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eBPF 运行时安全性：面临的挑战与前沿创新

郑昱笙

扩展伯克利数据包过滤器（eBPF）代表了我们与现代操作系统交互和扩展其能力方式的重大演变。作为一种强大的技术，它使得Linux内核能够响应事件运行沙盒程序，eBPF已成为系统可观察性、网络和安全特性的基石。

然而，像任何与内核紧密接口的系统一样，eBPF 运行时本身的安全性至关重要。在这篇博客中，我们将深入探讨常被忽视的 eBPF 安全性问题，探索旨在保护 eBPF 的机制本身如何被加固。我们将解析 eBPF 验证器的作用，审视当前的访问控制模型，并调查研究中的潜在改进机会。

目录

eBPF如何通过验证器确保安全

eBPF的安全框架在很大程度上取决于其验证器的强大性能。这个组件充当守门人，确保只有安全且符合规范的程序被允许在内核空间运行。

eBPF验证器是什么以及它的作用

eBPF验证器的核心是静态代码分析器。它的主要功能是在BPF程序指令执行前进行审查。它在内核中审查程序副本，操作目标包括：

  • 确保程序终止

验证器使用深度优先搜索（DFS）算法遍历程序的控制流图，确保它是一个有向无环图（DAG）。这对于保证程序不会进入无限循环，从而确保其终止至关重要。它仔细检查任何无界循环和格式错误或越界跳转，这些都可能破坏内核的正常操作或导致系统挂起。

  • 确保内存安全

内存安全在内核操作中至关重要。验证器检查可能的越界内存访问，这些访问可能导致数据损坏或安全漏洞。它还防范使用后释放的错误和对象泄漏，这些是常见的可被利用的漏洞。除此之外，它还考虑到硬件漏洞，如幽灵（Spectre），执行缓解措施以防止此类旁路攻击。

  • 确保类型安全

类型安全是验证器确保的另一个关键方面。通过防止类型混淆错误，它有助于维护内核数据的完整性。eBPF验证器利用BPF类型格式（BTF），它允许准确理解和检查内核的复杂数据结构，确保程序对这些结构的操作是有效和安全的。

  • 防止硬件异常

硬件异常，如除以零，可能导致程序突然终止和内核恐慌。为了防止这种情况，验证器包括检查未知标量的除法，确保指令按照与aarch64规范一致的方式重写或处理，这些规范规定了这类异常的安全处理。

通过这些机制，eBPF验证器在维护内核的安全性和稳定性中发挥了关键作用，成为eBPF基础设施中不可或缺的组成部分。它不仅加强了系统的防御，还维护了eBPF程序打算执行的操作的完整性，使其成为eBPF生态系统中的重要部分。

eBPF 验证器的工作原理

  • 遵循控制流程图 验证器首先通过构建并遵循eBPF程序的控制流程图（CFG）来进行其分析。它细致地计算出每条指令的所有可能状态，同时考虑BPF寄存器集和堆栈。然后根据当前的指令上下文进行安全检查。

其中一个关键步骤是跟踪程序私有BPF堆栈的寄存器溢出/填充情况。这确保了堆栈相关操作不会引起溢出或下溢，避免了数据破坏或成为攻击路径。

  • 控制流程图的回边处理 验证器通过识别CFG中的回边来有效处理eBPF程序内的循环。通过模拟所有迭代直到达到预定的上限，从而确保循环不会导致无限制执行。

  • 处理大量潜在状态 验证器需要处理程序执行路径中大量潜在状态带来的复杂性。它运用路径修剪逻辑，将当前状态与之前的状态进行比较，判断当前路径是否与之前的路径“等效”，并且有一个安全的出口。这样减少了需要考虑的状态总数。

  • 逐函数验证以减少状态数量 为了简化验证过程，验证器进行逐函数分析。这种模块化的方法使得在任何给定时间内需要分析的状态数量得以减少，从而提高了验证过程的效率。

  • 按需标量精度追踪以进一步减少状态 验证器运用按需标量精度追踪来进一步减少状态空间。通过在必要时对标量值进行回溯，验证器可以更准确地预测程序的行为，优化其分析过程。

  • 超过“复杂性”阈值时终止并拒绝 为了保持实用性能，验证器设定了一个“复杂性”阈值。如果程序分析超过此阈值，验证器将终止过程并拒绝该程序。这样确保只有在可管理的复杂性范围内的程序被允许执行，实现了安全性与系统性能的平衡。

verifier 的挑战

尽管eBPF验证器执行得非常彻底，但它面临着一系列重大挑战：

  • 对非root用户暴露时成为攻击目标 随着验证器日益复杂化，它逐渐成为攻击者的青睐目标。由于eBPF具备强大的可编程性，一旦攻击者绕过验证器并在操作系统内核中执行代码，可能带来严重的后果。

