[Dreamhack System Hacking Advanced] STAGE 2

 

Background: SECCOMP

 

  이번에는 공격을 어렵게 하기 위한 보안 매커니즘인 샌드박스와 이에 속하는 기술인 SECCOMP을 알아보고, 해당 기술이 적용된 바이너리의 분석을 도와주는 도구인 seccomp-tools에 대해서 알아볼 예정이다.

 

 

 

Sandbox

 

  샌드박스(Sandbox)란 외부의 공격으로부터 시스템을 보호하기 위해 설계된 기법이다.

 

  샌드박스는 Allow list와 Deny list 두가지를 선택하여 적용할 수 있으며, 애플리케이션의 기능을 수행하는데에 있어서 꼭 필요한 시스템 콜 실행, 파일의 접근만을 허용한다. 이처럼 보호된 영역에서 애플리케이션의 기능이 수행되기 때문에 외부의 공격을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

 

  샌드박스를 적용할 때 애플리케이션에 대한 기능과 보안 관련 지식이 부족하면 서비스의 접근성을 과하게 해치며 일부 기능이 정상적으로 실행되지 않거나 우회될 수 있기 때문에 정확한 이해가 필요하다.

 

  

 

SECCOMP

 

  SECCOMP(SECure COMPuting mode)는 리눅스 커널에서 프로그램의 샌드박싱 매커니즘을 제공하는 컴퓨터 보안 기능이다.

SECCOMP을 사용하면 애플리케이션에서 불필요한 시스템 콜의 호출을 방지할 수 있다.

 

 

//SECCOMP 구성 코드

int __secure_computing(const struct seccomp_data *sd) {
  int mode = current->seccomp.mode;
  int this_syscall;
  ... 
  this_syscall = sd ? sd->nr : syscall_get_nr(current, task_pt_regs(current));
  switch (mode) {
    case SECCOMP_MODE_STRICT:
      __secure_computing_strict(this_syscall); /* may call do_exit */
      return 0;
    case SECCOMP_MODE_FILTER:
      return __seccomp_filter(this_syscall, sd, false);
    ...
  }
}

 

 

  SECCOMP은 두가지의 모드를 선택할 수 있다.

 

  STRICT_MODE

 

  해당 모드는 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 호출만을 허용하여 이외의 시스템 콜의 호출이 들어오면 SIGKILL 시그널을 발생하고 프로그램을 종료한다.

 

  FILTER_MODE

 

  해당 모드는 원하는 시스템 콜의 호출을 허용하거나 거부할 수 있다. 이를 적용하는 방법은 두가지로, 라이브러리 함수를 이용한 방법과 필터링에 주로 쓰이는 Berkeley Packet Filter 문법을 통해 적용하는 방법이 존재한다.

 

 

//SECCOMP 설치 명령어

apt install libseccomp-dev libseccomp2 seccomp

 

 

• STRICT_MODE

  STRICT_MODE는 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 호출만을 허용하여 이외의 시스템 콜의 호출 요청이 들어오면 SIGKILL 시그널을 발생하고 프로그램을 종료시킨다.

  이 모드는 매우 적은 시스템 콜만 허용하기 때문에 다양한 기능을 수행하는 애플리케이션에서 적용할 수 없다.

 

  * 예제코드

 

// Name: strict_mode.c
// Compile: gcc -o strict_mode strict_mode.c

#include <fcntl.h>
#include <linux/seccomp.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>

void init_filter() { prctl(PR_SET_SECCOMP, SECCOMP_MODE_STRICT); }

int main() {
  char buf[256];
  int fd = 0;
  
  init_filter();
  
  write(1, "OPEN!\n", 6);
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  write(1, "READ!\n", 6);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  
  write(1, buf, sizeof(buf));
  return 0;
}

 

  코드를 살펴보면, init_filter 함수에서 prctl 함수를 사용해 해당 모드를 적용한 것을 볼 수 있다.

 

 

 

  실제로 실행시켜보면 open 함수가 실행되지 않고 프로그램이 종료된 것을 확인할 수 있다.

 

 

  STRICT_MODE 동작 원리

  다음은 STRICT_MODE를 적용했을 때 실행되는 코드의 일부이다.

