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众所周知,Android 系统基于Linux 研发实现。在4.4版本之后,NSA针对传统的Linx系统, 开发了一套安全机制SElinux,来加强安全性。但是由于安卓系统独特的用户控间运行时,因此SELinux 不适合Android 。 因此NSA在SELinux的基础上开发了SEAndroid 。
一、首先对SEAndroid 原理进行分析讲解
SEAndroid安全机制所要保护的对象是系统中的资源,这些资源分布在各个子系统中,例如我们经常接触的文件就是分布文件子系统中的。实际上,系统中需要保护的资源非常多,除了前面说的文件之外,还有进程、socket和IPC等等。对于Android系统来说,由于使用了与传统Linux系统不一样的用户空间运行时,即应用程序运行时框架,因此它在用户空间有一些特有的资源是需要特别保护的,例如系统属性的设置。
接下来,我们就通过图1来观察SEAndroid安全机制的整体框架,如下所示:
图1 SEAndroid安全机制框架
从图1可以看到,以SELinux文件系统接口为边界,SEAndroid安全机制包含有内核空间和用户空间两部分支持。在内核空间,主要涉及到一个称为SELinux LSM的模块。而在用户空间中,涉及到Security Context、Security Server和SEAndroid Policy等模块。这些内核空间模块和用户空间模块的作用以及交互如下所示:
1. 内核空间的SELinux LSM模块负责内核资源的安全访问控制。
2. 用户空间的SEAndroid Policy描述的是资源安全访问策略。系统在启动的时候,用户空间的Security Server需要将这些安全访问策略加载内核空间的SELinux LSM模块中去。这是通过SELinux文件系统接口实现的。
3. 用户空间的Security Context描述的是资源安全上下文。SEAndroid的安全访问策略就是在资源的安全上下文基础上实现的。
4. 用户空间的Security Server一方面需要到用户空间的Security Context去检索对象的安全上下文,另一方面也需要到内核空间去操作对象的安全上下文。
5. 用户空间的selinux库封装了对SELinux文件系统接口的读写操作。用户空间的Security Server访问内核空间的SELinux LSM模块时,都是间接地通过selinux进行的。这样可以将对SELinux文件系统接口的读写操作封装成更有意义的函数调用。
6. 用户空间的Security Server到用户空间的Security Context去检索对象的安全上下文时,同样也是通过selinux库来进行的。
接下来,我们就从内核空间和用户空间两个角度来分析SEAndroid安全机制框架。
一. 内核空间
在内核空间中,存在一个SELinux LSM模块,这个模块包含有一个访问向量缓冲(Access Vector Cache)和一个安全服务(Security Server)。Security Server负责安全访问控制逻辑,即由它来决定一个主体访问一个客体是否是合法的。这里说的主体一般就是指进程,而客体就是主体要访问的资源,例如文件。
与SELinux Security Server相关的一个内核子模块是LSM,全称是Linux Security Model。LSM可以说是为了SELinux而设计的,但是它是一个通用的安全模块,SELinux可以使用,其它的模块也同样可以使用。这体现了Linux内核模块的一个重要设计思想,只提供机制实现而不提供策略实现。在我们这个例子中,LSM实现的就是机制,而SELinux就是在这套机制下的一个策略实现。也就是说,你也可以通过LSM来实现自己的一套MAC安全机制。
SELinux、LSM和内核中的子系统是如何交互的呢?首先,SELinux会在LSM中注册相应的回调函数。其次,LSM会在相应的内核对象子系统中会加入一些Hook代码。例如,我们调用系统接口read函数来读取一个文件的时候,就会进入到内核的文件子系统中。在文件子系统中负责读取文件函数vfs_read就会调用LSM加入的Hook代码。这些Hook代码就会调用之前SELinux注册进来的回调函数,以便后者可以进行安全检查。
SELinux在进行安全检查的时候,首先是看一下自己的Access Vector Cache是否已经有结果。如果有的话,就直接将结果返回给相应的内核子系统就可以了。如果没有的话,就需要到Security Server中去进行检查。检查出来的结果在返回给相应的内核子系统的同时,也会保存在自己的Access Vector Cache中,以便下次可以快速地得到检查结果。
上面描述的安全访问控制流程可以通过图2来总结,如下所示:
图2 SELinux安全访问控制流程
从图2可以看到,内核中的资源在访问的过程中,一般需要获得三次检查通过:
