一、Linux Security Modules

Linux Security Modules (LSM) 是一種 Linux 內核子系統，旨在將內核以模塊形式集成到各種安全模塊中。在 2001 年的 Linux Kernel 峰會上，NSA 代表建議在 Linux 內核版本 2.5 中包含強制控制訪問系統 Security-Enhanced Linux。然而，Linus Torvalds 拒絕了這一提議，因為 SELinux 并不是惟一一個用于增強 Linux 安全性的安全系統。除此之外，并不是所有的開發人員都認為 SELinux 是最佳解決方案。SELinux 并沒有直接包含在內核中，相反，創建了 Linux Security Modules 系統，允許安全子系統作為模塊使用，這意味著可以比較方便地連接新的模塊。

LSM 子系統的開發工作持續了大約三年時間，并從版本 2.6 開始，就被包含到 Linux 內核中。目前具備正式官方支持的安全模塊包括?SELinux、Apparmor、Smack?和?TOMOYO Linux。

Linux Security Modules內核配置選項：

LSM的初始化階段發生在系統內核的初始化階段，linux在init/main.c的start_kernel()函數中啟動了一系列的內核模塊，當然也包含了安全模塊的初始化函數調用，可以看到有：

asmlinkage void __init start_kernel(void){ char * command_line; extern const struct kernel_param __start___param[], __stop___param[]; ... thread_info_cache_init(); cred_init(); fork_init(totalram_pages); proc_caches_init(); buffer_init(); key_init();security_init();dbg_late_init(); vfs_caches_init(totalram_pages); signals_init(); /* rootfs populating might need page-writeback */ page_writeback_init();#ifdef CONFIG_PROC_FS proc_root_init();#endif cgroup_init(); cpuset_init(); taskstats_init_early(); delayacct_init(); check_bugs(); acpi_early_init(); /* before LAPIC and SMP init */ sfi_init_late(); ftrace_init(); /* Do the rest non-__init'ed, we're now alive */ rest_init();}

其中security_init()便是初始化LSM，在key_init()之前，dbg_late_init()及vfs_caches_init()之后，這就是其所處的層次。

接著看security_init()的實現，其位于security/security.c中，安全相關的代碼基本都位于security目錄下，包括selinux的實現源碼:

/** * security_init - initializes the security framework * * This should be called early in the kernel initialization sequence. */int __init security_init(void){ printk(KERN_INFO "Security Framework initialized\n"); security_fixup_ops(&default_security_ops); security_ops = &default_security_ops; do_security_initcalls(); return 0;}

這里做了三件事:

（1）設置默認安全操作對象（default_security_ops）中的鉤子函數，這個操作在security_fixup_ops函數中完成，它將LSM提供的默認鉤子函數賦值給default_security_ops，這些默認的鉤子函數并不做任何事，全是返回NULL的，其具體實現留給其它安全模型，LSM只是提供了一個良好可擴展的框架。

（2）將default_security_ops賦值給全局變量security_ops，也即主體訪問客體時應用的安全操作對象。在內核配置表里選上Socket and Networking Security Hooks，會產生CONFIG_SECURITY_NETWORK，當沒有具體的安全策略注冊時，系統會調用default_security_ops的成員函數。

（3）調用do_security_initcalls調用各個安全策略的注冊函數，具體的安全策略注冊，例如SELinux、Apparmor、Smack?和?TOMOYO Linux。

static void __init do_security_initcalls(void){ initcall_t *call; call = __security_initcall_start; while (call < __security_initcall_end) { (*call) (); call++; }}#define SECURITY_INITCALL \ VMLINUX_SYMBOL(__security_initcall_start) = .; \ *(.security_initcall.init) \ VMLINUX_SYMBOL(__security_initcall_end) = .;

do_security_initcalls()調用__security_initcall_start和__security_initcall_end之間的初始化函數，這些函數security_initcall()的注冊：