  • 验证器正确性的复杂推断 确保验证器正确运行，特别是在Spectre缓解方面，并非易事。虽然部分形式的验证已经到位，但仍有许多挑战，特别是在即时编译器（JIT）和抽象解释模型等方面。

  • 有时错误拒绝有效程序 由于LLVM（用于编译eBPF程序的基础架构）的优化与验证器的理解能力之间有时存在不匹配，导致一些有效的程序被错误地拒绝。

  • 为BPF程序类型维护“稳定的ABI” 为了确保操作系统内核更新时不影响生产环境中运行的BPF程序，“稳定的ABI”至关重要。但在保持此稳定性的同时，不断发展验证器和BPF生态系统也是一大挑战。

  • 性能与安全的平衡 在验证复杂的eBPF程序时，性能与安全之间的平衡格外突出。虽然验证器必须保持高效以确保实用性，但同时也不能在安全性上做出妥协，因为它所验证的程序性能对现代计算系统至关重要。

eBPF验证器代表了现代计算安全领域的创新，它巧妙地在最大化程序可编程性和在内核级别保持坚固防御之间找到了平衡。

强化 eBPF 验证器的其他研究工作

这些研究共同构成了一个强大而多维的研究倡议，旨在加强eBPF验证的基础，确保其作为扩展Linux内核能力的工具保持安全和高效。

更多eBPF验证器学习资料：

eBPF访问控制的限制

在像Ubuntu和SUSE这样的主要Linux发行版禁止非特权用户使用 eBPF 套接字过滤器和 CGroup 程序之后，目前的eBPF访问控制模型只支持一个单一的权限级别。这一级别要求具备CAP_SYS_ADMIN能力，用于所有功能。然而，CAP_SYS_ADMIN因其广泛的特权特性，特别是对于容器环境，带来了显著的风险。

为应对这一问题，Linux 5.6引入了更为细致的权限系统，通过细分eBPF的能力。它引入了一个新的能力CAP_BPF，用于调用bpf系统调用。此外，安装某些类型的eBPF程序还需要其他能力，如CAP_PERFMON用于性能监控或CAP_NET_ADMIN用于网络管理任务。这种设计旨在减少某些攻击类型，如更改进程内存或eBPF映射，这些攻击仍然需要CAP_SYS_ADMIN权限。

然而，这些分割的能力并不能完全防止所有基于eBPF的攻击，如拒绝服务（DoS）和信息窃取。攻击者可能利用这些漏洞制造针对容器的eBPF恶意软件。eBPF在云原生应用中的广泛应用加剧了这种威胁，因为用户可能不小心部署了含有不可信eBPF程序的容器。

此外，eBPF在容器化环境中的风险还没有被完全理解。一些容器服务可能无意中授予了eBPF权限，例如为了实现文件系统挂载功能。现行的权限模型不足以防止容器中这些可能有害的eBPF功能被滥用。

CAP_BPF

在传统上，几乎所有的BPF行为都需要CAP_SYS_ADMIN权限，这同时也授予了广泛的系统访问权限。随着时间的推移，已经有努力将BPF权限与根权限分开。因此，像CAP_PERFMON和CAP_BPF这样的能力被引入，以便在不需要完整的系统管理员权限的情况下，对BPF操作进行更精细的控制，如读取内核内存和加载跟踪或网络程序。

然而，CAP_BPF的范围存在模糊性，导致了认知上的问题。不同于明确定义且用于加载内核模块的CAP_SYS_MODULE，CAP_BPF缺少命名空间约束，这意味着它可以访问所有的内核内存，而不仅仅是与容器相关的部分。这种广泛的访问权限是有问题的，因为BPF程序中的验证器错误可能导致内核崩溃，被视为安全漏洞，导致过多的CVE（常见漏洞和曝光）被记录，即使是那些已经修复的错误。这种对验证器错误的反应引发了不必要的警报和紧迫感，迫使人们修补可能尚未更新的旧内核版本。

此外，一些安全初创公司因利用人们对BPF能力的恐惧来推销产品而受到批评，他们矛盾地使用BPF本身来防御他们强调的问题。这导致了一个矛盾的叙述，其中BPF既被视为问题又被推崇为解决方案。

bpf命名空间

目前的安全模型要求具备 CAP_SYS_ADMIN 权限，以便迭代 BPF 对象 ID，并将其转换为文件描述符（FD）。这样做是为了防止非特权用户访问其他用户的BPF程序，但同时也限制了他们检查自己的BPF对象，这在容器环境中尤为挑战。