1. 一般性错误检查,例如访问的对象是否存在、访问参数是否正确等。
2. DAC检查,即基于Linux UID/GID的安全检查。
3. SELinux检查,即基于安全上下文和安全策略的安全检查。
二. 用户空间
在用户空间中,SEAndroid包含有三个主要的模块,分别是安全上下文(Security Context)、安全策略(SEAndroid Policy)和安全服务(Security Server)。接下来我们就分别对它们进行描述。
1. 安全上下文
SEAndroid是一种基于安全策略的MAC安全机制。这种安全策略又是建立在对象的安全上下文的基础上的。这里所说的对象分为两种类型,一种称主体(Subject),一种称为客体(Object)。主体通常就是指进程,而客观就是指进程所要访问的资源,例如文件、系统属性等。
安全上下文实际上就是一个附加在对象上的标签(Tag)。这个标签实际上就是一个字符串,它由四部分内容组成,分别是SELinux用户、SELinux角色、类型、安全级别,每一个部分都通过一个冒号来分隔,格式为“user:role:type:sensitivity”。
例如,在开启了SEAndroid安全机制的设备上执行带-Z选项的ls命令,就可以看到一个文件的安全上下文:
又如,在开启了SEAndroid安全机制的设备上执行带-Z选项的ps命令,就可以看到一个进程的安全上下文:
在安全上下文中,只有类型(Type)才是最重要的,SELinux用户、SELinux角色和安全级别都几乎可以忽略不计的。正因为如此,SEAndroid安全机制又称为是基于TE(Type Enforcement)策略的安全机制。不过为了方便理解安全上下文,接下来我们还是简单地对SELinux用户、SELinux角色和安全级别的作用进行介绍。
对于进程来说,SELinux用户和SELinux角色只是用来限制进程可以标注的类型。而对于文件来说,SELinux用户和SELinux角色就可以完全忽略不计。为了完整地描述一个文件的安全上下文,通常将它的SELinux角色固定为object_r,而将它的SELinux用户设置为创建它的进程的SELinux用户。
在SEAndroid中,只定义了一个SELinux用户u,因此我们通过ps -Z和ls -Z命令看到的所有的进程和文件的安全上下文中的SELinux用户都为u。同时,SEAndroid也只定义了一个SELinux角色r,因此,我们通过ps -Z命令看到的所有进程的安全上下文中的SELinux角色都为r。
通过external/sepolicy/users和external/sepolicy/roles文件的内容,我们就可以看到SEAndroid所定义的SELinux用户和SELinux角色。
文件external/sepolicy/users的内容如下所示:
文件external/sepolicy/roles的内容如下所示:
上面提到,对于进程来说,SELinux用户和SELinux角色只是用来限制进程可以标注的类型,这是如何体现的呢?以前面列出的external/sepolicy/users和external/sepolicy/roles文件内容为例,如果没有出现其它的user或者role声明,那么就意味着只有u、r和domain可以组合在一起形成一个合法的安全上下文,而其它形式的安全上下文定义均是非法的。
读者可能注意到,前面我们通过ps -Z命令看到进程init的安全上下文为“u:r:init:s0”,按照上面的分析,这是不是一个非法的安全上下文呢?答案是否定的,因为在另外一个文件external/sepolicy/init.te中,通过type语句声明了类型init,并且将domain设置为类型init的属性,如下所示:
关于SELinux用户和SELinux角色,我们就介绍到这里,接下来我们再介绍安全级别。安全级别实际上也是一个MAC安全机制,它是建立在TE的基础之上的。在SELinux中,安全级别是可选的,也就是说,可以选择启用或者不启用。
安全级别最开始的目的是用来对美国政府分类文件进行访问控制的。在基于安全级别的MAC安全机制中,主体(subject)和客体(object)都关联有一个安全级别。其中,安全级别较高的主体可以读取安全级别较低的客体,而安全级别较低的主体可以写入安全级别较高的客体。前者称为“read down”,而后者称为“write up”。通过这种规则,可以允许数据从安全级别较低的主体流向安全级别较高的主体,而限制数据从安全级别较高的主体流向安全级别较低的主体,从而有效地保护了数据。注意,如果主体和客体的安全级别是相同的,那么主体是可以对客体进行读和写的。
通过图3可以看到基于安全级别的MAC安全机制的数据流向控制,如下所示:
图3 基于安全级别的MAC安全机制数据流
在图3中,我们定义了两个安全级别:PUBLIC和SECRET,其中,SECRET的安全级别高于PUBLIC。
