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实现内核与用户态共同工作的 eBPF 安全框架 - 操作系统大赛赛题

项目描述

bpftime 是一个用户空间的 eBPF 运行时，可让现有的 eBPF 应用程序直接在非特权用户空间中运行，使用相同的库和工具链，并且获取到追踪分析的结果。它为 eBPF 提供 Uprobe 和 Syscall tracepoint 等追踪点，比内核 uprobe 的开销降低约10倍，不需要手动的代码插桩或进程重启，可以实现对于源代码和编译流程的无侵入式分析。它也可以和 DPDK 等结合，在用户态网络中实现 XDP 的功能，并和内核 XDP 兼容。运行时在用户空间共享内存中支持进程间的 eBPF maps，也兼容内核的 eBPF maps，可以与内核的 eBPF 基础设施无缝操作。它还包含多种架构的高性能 eBPF LLVM JIT/AOT 编译器。

LSM (Linux Security Modules) 是一种在Linux内核中实现的安全框架，它提供了一种机制，允许各种安全策略模块插入到内核中，增强系统的安全性。LSM 旨在为Linux操作系统提供一个抽象层，以支持多种不同的安全策略，而不需要改变内核的核心代码。这种设计允许系统管理员或发行版选择适合其安全需求的安全模型，如SELinux、AppArmor、Smack等。

LSM 可以用来做什么？

  1. 访问控制：LSM 最常见的用途是实现强制访问控制（MAC）策略，这与传统的基于所有者的访问控制（DAC）不同。MAC 可以细粒度地控制进程对文件、网络端口、进程间通信等资源的访问。
  2. 日志和审计：LSM 可以用来记录和审计系统上的敏感操作，提供详细的日志信息，帮助检测和防范潜在的安全威胁。
  3. 沙箱和隔离：通过限制程序的行为和它们可以访问的资源，LSM 可以实现应用程序的沙箱化，从而减少恶意软件或漏洞利用的风险。
  4. 强化内核和用户空间的安全：LSM 允许实现额外的安全检查和限制，用于强化内核自身的安全，以及运行在用户空间的应用程序的安全。
  5. 限制特权操作：LSM 可以限制即使是拥有root权限的进程所能执行的操作，从而减少系统管理员错误配置或者拥有root权限的恶意软件的潜在危害。

借助 bpftime，我们可以在用户空间运行 eBPF 程序，与内核兼容，并且可以和内核的 eBPF 协同工作来进行防御。我们有没有可能将 eBPF 的安全机制和特性进一步扩展到用户态，让用户态的 eBPF 和内核态的 eBPF 协同工作，来实现更强大、更灵活的安全策略和防御能力呢？让我们把这种机制叫做 USM（Userspace Security Modules or Union Security Modules）。

预期目标

  1. 框架设计与实现：在 bpftime 中设计并实现一个灵活的安全框架 USM，该框架能够让用户态的 eBPF USM 程序与内核态的 eBPF LSM 程序兼容并且协同工作。这包括定义框架的架构、API 设计、通信机制以及安全策略的实施方法，预期能提供一个统一的安全防御体系。这可能包括对特定系统调用的拦截、动态调整安全策略等功能。
  2. 尝试探索可能的安全场景，使用对应的机制对当前存在的安全问题进行拦截和防御。例如，对于某些应用层协议的安全漏洞，通过用户态 eBPF 进行拦截和分析可能是更好的选择，而不是在内核中进行处理；对于文件等系统资源的访问控制，内核中的 LSM 可以提供更好的安全性。

特征

项目的特征包括：

  • 开源代码并且尽可能和上游社区一起合作
  • 需要寻找对应的 CVE 漏洞或者安全问题，进行分析、搭建运行时和设计防御策略
  • 需要有合适的方式来测试和验证安全策略的有效性

已有参考资料

赛题分类

【code:503】2.5.3 安全应用（加密等）

参赛要求

  • 以小组为单位参赛，最多三人一个小组，且小组成员是来自同一所高校的本科生或研究生
  • 允许学生参加大赛的多个不同题目，最终自己选择一个题目参与评奖
  • 请遵循“2024全国大学生操作系统比赛”的章程和技术方案要求

难度

高级

License

GPL-3.0 License

所属赛道

2024全国大学生操作系统比赛的“OS功能挑战”赛道

项目导师

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