
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]
想不起来也没关系，请回去再阅读消化一遍，然后再来看本文，不然你会跟不上我的思路。
你还需要复习第二篇文章中的内容，了解如何通过基本的工具来设置 capabilities。如果一切准备就绪，下面我们就开始了。
在 Ubuntu 18.04 上，以普通用户的身份运行 capsh 将会得到如下结果：
$ capsh --print
Current: =
Bounding set =cap_chown,cap_dac_override,cap_dac_read_search,cap_fowner,cap_fsetid,cap_kill,cap_setgid,cap_setuid,cap_setpcap,cap_linux_immutable,cap_net_bind_service,cap_net_broadcast,cap_net_admin,cap_net_raw,cap_ipc_lock,cap_ipc_owner,cap_sys_module,cap_sys_rawio,cap_sys_chroot,cap_sys_ptrace,cap_sys_pacct,cap_sys_admin,cap_sys_boot,cap_sys_nice,cap_sys_resource,cap_sys_time,cap_sys_tty_config,cap_mknod,cap_lease,cap_audit_write,cap_audit_control,cap_setfcap,cap_mac_override,cap_mac_admin,cap_syslog,cap_wake_alarm,cap_block_suspend,cap_audit_read
Securebits: 00/0x0/1'b0
secure-noroot: no (unlocked)
secure-no-suid-fixup: no (unlocked)
secure-keep-caps: no (unlocked)
uid=1000(fox)
gid=1000(fox)
groups=4(adm),24(cdrom),27(sudo),30(dip),46(plugdev),108(lxd),114(docker),1000(fox)
可以看到普通用户当前所在的 shell 进程没有任何 capabilities（即 Effective 集合为空），Bounding 集合包含了所有 capabilities。
这个命令输出的信息比较有限，完整的信息可以查看 /proc 文件系统，比如当前 shell 进程就可以查看 /proc/$$/status。
$ grep Cap /proc/$$/status
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000000000000000
CapEff: 0000000000000000
CapBnd: 0000003fffffffff
CapAmb: 0000000000000000
输出中的 16 进制掩码表示对应集合中的 capabilities，可以使用 capsh 对其进行解码：
$ capsh --decode=0000003fffffffff
0x0000003fffffffff=cap_chown,cap_dac_override,cap_dac_read_search,cap_fowner,cap_fsetid,cap_kill,cap_setgid,cap_setuid,cap_setpcap,cap_linux_immutable,cap_net_bind_service,cap_net_broadcast,cap_net_admin,cap_net_raw,cap_ipc_lock,cap_ipc_owner,cap_sys_module,cap_sys_rawio,cap_sys_chroot,cap_sys_ptrace,cap_sys_pacct,cap_sys_admin,cap_sys_boot,cap_sys_nice,cap_sys_resource,cap_sys_time,cap_sys_tty_config,cap_mknod,cap_lease,cap_audit_write,cap_audit_control,cap_setfcap,cap_mac_override,cap_mac_admin,cap_syslog,cap_wake_alarm,cap_block_suspend,cap_audit_read
和 capsh --print 命令输出的结果一样。
如果是 root 用户，得到的结果和普通用户是不一样的：
$ grep Cap /proc/$$/status
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000003fffffffff
CapEff: 0000003fffffffff
CapBnd: 0000003fffffffff
CapAmb: 0000000000000000
所有的 capabilities 都包含在了 Permitted、Effective 和 Bounding 集合中，所以 root 用户可以执行任何内核调用。
2. 为可执行文件分配 capabilities
我在????上一篇文章中提到过，通过适当的配置，进程可以获取可执行文件的 Bounding 集合中的 capabilities。下面通过一个例子来加深理解。
以 ping 这个命令为例，它的二进制文件被设置了 SUID，所以可以以 root 身份运行：
$ which ping
/bin/ping
$ ls -l /bin/ping
-rwsr-xr-x 1 root root 64424 Mar 9 2017 /bin/ping
更安全的机制是使用 capabilities，不过 Ubuntu 上面的 ping 没有这么做。没关系，我们可以通过 ping 的源码来自己编译，首先克隆源代码：
$ git clone https://github.com/iputils/iputils
安装编译所需的依赖：
$ sudo apt install -y ninja-build meson libcap-dev gettext
开始编译：
$ cd iputils
$ ./configure
$ make
新编译的 ping 文件并没有设置 SUID：
$ ls -l builddir/ping/ping
-rwxrwxr-x 1 fox fox 168K Oct 19 15:26 builddir/ping/ping
也没有任何的 capabilities：
$ getcap builddir/ping/ping
所以无法正常工作：
$ builddir/ping/ping www.baidu.com