在实际使用中,安全级别是由敏感性(Sensitivity)和类别(Category)两部分内容组成的,格式为“sensitivity[:category_set]”,其中,category_set是可选的。例如,假设我们定义有s0、s1两个Sensitivity,以c0、c1、c2三个Category,那么“s0:c0,c1”表示的就是Sensitivity为s0、Category为c0和c1的一个安全级别。
介绍完成SELinux用户、SELinux角色和安全级别之后,最后我们就介绍类型。在SEAndroid中,我们通常将用来标注文件的安全上下文中的类型称为file_type,而用来标注进程的安全上下文的类型称为domain,并且每一个用来描述文件安全上下文的类型都将file_type设置为其属性,每一个用来进程安全上下文的类型都将domain设置为其属性。
将一个类型设置为另一个类型的属性可以通过type语句实现。例如,我们前面提到的用来描述进程init的安全策略的文件external/sepolicy/init.te,就使用以下的type语句来将类型 domain设置类型init的属性:
同样,如果我们查看另外一个文件external/sepolicy/file.te,可以看到App数据文件的类型声明:
了解了SEAndroid安全机制的安全上下文之后,我们就可以继续Android系统中的对象的安全上下文是如何定义的了。这里我们只讨论四种类型的对象的安全上下文,分别是App进程、App数据文件、系统文件和系统属性。这四种类型对象的安全上下文通过四个文件来描述:mac_permissions.xml、seapp_contexts、file_contexts和property_contexts,它们均位于external/sepolicy目录中。
文件external/sepolicy/mac_permissions.xml的内容如下所示:
这个seinfo描述的其实并不是安全上下文中的Type,它是用来在另外一个文件external/sepolicy/seapp_contexts中查找对应的Type的。文件external/sepolicy/seapp_contexts的内容如下所示:
文件中的注释解释了如何在文件seapp_contexts查找对象的Type,这里不再累述,只是举两个例子来说明。
从前面的分析可知,对于使用平台签名的App来说,它的seinfo为“platform”。用户空间的Security Server在为它查找对应的Type时,使用的user输入为"_app"。这样在seapp_contexts文件中,与它匹配的一行即为:
这样我们就可以知道,使用平台签名的App所运行在的进程domain为“platform_app”,并且它的数据文件的file_type为“platform_app_data_file”。
又如,使用第三方签名的App的seinfo为“default”。用户空间的Security Server在为它查找对应的Type时,使用的user输入也为"_app"。我们注意到,在seapp_contexts文件中,没有一行对应的user和seinfo分别为“_app”和“default”。但是有一行是最匹配的,即:
接下来我们再来看系统文件的安全上下文是如何定义的。通过查看external/sepolicy/file_contexts文件,我们就可以看到系统文件的安全上下文描述,如下所示:
在Android系统中,有一种特殊的资源——属性,App通过读写它们能够获得相应的信息,以及控制系统的行为,因此,SEAndroid也需要对它们进行保护。这意味着Android系统的属性也需要关联有安全上下文。这是通过文件external/sepolicy/property_contexts来描述的,它的内容如下所示:
2. 安全策略
上面我们分析了SEAndroid安全机制中的对象安全上下文,接下来我们就继续分析SEAndroid安全机制中的安全策略。SEAndroid安全机制中的安全策略是在安全上下文的基础上进行描述的,也就是说,它通过主体和客体的安全上下文,定义主体是否有权限访问客体。
前面提到,SEAndroid安全机制主要是使用对象安全上下文中的类型来定义安全策略,这种安全策略就称Type Enforcement,简称TE。在external/sepolicy目录中,所有以.te为后缀的文件经过编译之后,就会生成一个sepolicy文件。这个sepolicy文件会打包在ROM中,并且保存在设备上的根目录下,即它在设备上的路径为/sepolicy。
接下来,我们就通过app.te文件的内容来分析SEAndroid安全机制为使使用平台签名的App所定义的安全策略,相关的内容如下所示:
宏unconfined_domain定义在文件te_macros文件中,如下所示:
文件unconfined.te定义了unconfineddomain这个Type所具有的权限,如下所示:
注意,SEAndroid使用的是最小权限原则,也就是说,只有通过allow语句声明的权限才是允许的,而其它没有通过allow语句声明的权限都是禁止,这样就可以最大限度地保护系统中的资源。
如果我们继续分析app.te的内容,会发现使用第三方签名的App所运行在的进程同样是加入到unconfineddomain这个domain的,如下所示:
同时,这里使用平台签名和第三方签名的App之所以会同时被赋予unconfineddomain这个domain的权限,是因为前面我们分析的app.te文件是来自于Android 4.3的。在Android 4.3中,SEAndroid安全机制是试验性质的,并且启用的是Permissive模式,也就是即使主体违反了安全策略,也只是会发出警告,而不会真的拒绝执行。如果我们分析的是Android 4.4的app.te文件,就会发现,使用第三方签名的App不再具有大部分unconfineddomain这个domain的权限,因为Android 4.4的SEAndroid安全机制不再是试验性质的,并且启用的是Enforcing模式。
以上描述的就是基于TE的安全策略,它的核心思想就是最小权限原则,即主体对客体拥有的权限必须要通过allow语句定义才允许,否则的话,一切都是禁止的。
前面我们还提到,SEAndroid安全机制的安全策略经过编译后会得到一个sepolicy文件,并且最终保存在设备上的根据目录下。注意,如果我们什么也不做,那么保存在这个sepolicy文件中的安全策略是不会自动加载到内核空间的SELinux LSM模块去的。它需要我们在系统启动的过程中进行加载。
系统中第一个启动的进程是init进程。我们知道,Init进程在启动的过程中,执行了很多的系统初始化工作,其中就包括加载SEAndroid安全策略的工作,如下所示:
这里调用到了三个与SEAndroid相关的函数:selinux_set_callback、selinux_android_load_policy和selinux_init_all_handles,其中,selinux_set_callback和selinux_android_load_policy来自于libselinux,而selinux_init_all_handles也是定义在文件system/core/init/init.c中,并且它最终也是通过调用libselinux的函数来打开前面分析file_contexts和property_contexts文件,以便可以用来查询系统文件和系统属性的安全上下文。
函数selinux_set_callback用来向libselinux设置SEAndroid日志和审计回调函数,而函数selinux_android_load_policy则是用来加载安全策略到内核空间的SELinux LSM模块中去。我们重点关注函数selinux_android_load_policy的实现。
函数selinux_android_load_policy定义在文件external/libselinux/src/android.c,它的实现如下所示:
A. 以/sys/fs/selinux为安装点,安装一个类型为selinuxfs的文件系统,也就是SELinux文件系统,用来与内核空间的SELinux LSM模块通信。
B. 如果不能在/sys/fs/selinux这个安装点安装SELinux文件系统,那么再以/selinux为安装点,安装SELinux文件系统。
C. 成功安装SELinux文件系统之后,接下来就调用另外一个函数selinux_android_reload_policy来将SEAndroid安全策略加载到内核空间的SELinux LSM模块中去。
在较旧版本的Linux系统中,SELinux文件系统是以/selinux为安装点的,不过后面较新的版本都是以/sys/fs/selinux为安装点的,Android系统使用的是后者。
函数selinux_android_reload_policy也是定义在文件external/libselinux/src/android.c中,它的实现如下所示:
A. 依次从/data/security/current和根目录寻找sepolicy文件,找到之后就打开,获得一个文件描述符fd。
B. 通过文件描述符fd将前面打开的sepolicy文件的内容映射到内存中来,并且得到它的起始地址为map。
C. 调用另外一个函数security_load_policy将已经映射到内存中的sepolicy文件内容,即SEAndroid安全策略,加载到内核空间的SELinux LSM模块中去。
D. 加载完成后,释放sepolicy文件占用的内存,并且关闭sepolicy文件。
函数security_load_policy定义在文件external/libselinux/src/load_policy.c中,它的实现如下所示:
