eBPF技术实践白皮书精选：基于eBPF的新一代主机安全解决方案

在当今数字化时代，操作系统安全的重要性愈发突显。Linux操作系统漏洞曝出频率呈现逐年上涨的趋势，新型攻击层出不穷，攻击者利用漏洞实现权限提升、业务关键信息的获取等，严重破坏了操作系统的机密性、可用性和完整性。

传统解决方案面临挑战

传统安全检测和防御方案采用内核模块技术，内核模块技术是通过编写内核模块来扩展操作系统的功能，内核模块可以直接访问和修改操作系统内核，可以实现高级别控制和丰富的功能，但编写不当的内核模块可能导致内核崩溃或引入安全漏洞。

eBPF提供了一种安全、可编程的方式来扩展内核功能，eBPF程序在内核中运行时会受到严格的安全限制，因此不会对系统的稳定性和安全性产生直接影响，可以实现深度的系统观测能力和自定义扩展能力。

基于eBPF的新一代主机安全解决方案

浪潮信息云峦服务器操作系统KeyarchOS提供轻量化的安全防御组件KSecure，采用eBPF技术路线，提供主机安全检测和防御能力，在增强操作系统安全性和合规性的同时，解决传统内核模块方式带来的系统稳定性和性能问题。

1主要功能

KSecure安全防御组件的主要功能如下：

• 关键文件/进程防护：支持文件和目录的防护，防止核心业务文件被篡改、删除等行为。支持关键进程防护，保护核心业务进程不被恶意终止、删除、信息注入；
• 主机入侵检测：基于规则引擎可以对黑客的入侵行为进行检测和自动处置。基于“诱饵”行为监测的勒索病毒防御，及时发现和阻止勒索病毒加密行为；
• 安全基线检测：基于等保和CIS标准形成知识库，提供基于模板的基线检测、修复和回退功能。帮助发现身份鉴别、访问控制、安全审计、入侵防范、剩余信息保护等方面潜在的安全风险，支持基线值自定义和灵活扩展；
• 安全管理：支持安全特性动态加载、对安全组件CPU资源占用限制、安全策略热加载、服务启停等管理等功能。

KSecure安全组件功能架构图

2整体架构

基于eBPF的系统内多层次hook技术，将eBPF程序hook到操作系统内核的多个层级（LSM、syscall、network、kprobe内核函数），其中LSM、syscall、network的hook点具有监控和拦截能力，kprobe内核函数hook点只具有监控能力。通过在各个hook点加载安全策略实现对系统和应用程序行为的监控和拦截。

KSecure安全组件技术架构图

3关键技术

在KSecure安全组件中，涉及如下两个关键技术。

3.1eBPF-LSM hook技术

LSM（Linux Security Modules）是Linux内核中用于支持各种计算机安全模型的框架，用于在Linux内核中实现安全策略和强制访问控制。Linux Kernel 5.7引入了LSM扩展eBPF（简称BPF-LSM），而无需配置LSM模块（SELinux、AppArmor等）或加载自定义内核模块，通过在LSM层面的文件、进程、网络等hook加载eBPF程序，获取应用的异常行为，通过与内置和自定义的安全策略对比后，进行细粒度的（函数级）实时拦截，实现入侵检测和关键文件和进程防御功能。

关键业务防护架构图

以文件防护为例，介绍KSecure安全组件如何进行文件防护，如下图所示：

文件防护示例流程图

1. 加载eBPF程序：KSecure安全组件用户态Agent程序将eBPF程序加载到LSM的Hook点上；
2. 配置策略：通过KSecure安全组件的策略配置文件（YAML格式）进行策略设置；
3. 下发策略：安全组件的Agent将YAML策略解析至内核态创建的eBPF-map；
4. 黑客入侵：攻击者对被保护的文件进行编辑或删除等操作，进入内核LSM hook点，触发对应的eBPF程序；
5. 策略匹配：内核中eBPF程序获取主体进程和客体路径等信息，与存储在eBPF-map安全策略和匹配。在获取主体进程时，采用进程链跟踪技术，跟踪进程的调用过程，信任进程调用的进程/脚本等均继承权限；
6. 操作拦截：hook点对应的eBPF程序阻止编辑和删除被保护文件的操作；
7. 上报信息：eBPF程序通过eBPF-map（Ring buffer类型）上报给Agent；
8. 记录日志：Agent封装匹配策略信息并记录到安全日志文件。