 

static const int mode1_syscalls[] = {
    __NR_seccomp_read,
    __NR_seccomp_write,
    __NR_seccomp_exit,
    __NR_seccomp_sigreturn,
    -1, /* negative terminated */
};
#ifdef CONFIG_COMPAT
static int mode1_syscalls_32[] = {
    __NR_seccomp_read_32,
    __NR_seccomp_write_32,
    __NR_seccomp_exit_32,
    __NR_seccomp_sigreturn_32,
    0, /* null terminated */
};
#endif
static void __secure_computing_strict(int this_syscall) {
  const int *allowed_syscalls = mode1_syscalls;
#ifdef CONFIG_COMPAT
  if (in_compat_syscall()) allowed_syscalls = get_compat_mode1_syscalls();
#endif
  do {
    if (*allowed_syscalls == this_syscall) return;
  } while (*++allowed_syscalls != -1);
#ifdef SECCOMP_DEBUG
  dump_stack();
#endif
  seccomp_log(this_syscall, SIGKILL, SECCOMP_RET_KILL_THREAD, true);
  do_exit(SIGKILL);
}

 

 

  model_syscalls는 read, write, exit, sigreturn 시스템 콜의 번호를 저장하고 있는 변수이며, 애플리케이션의 호환 모드에 따라 각 비트에 맞는 시스템 콜 번호를 저장한다.

  이후 애플리케이션에서 시스템 콜이 호출되면 __secure_computing 함수에 먼저 진입한다. 이 함수는 전달된 시스템 콜 번호가 model_syscalls이나 model_syscalls_32에 미리 정의된 번호와 일치하는지 검사하고, 일치하지 않는다면 SIGKILL 시그널을 전달하고 SECCOMP_RET_KILL을 반환한다.

 

 

• FILTER_MODE

  FILTER_MODE는 원하는 시스템 콜의 호출을 허용하거나 거부할 수 있다.

  이 모드는 애플리케이션 기능에 맞춰 유연하게 시스템 콜 실행을 허용 및 거부할 수 있는 장점이 있다.

 

  다음은 SECCOMP에서 제공하는 함수를 정리한 표이다.

 

 

 

 

• ALLOW LIST

  다음은 seccomp 라이브러리 함수를 이용해 지정한 시스템 콜의 호출만을 허용하는 예제 코드이다.

 

 

// Name: libseccomp_alist.c
// Compile: gcc -o libseccomp_alist libseccomp_alist.c -lseccomp
#include <fcntl.h>
#include <seccomp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>
void sandbox() {
  scmp_filter_ctx ctx;
  ctx = seccomp_init(SCMP_ACT_KILL);
  if (ctx == NULL) {
    printf("seccomp error\n");
    exit(0);
  }
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(rt_sigreturn), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(exit), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(exit_group), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(read), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(write), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(open), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_ALLOW, SCMP_SYS(openat), 0);
  seccomp_load(ctx);
}
int banned() { fork(); }
int main(int argc, char *argv[]) {
  char buf[256];
  int fd;
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
  sandbox();
  if (argc < 2) {
    banned();
  }
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  write(1, buf, sizeof(buf));
}

 

 

  코드의 sandbox 함수를 살펴보면, SCMP_ACT_KILL을 통해 모든 시스템 콜의 호출을 허용하지 않는 규칙을 생성하고 있다.

  이렇게 생성된 규칙에 seccomp_rule_add 함수를 통해 세 번째 인자로 전달된 시스템 콜의 호출을 허용하는 코드를 명시하고, 해당 규칙을 적용한다.

 

  main 함수를 살펴보면, 앞서 만든 규칙을 적용하고나서 프로그램 실행 시에 전달되는 인자 갯수에 따라 fork 함수의 호출을 결정한다.

  fork 함수가 호출되면 적용한 규칙에 따라 함수의 호출의 호출을 허용하지 않는다. 인자를 전달하고 프로그램을 실행하면 “/bin/sh” 파일을 읽고 화면에 출력하지만, 인자를 전달하지 않을 경우 fork 함수가 호출되어 곧바로 프로그램이 종료될 것이다.

 

  다음은 위의 코드를 컴파일한 후 실행한 결과이다.

 

 

 

 

  (지금 우분투 오류로 virtualmachine, vmware 둘다 제대로 실행이 안돼서.... 일단은 캡쳐로 대신한다.)

 

 

• DENY LIST

  다음은 seccomp 라이브러리 함수를 사용해 지정한 시스템 콜을 호출하지 못하도록 하는 예제 코드이다.

