背景

虽然官方文档(man capabilities)和《Linux 内核安全模块深入剖析》书的第六章对"能力"有很全面详细的描述，但是我之前遇到了两个和能力有关的案例，从文档中看不出来原因，只好猜测原因并从源码中确认结论。

本文记录这两个特殊案例，加深自己对"能力"概念的理解，也希望能对linux安全有兴趣的读者有点帮助。

第一个案例是普通用户执行dumpcap时可以按照预期运行，而strace dumpcap时提示权限不足。如下

更详细的问题背景可以见正文，或者看我提的issue：https://github.com/strace/strace/issues/221

第二个案例是我好奇root用户执行su - test变成非root用户后会有哪些能力？

先来看第一个案例。

普通用户执行strace dumpcap时提示权限不足

研究这个问题的起因

在 基于netfilter的后门 文章中，我最早是用dumpcap -i nflog:2333代替tcpdump -i nflog:2333抓包的。

我在安装dumpcap命令、添加x权限后，发现非root用户也可以用dumpcap抓整个主机上的包。如下

[root@instance-h9w7mlyv ~]# yum install wireshark -y    // 安装dumpcap命令
[root@instance-h9w7mlyv ~]# chmod +x /usr/bin/dumpcap   // 添加执行权限
[test@instance-h9w7mlyv ~]$ dumpcap -i eth0     // 抓eth0网卡的包
Capturing on 'eth0'
File: /var/tmp/wireshark_eth0_20220907165305_9Quu6X.pcapng
Packets captured: 17
Packets received/dropped on interface 'eth0': 17/0 (pcap:0/dumpcap:0/flushed:0/ps_ifdrop:0) (100.0%)

一个普通用户能够获取主机上的所有流量，听着就很不安全，所以我就想看看为什么非root用户可以用dumpcap命令监听网卡流量。

[test@instance-h9w7mlyv ~]$ getcap /usr/bin/dumpcap
/usr/bin/dumpcap = cap_net_admin,cap_net_raw+ep

如上，可以看到dumpcap有cap_net_raw文件能力。或许你知道只要线程有cap_net_raw能力，就可以用socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL))创建socket来抓包。

所以可以猜测dumpcap也是用AF_PACKET socket抓包的，于是我想执行strace dumpcap看一下系统调用中是否有创建AF_PACKET socket。然后发现普通用户执行strace dumpcap时提示报错，如下

[test@instance-h9w7mlyv ~]$ strace -o strace.log dumpcap
Capturing on 'eth0'
dumpcap: The capture session could not be initiated on interface 'eth0' (You don't have permission to capture on that device).
Please check to make sure you have sufficient permissions.
...

这里就让我感觉很奇怪：为什么普通用户执行dumpcap时可以按照预期运行，而strace dumpcap时提示权限不足？

还有类似的现象：普通用户strace ping www.baidu.com也会提示权限不足

为什么普通用户执行strace dumpcap时提示权限不足？

man execve看到下面一段文档

The aforementioned transformations of the effective IDs are not performed (i.e., the set-user-ID and set-group-ID bits are ignored) if any of the following is true:

 *  the no_new_privs attribute is set for the calling thread (see prctl(2));

 *  the underlying filesystem is mounted nosuid (the MS_NOSUID flag for mount(2)); or

 *  the calling process is being ptraced.   // 进程正在被ptrace

The capabilities of the program file (see capabilities(7)) are also ignored if any of the above are true.

`man capabilities`^[1]看到下面一段文档

Note: the capability transitions described above may not be performed (i.e., file capabilities may be ignored) for the same reasons that the set-user-ID and set-group-ID bits are ignored; see
execve(2).