#define security_initcall(fn) \ static initcall_t __initcall_##fn \ __used __section(.security_initcall.init) = fn

security_initcall(selinux_init);//security/selinux/hooks.c?SELinux 安全策略

security_initcall(apparmor_init);//security/apparmor/lsm.c?Apparmor 安全策略

security_initcall(smack_init);//security/smack/smack_lsm.c?Smack?安全策略

security_initcall(tomoyo_init);//security/tomoyo/tomoyo.c?TOMOYO Linux 安全策略

我的內核沒有選擇任何安全策略，默認的策略。

二、SELinux 架構

如前所述，SELinux 系統從研究操作系統 Flask 那里繼承了安全子系統架構。Flask 的主要特性是它使用了 “最小特權” 的概念向用戶或應用程序授權，并且該權限僅夠用于執行所請求的操作。該概念使用類型強制實現（參見?類型強制），這都歸功于 SELinux 中的強制訪問能夠作為域類型模型的一部分操作。在該模型中，每個流程主體在一個特定的安全上下文（域）中啟動（即它有一個特定的訪問級別），而所有操作系統的資源對象（文件、目錄、套接字和其他）都有一個特定的類型（保密級別）與之相關聯。

由于采用了類型增強，SELinux 的訪問控制選項極大地擴展了 UNIX? 類型系統中使用的基本自主 (discretionary) 訪問控制模型中的選項。例如，SELinux 可用于嚴格限制網絡服務器能夠訪問的網絡端口號。它還允許創建單獨的文件并將數據保存到文件中，但是無法刪除這些文件，等等。這種操作系統對象分級有助于對系統和用戶流程進行限制，這是通過使用明確分配給特定資源的訪問權限實現的。如果 SELinux 控制的任何一個服務受到破壞，那么入侵者將無法越過沙盒（由規則集限制），即使入侵者具有超級用戶的權限。

規則列表也是一種安全策略，它定義允許某些域訪問某些類型的權限。該安全策略將在系統啟動時應用，包含一組文本文件，這些文本文件將在系統啟動時載入到 Linux 內核的內存中。

這些規則采用可讀的形式，甚至可以被普通用戶理解。例如，在如下所示的 http 服務器域規則中，給出了允許讀取包含網絡配置文件的權限：

allow httpd_t net_conf_t:file { read getattr lock ioctl };

SELinux 從 Flask 安全子系統中繼承了使用標簽定義操作系統對象和主體的安全上下文的結構和規則，以及 “域類型” 模型。要確保實現整體保護，必須對系統中的每個對象和主體定義安全上下文。標簽采用以下形式：

::

例如，分布式安全上下文的標簽采用下面的形式：system_u:object_r:httpd_exec_t。在 SELinux 中，用戶?system_u?通常為系統的 daemon 的默認名稱。角色?object_r?被分配給普通文件或設備等系統對象。httpd_exec_t?類型應用到正在執行的 httpd file 文件，地址為 /usr/sbin/httpd。user、role?和?type?元素將在下一篇文章中詳細討論。

圖 1. 使用 SELinux 的強制訪問控制系統概述

SELinux 包含五個基本組成：

用于處理文件系統的輔助模塊

用于集成 Linux Security Modules 事件鉤的模塊

一個用于組織訪問控制的基本機制

Policy Enforcement Server，一個系統安全性策略數據庫

Access Vector Cache (AVC)，一種輔助機制，用于提高生產力

SELinux 的操作可以分為下面幾個步驟：

操作系統主體（流程）嘗試訪問特定對象（文件、流程、套接字）上的某個操作，這在 Linux 標準自主安全系統（DAC）中是允許的。這將向對象發起一個請求流。

每個要求對對象執行操作的請求都由 Linux Security Modules 截獲并傳遞給 SELinux Abstraction & Hook Logic 子系統，同時還包括主體和對象的安全上下文，SELinux Abstraction & Hook Logic 子系統負責與 LSM 交互。

從 SELinux Abstraction and Hook Logic 子系統接收到的信息將轉發給基本的 Policy Enforcement Server 模塊，后者負責確定是否允許主體訪問該對象。

