Runc容器运行过程及容器逃逸原理

Thu, Jan 28, 2021

在每一个Kubernetes节点中，运行着kubelet，负责为Pod创建销毁容器，kubelet预定义了API接口，通过GRPC从指定的位置调用特定的API进行相关操作。而这些CRI的实现者，如cri-o, containerd等，通过调用runc创建出容器。runc功能相对单一，即针对特定的配置，构建出容器运行指定进程，它不能直接用来构建镜像，kubernetes依赖的如cri-o这类CRI，在runc基础上增加了通过API管理镜像，容器等功能。

Kubelet，Cri-O，runc，Linux大致层级示意图如下：

container-runtime

在Kubernetes源码中，可以在pkg/kubelet/cri目录下找到相关代码，其中remote目录包含了常见的如镜像拉取，容器创建等操作，streaming目录中包含了一些需要TCP流的操作，如attach，port-forward等。

构建并使用runc运行一个容器

构建

runc的源码可以下载并通过make命令构建:

git clone https://github.com/opencontainers/runc.git
cd runc
make

runc是一个Go程序，使用CGO调用了一些外部库。构建除了需要安装go之外，可能需要额外安装如pkgconfig, libseccomp-dev, libseccomp等包，视具体错误排查。

运行容器

runc并不负责从镜像等上下文直接创建容器，因此需要从docker等更高级的运行时直接导出CRI，会更容易一些。

mkdir /mycontainer
cd /mycontainer

# create the rootfs directory
mkdir rootfs

# export busybox via Docker into the rootfs directory
docker export $(docker create busybox) | tar -C rootfs -xvf -

然后使用构建好的runc创建出容器运行的具体配置config.json:

runc spec

切换到root，然后运行:

runc run <container-id>

或者将run命令拆解，分成多步运行:

runc create <container-id>
runc list # 列出创建状态的容器
runc start <container-id>
runc list
runc delete <container-id>

运行分析

通过ps axef命令，打印出所有进程及其层级关系，发现我们之前运行的容器进程关系如图:

process-hierachy

表面上看，在通过runc run <container-id>之后，进程创建了一个子进程sh，也就是我们进入容器后指定运行的第一个程序。

容器隔离机制

Linux通过namespace将不同的资源隔离，就像一个沙箱一样。被隔离到某个namespace中的内容，无法访问到其它namespace的内容。可以通过unshare或clone设置标志位来将进程放入新的命名空间。

PID Namespace

标志位: CLONE_NEWPID

文档: man pid_namespaces

即进程命名空间，在一个隔离的空间中，PID从1开始，相同PID与主机PID不构成冲突。类似主机的init进程，PID为1的进程被终止时，该命名空间下的所有进程都会收到SIGKILL信号从而被终止。正因如此，一个容器的初始化进程只能是一个，而且终止后容器也就被停止了。

在不同的PID命名空间，进程互相看不到对方，不能通过PID找到对方，/proc目录下也只能看到自己命名空间中的进程。但是一个父进程fork出的子进程可以通过set_ns放入子命名空间，在父进程的命名空间，仍然可以看到这个子进程，只是PID不一样。进程可以被挪到子命名空间，但不能被反向挪回更高级的命名空间。

User Namespace

标志位: CLONE_NEWUSER

文档: man user_namespaces

用户命名空间，主要隔离的是安全相关的id和属性，尤其是用户id和用户组id，root目录，密钥，以及各种进程的能力(capabilities)。

Network Namespace

标志位: CLONE_NEWNET

文档: man network_namespaces

网络命名空间，隔离出全新的网络设备、IPv4、IPv6协议栈，路由表，iptables规则，以及sockets,端口号。隔离后，命名空间下的/proc/net以及/sys/net也会不同于上级命名空间。

一对veth网络设备可以实现跨命名空间的通信，也可以桥接到主机物理设备上。

UTS Namespace

标志位: CLONE_NEWUTS

隔离hostname以及NIS domain name，两个都是主机对自己的网络标识，在容器中可以重新定义。

Cgroup Namespace

标志位: CLONE_NEWCGROUP

文档: man cgroup_namespaces

Cgroup Namespace隔离出了新的cgroup分组，可以通过/proc/[PID]/cgroup获得进程的cgroup相关情况。Cgroup是Control group的缩写，不同的cgroup通过树状结构组织在一起，每个节点上挂载着不同的控制器(controllers)，可以通过他们控制cpu, memory, bulkio等资源的使用，也可以获得cpu等资源的使用情况，或者通过freezer将进程暂时冻结或恢复。

IPC Namespace

标志位: CLONE_NEWIPC

隔离了System V常用的IPC通信手段，如信号量(semaphore)，共享内存，消息队列等。

Mount Namespace

标志位： CLONE_NEWNS

挂载文件系统的隔离，但是一部分文件系统也可以通过共享跨命名空间共享。通过cat /proc/self/mountinfo可以获得挂载信息，带有shared标志的就是共享出来的部分。

runc容器初始化流程

runc目前初始化大致流程如下图所示，其中一些步骤经过了简化：

runc-workflow

通过在init.go中隐式的导入包： import _ "github.com/opencontainers/runc/libcontainer/nsenter"， runc在初始化阶段就完成了clone/unshare过程，创建出子进程，并将其通过setns放入新的命名空间:

    /*libcontainer/nsenter/nsexec.c:join_namespaces(char*)*/
	for (i = 0; i < num; i++) {
		struct namespace_t ns = namespaces[i];

		if (setns(ns.fd, ns.ns) < 0)
			bail("failed to setns to %s", ns.path);

		close(ns.fd);
	}

一般来说，只要通过clone/share+setns+execve就可以完成容器的基本运行过程，在发现漏洞[CVE-2019-5736]之后，runc加入了一段重要代码ensure_cloned_binary，确保当前runc是通过memfd在内存中克隆出来并重新运行的。

容器逃逸

“特权"容器

“特权"在runc及基于containerd的docker中，对应选项是--privileged，在K8S中对应的是pod.Spec.privileged: true，但它的特权实际指的是User Namespace中的Capabilities，即启动容器时用户的Capabilities将会全部被保持，不会为了构建沙箱而扔掉权限，这样容器就可以执行各种特权操作，例如挂载文件系统，改写主机iptables，改写主机Ipvs等。因此对于像kube-proxy这类需要改写主机网络的组件，一些容器，可能还会需要访问特定的蓝牙设备或GPU等，它们要正常工作，就必须拥有特权。

但这种特权实际已经是“超级特权”了，必须经过谨慎的权衡使用，一般不会被普通用户滥用。容器面临的权限安全问题，更多的是来自UID/GID映射。

通过User Namespace，我们可以将主机/上级namespace中的一个普通用户映射成子namespace中的一个特权用户root或者其它，反之则不行。但是Linux的权限系统是通过UID/GID来辨认用户的，当一个容器中的UID 0用户在主机中被映射成UID 0时，那么容器中的进程如果能够访问主机上的文件，它实际等同于root(UID=0)，这时候就有了逃逸的机会。所谓容器逃逸，就是容器中的进程通过某种方式改写主机环境，从容器这个平行世界中“逃脱”，改变主世界。在容器中它可能只是个“村长”，但由于它的UID与外面的“国王”相等，一旦逃逸发生，它就等同于拥有“国王”权限，可以对外发布更高权限的命令。

对此，我们可以在主世界创建一个“村长”(UID=65535)，然后将有限的领土“村级行政区”划分给他，然后映射到子命名空间中做“国王”(root,UID=65535)，这样即使容器中的国王逃出来，它依然只能治理之前划分给它的那一小块“村级行政区“。

更多关于“特权”容器的讨论可以参考LXC作者的这篇博客。

CVE-2019-5736: 改写runc容器逃逸

在2019年初，爆发了一个容器严重漏洞，运行docker的容器环境，普通用户可以通过特殊构建的镜像，运行后改写主机上的runc,从而进一步进行入侵操作。

当一个进程运行时，它自己可以通过/proc/self/exe得到指向自己的链接，也可以进一步在/proc目录下找到自己的fd。一个恶意构建的镜像可以将自己的入口改成/proc/self/exe，由于容器入口需要通过runc来clone+execve启动，这样就使得一个普通的用户容器，访问并执行了主机上的runc。

之前编译runc的步骤中，我们也已经知道了，runc使用了CGO来调用libc/libseccomp的代码，通过ldd命令可以看到runc的外部依赖库:

ldd_runc

在之前的runc容器初始化流程中，我们直到当容器开始执行我们的程序时，已经进入了新的namespace，这时程序如果需要外部依赖什么文件，一定会从容器内寻找，这时我们可以通过修改容器的LD_LIBRARY环境变量，迫使runc优先使用改造过的.so文件，而这个.so的作用，就是改写/proc/self/exe指向的文件，即主机上的runc。

在这个漏洞中，我们可以看到它需要满足几个条件：

容器能够通过入口/proc/self/exe指向主机中的runc
容器允许用户自行任意指定，将其中的恶意代码伪装成普通文件
容器中的用户UID在主机中的映射UID同样具有较高权限，否则即使runc被暴露，也会因为容器中用户权限不足而无法访问

runc最终的漏洞修复手段：增加了一个ensure_cloned_binary阶段，通过在内存中只读的复制自己并clone，避免了/proc/self/exe指向主机runc的问题。

CVE-2019-14271: 通过docker-cp容器逃逸

这个漏洞是指当运行docker的环境中调用docker cp时，如果访问的是一个恶意容器，容器中的用户就可以在主机中运行任意代码。

docker cp是通过chroot的方式，切换到容器所在主机文件目录，然后从那里复制文件。这个chroot是docker自己实现的，需要依赖nsswitch相关动态库，这时可以通过在容器中替换这些动态库，从而实现借docker cp的高级权限，运行恶意代码的目的。

官方的修复是让chroot在切换成容器目录之前就提前执行一次dns lookup，从而调用cgo，总体看上去还是稍微有点魔幻的: https://github.com/moby/moby/pull/39612/files

func init() {
	// initialize nss libraries in Glibc so that the dynamic libraries are loaded in the host
	// environment not in the chroot from untrusted files.
	_, _ = user.Lookup("docker")
	_, _ = net.LookupHost("localhost")
}

小结

从上面两个逃逸漏洞来看，仍然没有摆脱“特权用户运行恶意代码”的范畴。一些CRI如Cri-O，可以通过修改/etc/crio/crio.conf中的uid_mappings及gid_mappings修改映射，从而避免容器逃逸后容器中的进程获取主机上的文件访问权限。这样做会有一些额外负担，就是如HostPath这类挂载，需要确保主机上这部分文件也能够被指定UID访问。

另外通过扫描镜像，避免恶意镜像也可以起到一定作用。对于镜像准入需要采取一定的手段。

K8S和docker/crio的特权模式一定慎用，可以把它跟root等同审慎对待，绝对不能开放给普通用户。

关注容器生态安全漏洞，及时发现预警，避免修复不及时造成损失。