builddir/ping/ping: socket: Operation not permitted
我们可以手动设置 capabilities：
$ setcap 'cap_net_raw+p' builddir/ping/ping
unable to set CAP_SETFCAP effective capability: Operation not permitted
$ sudo setcap 'cap_net_raw+p' builddir/ping/ping
$ getcap builddir/ping/ping
builddir/ping/ping = cap_net_raw+p
$ builddir/ping/ping www.baidu.com -c 1
PING www.a.shifen.com (180.101.49.12) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 180.101.49.12 (180.101.49.12): icmp_seq=1 ttl=53 time=10.0 ms
--- www.a.shifen.com ping statistics ---
1 packets transmitted, 1 received, 0% packet loss, time 0ms
rtt min/avg/max/mdev = 10.028/10.028/10.028/0.000 ms
这里再活学活用一下，为什么普通用户无法执行 setcap 呢？因为执行 setcap 的用户需要在 Permitted 集合中包含 CAP_SETFCAP capabilities，而普通用户不具备这个 capabilities，所以必须使用 root 用户。
查看 ping 进程的 capabilities：
$ builddir/ping/ping wwwww.baidu.com > /dev/null&
[1] 9823
$ grep Cap /proc/9823/status
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000000000002000
CapEff: 0000000000000000
CapBnd: 0000003fffffffff
CapAmb: 0000000000000000
$ $ capsh --decode=0000000000002000
0x0000000000002000=cap_net_raw
只有 Permitted 集合中包含了 CAP_NET_RAW capabilities，Effective 集合中并不包含，按常理 ping 是无法正常工作的。这是为啥呢？
其实 ping 在执行过程中会将 Permitted 集合中的 CAP_NET_RAW capabilities 加入 Effective 集合中，打开 Socket 之后再将该 capabilities 从 Effective 集合中移除，所以 grep 是看不到的。其中这就是我在????第一篇文章提到的 ping 文件具有 capabilities 感知能力。可以通过 stace 跟踪系统调用来验证：
$ sudo strace builddir/ping/ping -c 1 wwwww.baidu.com
...
capget({version=_LINUX_CAPABILITY_VERSION_3, pid=0}, NULL) = 0
capget({version=_LINUX_CAPABILITY_VERSION_3, pid=0}, {effective=0, permitted=1<第三行表示 CAP_NET_RAW capabilities 被添加到了 Effective 集合中，下一行试图创建一个 IPV4 ping socket，但创建失败，这是由 ping_group_range 内核配置参数导致的。然后再次尝试创建 IPV4 ping socket，这次创建成功了。IPv6 重复上面的步骤。最后将 CAP_NET_RAW capabilities 从 Effective 集合中移除。
如果 ping 二进制文件不具备 capabilities 感知能力，即没有调用 capset 和 capget 的权限，我们就必须要开启 Effective 标志位（F(Effective)），这样就会将该 capabilities 自动添加到进程的 Effective 集合中：
$ setcap 'cap_net_raw+ep' builddir/ping/ping
不明白为什么的，再好好理解下这个公式：P'(effective) = F(effective) ? P'(permitted) : P'(ambient)。
3. 特殊规则
本文不会涉及从 root 用户切换到普通用户时 capabilities 的变化，这里面的变动比较复杂，我也搞不清楚。我只知道 capsh --print 输出中的 Securebits 控制着从普通用户切换到 UID 0 或者从 UID 0 切换到普通用户时如何继承 capabilities。详细的解释可以参考 man capabilities[1]。
4. 构建半特权环境
前文中只用到了 Permitted 和 Effective 集合，下面再来聊聊 Ambient 和 Inheritable 集合。这两个集合的意义就在于可以帮助我们在进程树或 namespace 的范围内创建一个允许任意进程使用某些 capabilities 的环境。
例如，我们可以在 Ambient 集合中加入 CAP_NET_BIND_SERVICE capabilities 来创建一个可以绑定到 80 端口的 "webserver" 环境，不需要额外的 capabilities，也不需要以 root 用户身份运行。webserver 可以通过解释器或辅助脚本启动，并且不需要给可执行文件设置 capabilities。如果不明白为什么，再看十分钟这两个公式：
P'(ambient) = (file is privileged) ? 0 : P(ambient) P'(effective) = F(effective) ? P'(permitted) : P'(ambient)
如果理解了，再往下动手实践。我用 C 写了一个简单的程序 set_ambient[2]，核心功能是使用 cap-ng library[3] 将 CAP_NET_BIND_SERVICE capabilities 添加到新进程的 Ambient 集合中。编译完成后，需要给二进制文件添加该 capabilities，如果它自己没有这个 capabilities，是无法将其添加到新进程中的：
$ sudo setcap cap_net_bind_service+p set_ambient
$ getcap ./set_ambient