尽管用户可以使用CAP_BPF等特定权限运行BPF程序，但他们缺少一种通用的方法来检查这些程序，因为如bpftool这类工具需要CAP_SYS_ADMIN权限。目前在没有CAP_SYS_ADMIN的情况下的解决方法，包括使用SCM_RIGHTS和Unix域套接字在

进程间共享BPF对象的FD，但这被认为不够方便。

为解决这些限制，Yafang Shao提议引入BPF命名空间。这将允许用户在特定的命名空间内创建BPF映射、程序和链接，实现这些对象与其他命名空间用户的隔离。然而，在一个BPF命名空间内的对象对其父命名空间仍然可见，从而使系统管理员能够进行监督。

BPF命名空间在概念上与PID命名空间相似，设计上直观易用。最初的实现重点是BPF映射、程序和链接，未来计划将其扩展到其他BPF对象，如BTF和bpffs。这可能使容器用户能够只追踪自己容器内的进程，而不接触到其他容器的数据，从而在容器化环境中提高安全性和易用性。

参考资料：

无特权eBPF

无特权eBPF是指非root用户将eBPF程序加载到内核的能力。由于安全问题，这个特性在所有主要Linux发行版中默认是关闭的。安全担忧主要来自硬件漏洞（如Spectre）和内核漏洞，恶意eBPF程序可能利用这些漏洞泄露敏感数据或攻击系统。

为应对这一挑战，针对这些漏洞的各种版本（如v1、v2和v4）已经实施了缓解措施。然而，这些缓解措施常常以牺牲eBPF程序的灵活性和性能为代价。这种权衡使得该功能对许多用户和应用场景来说变得不具吸引力和实用性。

可信的非特权BPF

鉴于这些挑战，目前正在探索一种名为“可信的非特权BPF”的中间方案。这种方法涉及一个白名单系统，其中已经经过彻底审查并被认为是可信的特定eBPF程序可以由非特权用户加载。审查过程确保只有安全、适合生产环境的程序可以绕过特权要求，保持安全性与功能性之间的平衡。这是朝着在不妥协系统完整性的前提下，更广泛地使用eBPF的一步。

  • 宽松的LSM钩子：由于LSM增加了进一步的限制，因此被上游拒绝

    Linux安全模块（LSM）的新钩子专门为BPF子系统设计，旨在提供对BPF映射和BTF数据对象更细粒度的控制。这些是现代BPF应用程序的运作基础。

    主要添加了两个LSM钩子：bpf_map_create_security和bpf_btf_load_security，它们提供了覆盖依赖于CAP_BPF和CAP_NET_ADMIN等能力的默认权限检查的能力。这种新机制允许更精细的控制，使策略能够强制实施限制或为可信应用程序绕过检查，转移决策至自定义LSM策略实现。

    这种方法通过不要求应用程序具备与内核BPF子系统交互所需的BPF相关能力，实现了更安全的默认设置。相反，应用程序可以在没有这些权限的情况下运行，只有被审查并信任的情况才被授予操作权限，就像它们拥有提升的能力一样。

  • BPF令牌概念：特权守护进程通过令牌fd委托BPF的子集

    BPF令牌是一种新机制，允许特权守护进程将BPF功能的子集委托给可信的非特权应用程序。这一概念使得容器化的BPF应用程序能够在用户命名空间内安全运行，这在之前由于CAP_BPF能力的安全限制而无法实现。BPF令牌通过内核API创建和管理，并可以在BPF文件系统中固定，以实现控制访问。最新版本的补丁确保BPF令牌被限制在其在BPF文件系统中的创建实例中，以防止误用。这种添加到BPF子系统的功能促进了更安全、更灵活的无特权BPF操作。

  • BPF签名作为守门员：应用程序与BPF程序（没有一刀切的解决方案）

    Song Liu提出了一个补丁，通过一个新设备/dev/bpf允许无特权访问BPF功能。这个设备通过两个新的ioctl命令控制访问，允许对该设备具有写权限的用户调用sys_bpf()。这些命令切换当前任务调用sys_bpf()的能力，权限状态存储在task_struct中。这种权限也可以由任务创建的新线程继承。引入了一个新的辅助函数bpf_capable()来检查任务是否通过/dev/bpf获得了权限。该补丁包括对文档和头文件的更新。

  • RPC到特权BPF守护进程：根据用例/环境的限制

    RPC方法（例如bpfd）与BPF令牌概念类似，但它使用特权守护进程来管理BPF程序。这个守护进程负责加载和卸载BPF程序，以及管理BPF映射。守护进程还负责在加载前验证BPF程序。这种方法比BPF令牌概念更灵活，因为它允许更细致的控制BPF程序。然而，它也更复杂，带来了更多的维护挑战和单点故障的可能性。