从文档得出结论：只要进程被ptrace，那么execve时就会忽略文件能力和set-uid/set-gid等。因为strace底层就是ptrace，所以似乎这个结论可以解释我遇到的现象。

但是当用root用户给strace文件添加能力后，普通用户运行strace dumpcap又可以正常工作，上面的结论就解释不通了。如下

[root@instance-h9w7mlyv ~]# setcap cap_net_admin,cap_net_raw+ep /usr/bin/strace   // 给strace文件添加能力
[root@instance-h9w7mlyv ~]#
[root@instance-h9w7mlyv ~]# su - test     // 切换到普通用户
...
[test@instance-h9w7mlyv ~]$ getcap /usr/bin/strace
/usr/bin/strace = cap_net_admin,cap_net_raw+ep
[test@instance-h9w7mlyv ~]$ getcap /usr/bin/dumpcap
/usr/bin/dumpcap = cap_net_admin,cap_net_raw+ep
[test@instance-h9w7mlyv ~]$ strace -o strace.log dumpcap      // strace dumpcap现在可以抓包
Capturing on 'eth0'
File: /var/tmp/wireshark_eth0_20220908182215_A7Uikl.pcapng
Packets captured: 11
Packets received/dropped on interface 'eth0': 11/0 (pcap:0/dumpcap:0/flushed:0/ps_ifdrop:0) (100.0%)

所以看起来，普通用户执行strace dumpcap后dumpcap进程的有效能力集是strace文件能力和dumpcap文件能力交集。

那到底是不是这样呢？

是不是交集?

strace dumpcap时,从用户态看strace原理大概如下

// fork后，strace子进程能力集和strace进程是相同的
pid_t pid = fork();
// 子进程
if (pid == 0) {
    ptrace(PTRACE_TRACEME,0,NULL,NULL);
    // 加载被调试的程序
    execve("/usr/bin/dumpcap", NULL, NULL);
}

参考 Linux ptrace 的实现^[2]

内核在执行execve时，会执行到cap_bprm_set_creds函数，函数栈如下

[root@instance-h9w7mlyv ~]# bpftrace -e 'kprobe:cap_bprm_set_creds {printf("%s\n",kstack)}'
Attaching 1 probe...

        cap_bprm_set_creds+1
        security_bprm_set_creds+34
        prepare_binprm+299
        do_execveat_common.isra.37+1274
        __x64_sys_execve+50   // execve系统调用入口
        do_syscall_64+91
        entry_SYSCALL_64_after_hwframe+101

代码位置在：https://elixir.bootlin.com/linux/v4.18/source/security/commoncap.c#L854

可以看到cap_bprm_set_creds函数会对能力做交集

int cap_bprm_set_creds(struct linux_binprm *bprm)
{
 const struct cred *old = current_cred();
 struct cred *new = bprm->cred;
 ...

  ret = get_file_caps(bprm, &effective, &has_fcap);    // 会从文件扩展属性中找到能力集合，赋值给brpm->cred相应字段

  ...
 if ((is_setid || __cap_gained(permitted, new, old)) &&
     ((bprm->unsafe & ~LSM_UNSAFE_PTRACE) ||
      !ptracer_capable(current, new->user_ns))) {
  /* downgrade; they get no more than they had, and maybe less */
  if (!ns_capable(new->user_ns, CAP_SETUID) ||
      (bprm->unsafe & LSM_UNSAFE_NO_NEW_PRIVS)) {
   new->euid = new->uid;
   new->egid = new->gid;
  }
  new->cap_permitted = cap_intersect(new->cap_permitted,    // new->cap_permitted是execve后的进程允许能力集，当前的值是dumpcap文件的允许能力集
         old->cap_permitted);   // old->cap_permitted是当前进程的允许能力集，也就是strace fork后子进程的能力集
 }
  ...
}

那strace进程的能力集是怎么来的呢？

strace进程的能力集是怎么来的呢？

strace进程能力是根据bash进程能力和strace文件能力，按照计算规则得来的，如下

那普通用户的bash进程能力集又是啥呢？它是怎么计算出来的呢？这就是我的第二个疑问

普通用户的bash进程能力集是啥？

如下，可以看到普通用户的bash进程除了限制能力集其他能力集都是0

[root@instance-h9w7mlyv ~]# su - test
[test@instance-h9w7mlyv ~]$ ps
  PID TTY          TIME CMD
18042 pts/4    00:00:00 bash
[test@instance-h9w7mlyv ~]$ cat /proc/18042/status|grep -i cap
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 0000000000000000
CapEff: 0000000000000000
CapBnd: 000001ffffffffff
CapAmb: 0000000000000000

test用户是useradd test创建的普通用户

对比可以发现: root用户切换test用户后，能力变少了。

[root@instance-h9w7mlyv ~]# ps
  PID TTY          TIME CMD
52739 pts/0    00:00:00 bash
[root@instance-h9w7mlyv ~]# cat /proc/52739/status|grep -i cap
CapInh: 0000000000000000
CapPrm: 000001ffffffffff
CapEff: 000001ffffffffff
CapBnd: 000001ffffffffff
CapAmb: 0000000000000000

root用户通过su - test切换新用户后，为什么能力会变少呢？

为什么root用户切换到新用户后能力变少？

《Linux 内核安全模块深入剖析》6.4.2节中提到capset、capget、prctl三个系统调用都能改变进程的能力集，但是从下面可以看出来，su并没有用这三个系统调用