./set_ambient = cap_net_bind_service+p
通过 set_ambient 来启动一个 bash 环境：
$ ./set_ambient /bin/bash
Starting process with CAP_NET_BIND_SERVICE in ambient
$ grep Cap /proc/$BASHPID/status
CapInh: 0000000000000400
CapPrm: 0000000000000400
CapEff: 0000000000000400
CapBnd: 0000003fffffffff
CapAmb: 0000000000000400
$ capsh --decode=0000000000000400
0x0000000000000400=cap_net_bind_service
$ exit
可以看到 CAP_NET_BIND_SERVICE capabilities 被添加到 bash 环境的 Ambient 集合中，同时也会添加到 Permitted 和 Inheritable 集合中，不明白为什么的继续看文章开头的公式。。。
接着运行一个 Go Web 服务[4]，并绑定到 80 端口，既不给它相应的 capabilities，也不以 root 身份运行：
$ $ ./server
2019/09/09 13:42:06 listen tcp :80: bind: permission denied
运行失败，因为它没有绑定到小于 1024 的端口的权限。下面利用 set_ambient 创建一个 “webserver” 环境再运行试试：
$ ./set_ambient /bin/bash
Starting process with CAP_NET_BIND_SERVICE in ambient
$ ./server &
[1] 2360
$ curl localhost:80
Successfully serving on port 80
$ kill 2360
$ exit
这次运行成功了！你也可以直接执行 ./set_ambient ./server，但使用 shell 的好处是：具有 Ambient 集合中 capabilities 的 bash 环境变成了一个半特权环境，在这个环境中不仅可以运行 Web 服务，也可以运行相关脚本和程序，而这些脚本和程序又可以正常启动 webserver。
这个方法对 Python 很有效，如果不希望给 Python 可执行文件赋予更多的 capabilities，可以使用上面的方法来实现这个目的：
$ python3 -m http.server 80
Traceback (most recent call last):
...
PermissionError: [Errno 13] Permission denied
$ ./set_ambient /usr/bin/python3 -m http.server 80
Starting process with CAP_NET_BIND_SERVICE in ambient
Serving HTTP on 0.0.0.0 port 80 (http://0.0.0.0:80/) ...
最后讲一下 Inheritable 与 Ambient 集合的区别，如果想使用 Inheritable 达到上述目的，需要将 CAP_NET_BIND_SERVICE capabilities 添加到 Go web 服务可执行文件的 Inheritable 集合中，同时还需要开启 Effective 标志位。
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。
5. 容器与 capabilities
如果你理解了上一节的内容，应该可以猜到 capabilities 和容器是相辅相成的，至少在一定程度上是这样。
本节内容将在容器中实践 capabilities。我已经创建了一个测试镜像，并安装了 capsh 和上文所述的程序，代码在 GitHub 仓库[5]中。如果不加任何参数直接运行容器，结果如下：
$ docker run -it amouat/caps
root@cfeb81ec0fab:/# capsh --print
Current: = cap_chown,cap_dac_override,cap_fowner,cap_fsetid,cap_kill,cap_setgid,cap_setuid,cap_setpcap,cap_net_bind_service,cap_net_raw,cap_sys_chroot,cap_mknod,cap_audit_write,cap_setfcap+eip
Bounding set =cap_chown,cap_dac_override,cap_fowner,cap_fsetid,cap_kill,cap_setgid,cap_setuid,cap_setpcap,cap_net_bind_service,cap_net_raw,cap_sys_chroot,cap_mknod,cap_audit_write,cap_setfcap
Securebits: 00/0x0/1'b0
secure-noroot: no (unlocked)
secure-no-suid-fixup: no (unlocked)
secure-keep-caps: no (unlocked)
uid=0(root)
gid=0(root)
groups=
root@cfeb81ec0fab:/# grep Cap /proc/$BASHPID/status
CapInh: 00000000a80425fb
CapPrm: 00000000a80425fb
CapEff: 00000000a80425fb
CapBnd: 00000000a80425fb
CapAmb: 0000000000000000
和宿主机还是有些区别的，容器中的 root 用户并没有包含所有的 capabilities，比如 SYS_TIME。如果你可以在容器中修改系统时间，那么宿主机和其他容器中的系统时间都会被改变。
另外需要注意的是，容器中的 Ambient 集合是空的，目前在 Docker 和 Kubernetes 中还无法配置 Ambient 集合，过在底层的 runc 运行时中是可以配置的。具体参考 Kubernetes 项目的 issue[6]。
如果使用指定的用户运行容器，会得到全新的结果：
$ docker run -it --user=nobody amouat/caps
$ grep Cap /proc/$BASHPID/status
CapInh: 00000000a80425fb
CapPrm: 0000000000000000
CapEff: 0000000000000000
CapBnd: 00000000a80425fb
