0x01 背景

国外安全研究员champtar在日常使用中发现Kubernetes tmpfs挂载存在逃逸现象,研究后发现runC存在条件竞争漏洞,可以导致挂载逃逸。$^{[1]}$

关于条件竞争TOCTOU和一些linux文件基础知识可见这篇文章《初探文件路径条件竞争 - TOCTOU&CVE-2019-18276》

CVE-2021-30465在Redteam的研究者视角中比较鸡肋,因为需要K8S批量创建POD的权限。但在产品安全的视角恰恰相反,针对Caas(Container as a service)类产品,用户/租户拥有批量创建POD权限,利用挂载逃逸可打破租户间隔离,同时读取Host层面某些敏感数据,危害性极大。

0x02 RunC简介

为了让容器生态更加开放,Linux基金会发起OCI(Open Container Initiative),目标是标准化容器格式和运行时$^{[2]}$,其中一个重要产物就是CRI(Container Runtime Interface),抽象了容器运行时接口,使得上层调控容器更加便捷。containerd和runC都是其中代表产物,从dockerd中再剥离出containerd$^{[3]}$,向上提供rpc接口,再通过containerd去管理runC。containerd在初期也是直接对runC进行管理,但为了解决containerd进行升级等操作时会造成不可用的问题,containerd再拆出containerd-shim,独立对接runC。containerd从Runtime、Distribution、Bundle维度提供容器全生命周期的管理能力$^{[4]}$,runC专注于Runtime。

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0x03 容器设备挂载相关基础知识

Namespace

Namespace是linux控制系统资源的抽象层,将不同的进程放置入不同的Namespace将获得不同的资源视角,该项技术是容器实现的基础。$^{[5]}$

linux提供8种不同的Namespace以提供不同维度的隔离能力,分别是:

  1. Cgroup
  2. IPC
  3. Network
  4. Mount
  5. PID
  6. Time
  7. User
  8. UTS

其中,Cgroup和Mount Namespace是最常接触的,在容器挂载相关能力均通过Mount Namespace进行实现。Namespace的使用主要通过 cloneunshare 两个方法实现,其中clone 创建新进程时,标志位为 CLONE_NEW* 将会创建新的Namespace并将子进程放入该Namespace$^{[6]}$,unshare 方法将调用进程放入不同的Namespace中$^{[7]}$。

Mount Namespace

Linux中有一个很核心的思想,那就是一切皆文件。在该思想下,Linux通过挂载对不同设备中的文件进行管理。在Linux中,每一个空目录/文件都可以成为挂载点并设置相应的属性。 在Mount Namespace下,处在当前Namespace中的进程只对当前Namespace中的挂载点可见,通过 /proc/[pid]/mounts/proc/[pid]/mountinfo/proc/[pid]/mountstats 提供不同维度的数据。每个task(在Linux中,不论是进程还是线程,在内核的视角都是一个task)都会指向一个Namesapce(存放在task→nsproxy中)。$^{[8]}$

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struct nsproxy {
atomic_t count;
struct uts_namespace *uts_ns;
struct ipc_namespace *ipc_ns;
struct mnt_namespace *mnt_ns;
struct pid_namespace *pid_ns;
struct net *net_ns;
};

由于容器在启动过程中,libcontainer会将一个新的Namespace并且将容器进程移入该Namespace下,所以不同的容器进程所指向的Namespace是不同的。

但Mount Namespace的引入也带来了新的问题,由于Mount Namespace中的隔离性,当用户需要挂载一个新的磁盘使所有Namespace可见时,就需要在所有的Namespace中都进行一次挂载,很麻烦,于是2.6.15中引入了共享子树(Shared Subrees)。通过在不同挂载点设置不同的属性,使挂载事件在不同的维度(peer group$^{[9]}$)进行传播。目前支持以下四种传播类型,其中 MS_SHAREDMS_SLAVE 比较常见。

  1. MS_SHARED
  2. MS_PRIVATE
  3. MS_SLAVE
  4. MS_UNBINDABLE

MS_SLAVE传播属性的挂载点下,父挂载点(Master)的传播事件可以接收,但子挂载点下(Slave)的挂载事件不再传播,容器的Rootfs挂载即为该种类型,也就是说在容器中挂载的挂载动作是不影响宿主机的,保证了容器隔离。

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0x04 漏洞分析

RunC漏洞挂载逻辑分析

checkout到修复commit(0ca91f44f1664da834bc61115a849b56d22f595f)的上一个版本commit(c01a56034f5ab0c1aa314377a499fe60a9c26b36)。

整体流程如下

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分析

RunC通过命令 runc create + runc startrunc run 启动一个容器, runc create 主要分为两部分,一部分是准备容器进程的启动参数,与真正实施容器 runc init 进程进行交互,保证容器初始化顺利进行;另外一部分是执行克隆出的 runc init 进程,加入各种namespace并初始化容器进程的执行环境。本文以第二部分为切入点进行分析,从 libcontainer/standard_init_linux.golinuxStandardInit.Init() 开始,在其中调用 prepareRootfs ,准备初始化rootfs并进行挂载。

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prepareRootfs 中,调用 prepareRoot 设置初始挂载点,并设置挂载标志位为 unix.MS_SLAVE | unix.MS_REC ,其后使用 mountToRootfs 对container.json中配置的挂载进行操作。

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prepareRoot 中设置容器根目录挂载标志位为 unix.MS_SLAVE | unix.MS_REC ,容器在初始的时候会通过镜像中的容器标准包(bundle)挂载根文件系统(BaseFS),在这里runC默认将挂载点(Propagation Type)设置为slave。由于当前已经处于容器的mount namespace中,所以当前 \ 为容器根路径。 rootfsParentMountPrivate 函数确保上一层的挂载点是 PRIVATE ,应该是出于防止逃逸的考虑。