 

 

// Name: libseccomp_dlist.c
// Compile: gcc -o libseccomp_dlist libseccomp_dlist.c -lseccomp
#include <fcntl.h>
#include <seccomp.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <unistd.h>
void sandbox() {
  scmp_filter_ctx ctx;
  ctx = seccomp_init(SCMP_ACT_ALLOW);
  if (ctx == NULL) {
    exit(0);
  }
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_KILL, SCMP_SYS(open), 0);
  seccomp_rule_add(ctx, SCMP_ACT_KILL, SCMP_SYS(openat), 0);
  seccomp_load(ctx);
}
int main(int argc, char *argv[]) {
  char buf[256];
  int fd;
  memset(buf, 0, sizeof(buf));
  sandbox();
  fd = open("/bin/sh", O_RDONLY);
  read(fd, buf, sizeof(buf) - 1);
  write(1, buf, sizeof(buf));
}

 

 

  코드의 sandbox 함수를 살펴보면, SCMP_ACT_ALLOW를 통해 모든 시스템 콜의 호출을 허용하는 규칙을 생성하고 있다.

  이렇게 생성된 규칙에 seccomp_rule_add 함수를 통해 세 번째 인자로 전달된 시스템 콜의 호출을 거부하는 규칙을 생성한다.

 

  main 함수를 살펴보면, 앞서 만든 규칙을 적용하고나서 “/bin/sh” 파일을 읽고 화면에 출력하는 기능을 수행한다. 여기서 규칙을 살펴보면, 파일을 열기 위해 필요한 함수인 open과 openat 시스템 콜의 호출을 거부하는 것을 확인할 수 있다. 만약 open 또는 openat 시스템 콜이 호출되면 곧바로 프로그램이 종료될 것이다.

 

  다음은 예제 코드를 컴파일하고 실행한 결과이다.

 

 

 

• FILTER_MODE: BPF

  Berkeley Packet Filter (BPF)를 사용해서 SECCOMP를 적용할 수 있다.

  BPF는 커널에서 지원하는 Virtual Machine (VM)으로, 본래에는 네트워크 패킷을 분석하고 필터링하는 목적으로 사용했다. 이는 임의 데이터를 비교하고, 결과에 따라 특정 구문으로 분기하는 명령어를 제공하고 있다. 라이브러리 함수를 통해 규칙을 정의한 것과 같이 특정 시스템 콜 호출 시에 어떻게 처리할지 명령어를 통해 구현할 수 있다. BPF는 VM인만큼 다양한 명령어와 타입이 존재한다.

 

 

 

1. BPF Macro : BPF 코드를 직접 입력하지 않고 편리하게 원하는 코드를 실행할 수 있게끔 매크로 제공
2. BPF_STMT : operand에 해당하는 값을 명시한 opcode를 가져온다. opcode는 인자로 전달된 값에서 몇 번째 인덱스에서 몇 바이트를 가져올 것인지를 지정할 수 있음
3. BPF_JUMP : BPF_STMT 매크로를 통해 저장한 값과 operand를 opcode에 정의한 코드로 비교하고 비교 결과에 딸 ㅏ특정 오프셋으로 분기한다.

 

 

 

seccomp-tools

 

  SECCOMP 규칙이 복잡할 경우 바이너리 분석에 있어 어려움을 느낄 수 있다.

  C 코드로 작성된 BPF 문법은 직관적이기 때문에 이해하는데에 오랜 시간이 걸리지 않지만, 컴파일 된 이후 바이너리를 분석할 때에는 일일히 바이트 코드를 변환해야 하기 때문에 어려움을 느낄 수 있다. 

 

  seccomp-tools는 SECCOMP가 적용된 바이너리의 분석을 돕고, BPF 어셈블러/디스어셈블러도 제공하는 유용한 도구이다.

 

//seccomp-tools 설치 명령어

$ sudo apt install gcc ruby-dev
$ gem install seccomp-tools

 

//seccomp-tools가 설치된 모습

$ seccomp-tools 
Usage: seccomp-tools [--version] [--help] <command> [<options>]
List of commands:
	asm	Seccomp bpf assembler.
	disasm	Disassemble seccomp bpf.
	dump	Automatically dump seccomp bpf from execution file(s).
	emu	Emulate seccomp rules.
See 'seccomp-tools <command> --help' to read about a specific subcommand.