3.2基于eBPF的内核监控技术

将eBPF程序通过kprobe、tracepoint技术挂载至内核，监控系统中的文件操作、进程创建、网络连接等行为。基于MITRE ATT&CK（Adversarial Tactics, Techniques and Common Knowledge，即对抗战术和技术知识库）框架构建入侵检测内置规则，结合自定义的检测规则为入侵检测引擎提供判断依据，实现入侵事件识别和攻击阻断。KSecure安全组件入侵检测功能主要由数据采集、数据缓冲、预处理、规则引擎等模块构成。

入侵检测功能模块架构图

• 数据采集：借助eBPF程序采集文件、进程、网络等系统调用入参以及返回值，并上传至数据缓冲区；
• 数据缓冲：设置Ring buffer类型的缓冲区用于已采集数据临时存储，eBPF程序可将采集数据写入缓冲区，预处理模块循环读取缓冲区数据；
• 预处理：将缓冲区数据根据不同的系统调用解析成特定的数据结构，并通过事件类型等条件，丢弃不符合条件的数据，便于规则引擎执行规则匹配；
• 规则引擎：将已加载的规则解析成内存对象，拉取预处理后的数据与内存中的规则对象进行比对，与规则匹配的数据诊断为入侵行为，格式化后输出。

以反弹shell入侵检测为例，介绍KSecure安全组件如何检测入侵行为，如下图所示：

反弹shell入侵检测示例流程图

1. 规则：读取yaml格式的检测规则至内存，逐条解析规则，将规则关键字解析为数据对象，并将规则内容保存至对象内，便于规则匹配，以下为反弹shell入侵行为匹配条件；
2. BPF程序：规则引擎将eBPF程序通过tracepoint和kprobe技术挂载至系统调用函数。具体而言，对于反弹shell的检测，则挂载至connect系统调用；
3. 反弹shell：反弹shell是一种网络攻击技术，用于通过远程主机上的Shell(命令行终端)与攻击者建立连接，从而控制受攻击主机；
4. 日志：将系统产生的网络连接上传至数据缓冲区。监听Ring buffer中网络连接信息，通过BPF辅助函数循环读取数据，并将数据转交预处理模块；
5. 匹配：将解析并经过滤后的网络连接日志对象与规则对象比对，匹配规则的网络连接诊断为反弹shell入侵；
6. 告警：将日志信息按照规则配置的格式输出为告警信息。

04应用场景

基于eBPF技术安全增强组件具以下几个方面的应用场景：

• 安全加固：提升操作系统的合规性和安全性。支持用户结合实际的安全需求选择实施加固和扩展，以便更好地满足对不同用户不同场景的配置安全基准要求。
• 黑客入侵：降低因系统漏洞利用导致的提权攻击、Rootkit攻击、进程注入等风险。及时发现并阻止勒索病毒加密行为，减少勒索病毒对业务文件的进一步破坏，成为勒索病毒防护最后一道屏障。
• 业务防护：为关键业务服务器提供保护，仅允许合法应用程序对客户的关键业务文件进行操作，限制系统超级管理员权限，防止误操作或账号泄露导致的重要文件/配置的破坏。

基于eBPF技术的安全组件KSecure已在龙蜥社区系统安全SIG中开源，我们热忱欢迎广大热爱技术创新、关注安全研究的同行伙伴们一同加入这场探索之旅，共同挖掘eBPF技术在安全防护领域的无限潜能，携手优化并推广前沿的安全解决方案，以共建更为可靠、安全的操作系统生态环境。

龙蜥社区系统安全SIG网址：https://openanolis.cn/sig/syssecurity

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