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mountToRootfs 中,针对不同的设备类型存在不同的处理逻辑。

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在tmpfs的处理逻辑中, configs.EXT_COPYUP默认为1。

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首先准备 /tmp 目录,在 prepareTmp 函数中将这个挂载点设置为 MS_PRIVATE ,再创建 runctmpdir 路径,将目标路径复制到 tmpDir 中,最后将 dest 路径挂载到tmpDir 中,且Propagation Type设置为 MS_MOVE 。对于MS_MOVE ,官方说明$^{[10]}$如下:

If mountflags contains the flag MS_MOVE (available since Linux 2.4.18), then move a subtree: source specifies an existing mount point and target specifies the new location to which that mount point is to be relocated. The move is atomic: at no point is the subtree unmounted.

当此时的dest 为一个symlink时,subtree将覆盖已存在挂载点。所以此处存在TOCTOU(Time-of-check to time-of-use),在 SecureJoin 函数执行时,dest 为正常路径,当挂在发生时,dest 为symlink,导致逃逸发生。

结论

RunC为了防止在路径组合中的路径穿越漏洞,引入了filepath-securejoin作为符号链接过滤函数,但r在挂载时并未校验挂载的实际目的路径,从而导致存在TOCTOU条件竞争漏洞。

从securejoin的Readme中也可看出这一点。$^{[11]}$

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之所以能够成功逃逸的另一原因在于tmpfs$^{[12]}$中为了实现copy-up功能$^{[13]}$使用MS_MOVE$^{[14]}$作为挂载标志,根据runC作者的描述只有在tmpfs情况才能够逃逸$^{[15]}$。

0x05 补丁分析

在补丁中,可以看出在tmpfs的挂载逻辑中,增加了 doTmpfsCopyUp 函数。

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在其中使用 WithProcfd 函数防止TOCTOU漏洞的发生,所有的 securejoin.SecureJoin 移入WithProcfd进行统一处理。

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WithProcfd 中使用 /proc/self/fd/ ,确保打开的文件是securejoin.SecureJoin 后的文件。

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0x06 POC分析

漏洞作者给出的POC中给出了一个很精妙的构造,利用了这个看似很难利用的条件竞争漏洞。

首先,创建两个公共tmpfs的挂载,名称为test1、test2,在容器A中,将test1挂载到/test1路径,test2挂载到/test2路径,同时将/test2/test2指向/ 。在容器B中,将test1挂载到/test1路径,test2挂载到/test1/mntx路径和/test1/zzz路径。

在容器A启动后,将/test1/mnt-tmpx指向rootfs路径,且交换mnt和mnt-tmpx,且rootfs/test2/test2指向/(K8S中,同一个pod下的rootfs在一个路径,形如 /var/lib/kubelet/pods/$MY_POD_UID/volumes/kubernetes.io~empty-dir )。

所以当条件竞争挂载的时候,即容器B启动时,挂载test2, mount('/','rootfs/test1/zzz') ,同时 MS_MOVE 标志位将原有该挂载点的subtree移至新挂载点下,造成逃逸发生。

0x07 总结

Linux在引入symlink的时候并不存在安全风险,但随着时代的变迁(容器的引入),symlink确实在一定程度上确实容易造成容器逃逸的发生。$^{[15]}$Linux在尝试在不同的角度去解决这个问题,但目前还没有很完全的能够解决此风险。这里不禁让人想引用tk的一句话:

安全意识要有时代背景。

作者认为伴随容器场景愈发复杂,安全研究的逐渐深入,非Linux内核漏洞导致的容器逃逸长期来看还会有一个增长的趋势。

0x08 Reference

  1. runc mount destinations can be swapped via symlink-exchange to cause mounts outside the rootfs (CVE-2021-30465)

    https://blog.champtar.fr/runc-symlink-CVE-2021-30465/

  2. About the Open Container Initiative

    https://opencontainers.org/about/overview/

  3. What is the relationship between containerd, OCI and runc?

    https://gitlab.cncf.ci/containerd/containerd/blob/revert-1502-test-image/docs/index.md

  4. Containerd Architecture

    https://github.com/docker-archive/containerd/blob/master/design/architecture.md

  5. namespaces(7) — Linux manual page

    https://man7.org/linux/man-pages/man7/namespaces.7.html

  6. clone(2) — Linux manual page

    https://man7.org/linux/man-pages/man2/clone.2.html

  7. unshare(2) — Linux manual page

    https://man7.org/linux/man-pages/man2/unshare.2.html

  8. Linux Namespace分析——mnt namespace的实现与应用

    https://hustcat.github.io/namespace-implement-1/

  9. Mount namespaces and shared subtrees

    https://lwn.net/Articles/689856/

  10. mount(2) — Linux manual page

    https://man7.org/linux/man-pages/man2/mount.2.html

  11. filepath-securejoin

    https://github.com/cyphar/filepath-securejoin

  12. tmpfs

    https://en.wikipedia.org/wiki/Tmpfs

  13. Overlay Filesystem

    https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/overlayfs.html#non-directories

  14. mount(2) — Linux manual page

    https://man7.org/linux/man-pages/man2/mount.2.html

  15. rootfs: add mount destination validation

    https://github.com/opencontainers/runc/commit/0ca91f44f1664da834bc61115a849b56d22f595f

  16. Re: [PATCH 2/3] namei: implement AT_THIS_ROOT chroot-like path resolution

    https://lwn.net/ml/linux-kernel/CAG48ez30WJhbsro2HOc_DR7V91M+hNFzBP5ogRMZaxbAORvqzg@mail.gmail.com/

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