要接收是否允許或禁止該操作的決定，策略實施服務器將與 Access Vector Cache 子系統通信，后者通常會緩存要使用的規則。

如果 AVC 沒有包含相關策略的緩存規則，對所需的安全策略的請求將再次轉發給安全策略數據庫。

在找到安全策略后，該策略將被傳遞給接收決策的策略服務器。

如果所請求的操作符合找到的策略，那么將允許執行該操作。反之，將禁止執行該操作，并且所有決策制定信息將被寫入到 SELinux 日志文件中。

除了判斷是否允許或禁止某些操作外，Policy Enforcement Server 模塊還負責執行一些輔助任務，例如安全標簽管理（分配和移除）。

和所有優秀的系統一樣，SELinux 實現了操作簡便性，確保通過完整的強制訪問控制系統實現可靠的操作、低資源需求和良好的生產力。

三、SElinux代碼分析

1> 初始化第一步: 向LSM注冊策略

SE Linux的初始化是在內核的加載過程中的初期就開始的，第一個被系統執行的函數是hook.c文件中的selinux_init函數，其代碼如下：

static __init int selinux_init(void){ //判斷SELinux是否為配置的默認安全模塊 if (!security_module_enable(&selinux_ops)) { selinux_enabled = 0; return 0; } //如果沒有配置SELinux為默認安全模塊，則退出 if (!selinux_enabled) { printk(KERN_INFO "SELinux: Disabled at boot.\n"); return 0; } printk(KERN_INFO "SELinux: Initializing.\n"); // 設置當前進程的安全狀態 cred_init_security(); default_noexec = !(VM_DATA_DEFAULT_FLAGS & VM_EXEC); // 給inode安全屬性對象sel_inode_cache分配空間 sel_inode_cache = kmem_cache_create("selinux_inode_security", sizeof(struct inode_security_struct), 0, SLAB_PANIC, NULL); //初始化訪問向量緩存（AVC） avc_init(); //將SELinux注冊到LSM中 if (register_security(&selinux_ops)) panic("SELinux: Unable to register with kernel.\n"); // 顯示SE Linux的強制模式 if (selinux_enforcing) printk(KERN_DEBUG "SELinux: Starting in enforcing mode\n"); else printk(KERN_DEBUG "SELinux: Starting in permissive mode\n"); return 0;}// 確保可以盡早啟動，以便在創建進程和對象時對其進行標識// 該宏在include/linux/init.h文件中定義security_initcall(selinux_init);

首先來看看cred_init_security()函數中用到的task_security_struct數據結構，其在include/objsec.h文件中定義：

struct task_security_struct { u32 osid; // 最后一次execve前的SID u32 sid; // 當前SID u32 exec_sid; // exec的SID u32 create_sid; // 創建文件系統的SID u32 keycreate_sid; // 創建密鑰的SID u32 sockcreate_sid; // 創建套接字的SID};

函數調用hook.c文件中的cred_init_security()函數給當前進程設置安全狀態，其代碼如下：

/* * initialise the security for the init task */static void cred_init_security(void){ struct cred *cred = (struct cred *) current->real_cred; struct task_security_struct *tsec; // 創建描述進程安全屬性的數據結構 tsec = kzalloc(sizeof(struct task_security_struct), GFP_KERNEL); if (!tsec) panic("SELinux: Failed to initialize initial task.\n"); // 設置當前進程的安全屬性 tsec->osid = tsec->sid = SECINITSID_KERNEL; cred->security = tsec;}

在給inode安全屬性對象分配空間后，函數會調用avc.c文件中的avc_init函數來初始化AVC（必須在執行任意權限檢測前完成），其代碼如下：

#define AVC_CACHE_SLOTS 512void __init avc_init(void){ int i; // 初始化每一個緩存槽 for (i = 0; i < AVC_CACHE_SLOTS; i++) { INIT_LIST_HEAD(&avc_cache.slots[i]); spin_lock_init(&avc_cache.slots_lock[i]); // 寫時加鎖 } atomic_set(&avc_cache.active_nodes, 0); atomic_set(&avc_cache.lru_hint, 0); // 給AVC緩存記錄分配空間 avc_node_cachep = kmem_cache_create("avc_node", sizeof(struct avc_node), 0, SLAB_PANIC, NULL, NULL); // 記錄AVC初始化 audit_log(current->audit_context, GFP_KERNEL, AUDIT_KERNEL, "AVC INITIALIZED\n");}