CapAmb: 0000000000000000
Permitted 和 Effective 集合被清空了，这跟上文提到的特殊规则有关，从 root 用户切换到普通用户， Permitted 和 Effective 集合中的 capabilities 都会被清空。可以通过将 capabilities 添加到可执行文件的 Inheritable 集合中，同时开启 Effective 标志位来使其正常工作。amouat/caps 已经包含了一个具备此条件的可执行文件，可以用来测试一下：
$ docker run --user nobody amouat/caps getcap /inh_server
/inh_server = cap_net_bind_service+ei
$ docker run -d -p 8000:80 --user nobody amouat/caps /inh_server
d8f13e6990c5802e2beb6e435dd74bcae7959b94c1293349d33d9fe6c053c0fe
$ curl localhost:8000
Successfully serving on port 80
要想在容器中利用 capabilities 实现一个可以正常工作的非 root 环境，需要使用上文所述的 set_ambient 程序。
$ docker run -p 8000:80 --user nobody amouat/caps /server
2019/09/09 19:14:13 listen tcp :80: bind: permission denied
$ docker run -d -p 8000:80 --user nobody amouat/caps /set_ambient /server
de09fe34a623c3bf40c2eea7229696acfa8d192c19adfa4065a380a583372907
$ curl localhost:8000
Successfully serving on port 80
在容器中限制 capabilities 最简单最常见的方法是 --cap-drop 和 --cap-add 参数，这些参数只会影响所有用户的 Bounding 集合，包括 root 用户。安全的做法是移除所有的 capabilities，只添加需要的 capabilities，例如：
$ docker run --cap-drop all --cap-add NET_BIND_SERVICE -it amouat/caps capsh --print
Current: = cap_net_bind_service+eip
Bounding set =cap_net_bind_service
Securebits: 00/0x0/1'b0
secure-noroot: no (unlocked)
secure-no-suid-fixup: no (unlocked)
secure-keep-caps: no (unlocked)
uid=0(root)
gid=0(root)
groups=
然后就可以以 root 身份或普通用户身份运行容器，例如：
$ docker run --cap-drop all --cap-add NET_BIND_SERVICE \
-d -p 8000:80 --user nobody amouat/caps /set_ambient /server
9c176555ea86add95839d02b6c2c5ae7d8a3fd79e36f484852b8f8641104aac1
$ curl localhost:8000
Successfully serving on port 80
$ docker top 9c17
UID ... CMD
nobody ... /server
现在容器中的进程只有单一的 NET_BIND_SERVICE capabilities，并且是以非 root 用户身份运行的。即使容器的进程被黑客攻击，攻击者只会拥有有限的文件系统权限，无法施展拳脚。
Docker 中还有一个选项可以防止容器中的用户获得新的 capabilities，它可以有效阻止攻击者提升权限来避免受到攻击，同时也阻止了再容器中执行 set_ambient 程序。例如：
$ docker run -p 8000:80 --security-opt=no-new-privileges:true \
--user nobody amouat/caps /set_ambient /server
Cannot set cap: Operation not permitted
详细解释可参考 no_new_privs[7]。
对于容器玩家，我的最终建议是：移除所有非必要的 capabilities，并以非 root 身份运行。 使用 Ambient 集合与可执行文件的 capabilities 进行逻辑运算可以得到一个相对安全的容器环境，大部分情况下应该不需要使用 set_ambient 这样的辅助程序。
Linux capabilities 与容器领域有着紧密的联系，我很期待看到 Ambient capabilities 被广泛应用到容器领域，以支持以非 root 身份运行的半特权容器。
参考资料
[1]
man capabilities: http://man7.org/linux/man-pages/man7/capabilities.7.html
[2]set_ambient: https://github.com/ContainerSolutions/capabilities-blog/blob/master/set_ambient.c
[3]cap-ng library: https://people.redhat.com/sgrubb/libcap-ng/index.html
[4]Go Web 服务: https://github.com/ContainerSolutions/capabilities-blog/blob/master/server.go
[5]GitHub 仓库: https://github.com/ContainerSolutions/capabilities-blog
[6]Kubernetes 项目的 issue: https://github.com/kubernetes/kubernetes/issues/56374
[7]no_new_privs: https://fuckcloudnative.io/posts/linux-capabilities-in-practice-1/#no_new_privs
原文链接：https://blog.container-solutions.com/linux-capabilities-in-practice
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