函数security_load_policy的实现很简单,它首先打开/sys/fs/selinux/load文件,然后将参数data所描述的安全策略写入到这个文件中去。由于/sys/fs/selinux是由内核空间的SELinux LSM模块导出来的文件系统接口,因此当我们将安全策略写入到位于该文件系统中的load文件时,就相当于是将安全策略从用户空间加载到SELinux LSM模块中去了。以后SELinux LSM模块中的Security Server就可以通过它来进行安全检查。
3. Security Server
用户空间的Security Server主要是用来保护用户空间资源的,以及用来操作内核空间对象的安全上下文的,它由应用程序安装服务PackageManagerService、应用程序安装守护进程installd、应用程序进程孵化器Zygote进程以及init进程组成。其中,PackageManagerService和installd负责创建App数据目录的安全上下文,Zygote进程负责创建App进程的安全上下文,而init进程负责控制系统属性的安全访问。
应用程序安装服务PackageManagerService在启动的时候,会在/etc/security目录中找到我们前面分析的mac_permissions.xml文件,然后对它进行解析,得到App签名或者包名与seinfo的对应关系。当PackageManagerService安装App的时候,它就会根据其签名或者包名查找到对应的seinfo,并且将这个seinfo传递给另外一个守护进程installed。
守护进程installd负责创建App数据目录。在创建App数据目录的时候,需要给它设置安全上下文,使得SEAndroid安全机制可以对它进行安全访问控制。Installd根据PackageManagerService传递过来的seinfo,并且调用libselinux库提供的selabel_lookup函数到前面我们分析的seapp_contexts文件中查找到对应的Type。有了这个Type之后,installd就可以给正在安装的App的数据目录设置安全上下文了,这是通过调用libselinux库提供的lsetfilecon函数来实现的。
从前面Android应用程序进程启动过程的源代码分析和Android系统进程Zygote启动过程的源代码分析这两篇文章可以知道,在Android系统中,Zygote进程负责创建应用程序进程。应用程序进程是SEAndroid安全机制中的主体,因此它们也需要设置安全上下文,这是由Zygote进程来设置的。组件管理服务ActivityManagerService在请求Zygote进程创建应用程序进程之前,会到PackageManagerService中去查询对应的seinfo,并且将这个seinfo传递到Zygote进程。于是,Zygote进程在fork一个应用程序进程之后,就会使用ActivityManagerService传递过来的seinfo,并且调用libselinux库提供的selabel_lookup函数到前面我们分析的seapp_contexts文件中查找到对应的Domain。有了这个Domain之后,Zygote进程就可以给刚才创建的应用程序进程设置安全上下文了,这是通过调用libselinux库提供的lsetcon函数来实现的。
前面提到,在Android系统中,属性也是一项需要保护的资源。Init进程在启动的时候,会创建一块内存区域来维护系统中的属性,接着还会创建一个Property服务。这个Property服务通过socket提供接口给其它进程访问Android系统中的属性。其它进程通过socket来和Property服务通信时,Property服务可以获得它的安全上下文。有了这个安全上下文之后,Property服务就可以通过libselinux库提供的selabel_lookup函数到前面我们分析的property_contexts去查找要访问的属性的安全上下文了。有了这两个安全上下文之后,Property服务就可以决定是否允许一个进程访问它所指定的属性了。
二、下面研究讲解下,在安卓源码中的具体应用,以及在开发中所遇到问题
三、如上就是具体对SEAndroid 的一些分析和讲解,如果需要深入了解这些需要一些参考书籍,仅仅这些是不够的,分享几本相关书籍
SELinux by Example Using Security Enhanced Linux:
下载地址:http://download.csdn.net/detail/innost/6947093
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http://blog.csdn.net/luoshengyang/article/details/37613135
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