該函數中用到了一個名為avc_cache的結構，在同一文件中定義：

struct avc_cache { struct list_head slots[AVC_CACHE_SLOTS]; spinlock_t slots_lock[AVC_CACHE_SLOTS]; // 用以在寫入時加鎖 atomic_t lru_hint; // 在reclaim搜索時的LRU提示 atomic_t active_nodes; u32 latest_notif; // 最近撤銷提醒};

然后，selinux_init函數將會調用register_security函數向LSM注冊SE Linux模塊，其代碼如下：

/** * register_security - registers a security framework with the kernel * @ops: a pointer to the struct security_options that is to be registered * * This function allows a security module to register itself with the * kernel security subsystem. Some rudimentary checking is done on the @ops * value passed to this function. You'll need to check first if your LSM * is allowed to register its @ops by calling security_module_enable(@ops). * * If there is already a security module registered with the kernel, * an error will be returned. Otherwise %0 is returned on success. */int __init register_security(struct security_operations *ops){ if (verify(ops)) { printk(KERN_DEBUG "%s could not verify " "security_operations structure.\n", __func__); return -EINVAL; } if (security_ops != &default_security_ops) return -EAGAIN; security_ops = ops; return 0;}

至此，SE Linux就完成了初始化過程的第一步，而其個模塊的初始化函數均被定義成普通的初始化調用，在Linux內核的后續初始化過程中進一步完成。

2> 初始化第二步：文件系統的掛載

static struct file_system_type sel_fs_type = { .name = "selinuxfs", .mount = sel_mount, .kill_sb = kill_litter_super,};struct vfsmount *selinuxfs_mount;static int __init init_sel_fs(void){ int err; if (!selinux_enabled) return 0; err = register_filesystem(&sel_fs_type); if (!err) { selinuxfs_mount = kern_mount(&sel_fs_type); if (IS_ERR(selinuxfs_mount)) { printk(KERN_ERR "selinuxfs: could not mount!\n"); err = PTR_ERR(selinuxfs_mount); selinuxfs_mount = NULL; } } return err;}__initcall(init_sel_fs);

3> 初始化第三步

static struct tree_descr selinux_files[] = { [SEL_LOAD] = {"load", &sel_load_ops, S_IRUSR|S_IWUSR}, [SEL_ENFORCE] = {"enforce", &sel_enforce_ops, S_IRUGO|S_IWUSR}, [SEL_CONTEXT] = {"context", &transaction_ops, S_IRUGO|S_IWUGO}, [SEL_ACCESS] = {"access", &transaction_ops, S_IRUGO|S_IWUGO}, [SEL_CREATE] = {"create", &transaction_ops, S_IRUGO|S_IWUGO}, [SEL_RELABEL] = {"relabel", &transaction_ops, S_IRUGO|S_IWUGO}, [SEL_USER] = {"user", &transaction_ops, S_IRUGO|S_IWUGO}, [SEL_POLICYVERS] = {"policyvers", &sel_policyvers_ops, S_IRUGO}, [SEL_COMMIT_BOOLS] = {"commit_pending_bools", &sel_commit_bools_ops, S_IWUSR}, [SEL_MLS] = {"mls", &sel_mls_ops, S_IRUGO}, [SEL_DISABLE] = {"disable", &sel_disable_ops, S_IWUSR}, [SEL_MEMBER] = {"member", &transaction_ops, S_IRUGO|S_IWUGO}, [SEL_CHECKREQPROT] = {"checkreqprot", &sel_checkreqprot_ops, S_IRUGO|S_IWUSR}, [SEL_REJECT_UNKNOWN] = {"reject_unknown", &sel_handle_unknown_ops, S_IRUGO}, [SEL_DENY_UNKNOWN] = {"deny_unknown", &sel_handle_unknown_ops, S_IRUGO}, [SEL_STATUS] = {"status", &sel_handle_status_ops, S_IRUGO}, [SEL_POLICY] = {"policy", &sel_policy_ops, S_IRUSR}, /* last one */ {""} };

最后，/sbin/init進程將載入SE Linux的初始策略庫，并調用sel_load_ops->sel_write_load->sel_make_policycap->security_load_policy->selinux_complete_init函數來完成整個初始化過程。

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