[root@instance-h9w7mlyv ~]# strace -f su - test 2>&1|grep -i cap
[root@instance-h9w7mlyv ~]# strace -f su - test 2>&1|grep -i -E '\bprctl'

在《Linux系统编程手册》39.6节中提到这种情况

为了与用户 ID 在 0 与非 0 之间切换的传统含义保持兼容，在改变进程的用户 ID(使用 setuid()等)时，内核会完成下列操作。

1. 如果真实用户ID、有效用户ID或saved set-user-ID之前的值为0，那么修改了用户 ID 之后，所有这三个 ID 的值都会变成非 0，并且进程的许可和有效能力集会被清除 (即所有的能力都被永久地删除了)。
2. 如果有效用户 ID 从 0 变成了非 0，那么有效能力集会被清除(即有效能力被删除了，但那些位于许可集中的能力会被再次提升)。

也就是说，当用户调用setuid系统调用从特权用户变成非特权用户时，允许能力集和有效能力集会被清除。

下面来验证一下，看看su程序是不是用到了setuid系统调用、setuid系统调用是不是真的可能清空能力集。

验证setuid和能力的关系

通过strace可以观察到su程序确实调用了setuid

[root@instance-h9w7mlyv ~]# strace -f su - test 2>&1|grep setuid
[pid 23628] setuid(1000 <unfinished ...>
[pid 23628] <... setuid resumed>)       = 0

阅读内核代码后，也可以看到在cap_emulate_setxuid函数中内核清除了进程的能力集。

代码位置在：https://elixir.bootlin.com/linux/v4.18/source/security/commoncap.c#L1005

static inline void cap_emulate_setxuid(struct cred *new, const struct cred *old)
{
 ...
   cap_clear(new->cap_permitted);
   cap_clear(new->cap_effective);
 ...
  cap_clear(new->cap_ambient);
 }
 ...
}

cap_emulate_setxuid函数因为inline被内敛优化，所以没有办法被bpftrace观察到，但我们可以观察它的调用者cap_task_fix_setuid函数。

在su - test时，可以观察到执行了cap_task_fix_setuid函数，并且有效能力集从0x1ffffffffff变成0。如下

[root@instance-h9w7mlyv ~]# bpftrace -e 'kfunc:cap_task_fix_setuid /comm=="su"/ {printf("%x,%x\n", ((struct cred*)args->new)->cap_effective.cap[0], ((struct cred*)args->new)->cap_effective.cap[1]);}'
...
ffffffff,1ff

[root@instance-h9w7mlyv ~]# bpftrace -e 'kretfunc:cap_task_fix_setuid /comm=="su"/ {printf("%x,%x\n", ((struct cred*)args->new)->cap_effective.cap[0], ((struct cred*)args->new)->cap_effective.cap[1]);}'
...
0,0

从setuid到cap_task_fix_setuid，函数调用栈如下

[root@instance-h9w7mlyv ~]# bpftrace -e 'kprobe:cap_task_fix_setuid /comm=="su"/ {printf("%s\n", kstack)}'
Attaching 1 probe...

  cap_task_fix_setuid+1
  security_task_fix_setuid+48
  __sys_setuid+151    // setuid系统调用入口
  do_syscall_64+91
  entry_SYSCALL_64_after_hwframe+101

所以，setuid时root用户变成非root用户时，允许能力集和有效能力集会被清零。

总结

能力的计算机制感觉很复杂。

普通用户在执行strace xxx后，xxx进程的有效能力集可以认为是strace文件和xxx文件的允许能力集的交集。

调用setuid系统调用从特权用户变成非特权用户时，允许能力集和有效能力集会被清除。

通过阅读代码和bpftrace工具，可以定位到内核中处理能力的代码位置，进一步验证结论。

参考资料