参考资料：

一些其他的解决方案

这里还有一些关于如何提高eBPF安全性的研究或讨论。现有工作大致可分为三类：虚拟化、软件故障隔离（SFI）和形式方法。使用类似WebAssembly的沙箱部署eBPF程序或在用户空间运行eBPF程序也是一种可能的解决方案。

MOAT：实现安全的BPF内核扩展（隔离）

Linux内核广泛使用伯克利数据包过滤器（BPF），允许用户编写的BPF应用在内核空间中执行。BPF使用验证器来静态检查用户提供的BPF代码的安全性。最近的攻击表明，BPF程序可以绕过安全检查，获得对内核内存的未授权访问，这表明验证过程并非无懈可击。在本文中，我们介绍了MOAT，一个使用英特尔内存保护键（MPK）隔离潜在恶意BPF程序的系统。使用MPK强制执行BPF程序隔离并非易事；MOAT被精心设计以解决技术障碍，如硬件键数量有限和支持各种内核BPF辅助函数。我们已在原型内核模块中实现MOAT，评估结果表明，MOAT在多种真实场景下实现了BPF程序的低成本隔离，例如对memcached数据库的数据包转发BPF程序隔离，平均吞吐量损失为6%。

https://arxiv.org/abs/2301.13421

如果我们必须依赖硬件保护机制，那么语言安全性或验证是否仍然有必要来保护内核及其扩展？

利用动态沙箱释放无特权eBPF的潜力

出于安全原因，如今非特权用户只能有限地通过扩展伯克利数据包过滤器（eBPF）来自定义内核。这非常遗憾，尤其是考虑到近年来eBPF框架本身的范围不断扩大。我们提出SandBPF，一种基于软件的内核隔离技术，它通过动态地对eBPF程序进行沙箱化，允许非特权用户安全地扩展内核，释放eBPF的全部潜能。我们的早期概念验证表明，SandBPF可以有效地防止eBPF本机安全机制（即静态验证）遗漏的漏洞，同时在Web服务器基准测试中带来0%-10%的开销。

https://arxiv.org/abs/2308.01983

这可能与eBPF的原始设计相悖，因为它并非设计为依赖沙箱来确保安全。如果你想使用软件故障隔离，为什么不在内核中使用 webassembly？

内核扩展验证是不切实际的

经过验证的eBPF字节码的出现预示着安全内核扩展的新时代。在本文中，我们认为eBPF的验证器——其安全保证的来源——已成为一个负担。除了众所周知的错误和漏洞（源于内核验证器的复杂性和临时性质），我们还突出了一个令人担忧的趋势，即向不安全的内核函数引入逃逸通道（以辅助函数的形式），旨在绕过验证器对表达性的限制，不幸的是，也绕过了其安全保证。我们提出了使用静态和轻量级运行时技术平衡的安全内核扩展框架。我们描述了一个以安全Rust为中心的内核扩展设计，将消除内核验证器的需要，提高表达性，减少逃逸通道，并最终提高内核扩展的安全性。

https://sigops.org/s/conferences/hotos/2023/papers/jia.pdf

这可能限制内核只加载受信任第三方签名的 eBPF 程序，因为内核本身无法独立验证它们。Rust工具链也存在漏洞。

Wasm-bpf：WebAssembly eBPF库、工具链及运行时

Wasm-bpf是一种WebAssembly eBPF库、工具链和运行时，能够使eBPF程序几乎无需更改代码就能构建成Wasm，并在Wasm沙箱中实现跨平台运行。

它提供了一个可配置的环境，具有限制性的eBPF WASI行为，增强了安全性和控制力。这使得实现细粒度权限成为可能，限制了对内核资源的访问，提供了更安全的环境。例如，可以限制eBPF程序仅用于特定类型的用途，比如网络监控，并且还可以配置哪些类型的eBPF程序能在内核中加载，以及它们可以访问哪些类型的附加事件，而无需修改内核eBPF的权限模型。

将应用程序移植到WebAssembly需要额外的工作。此外，内核eBPF的Wasm接口也需要进行维护，就像BPF守护进程一样。

bpftime：用户空间eBPF运行时，用于uprobe、系统调用钩子及插件

bpftime 是一个用户空间eBPF运行时，它使现有的eBPF应用能够在非特权用户空间中运行，使用相同的库和工具链。它为eBPF提供了Uprobe和系统调用跟踪点，与内核uprobe相比有显著的性能提升，且不需要手动的代码插桩或进程重启。运行时促进了用户空间共享内存中的进程间eBPF映射，并与内核eBPF映射兼容，实现了与内核eBPF基础架构的无缝操作。它包括了针对各种架构的高性能LLVM JIT，以及专为x86设计的轻量级JIT和解释器。

它的应用仅限于特定类型的eBPF程序和用例，不是一种普遍适用的方法。

结论

在我们深入探讨eBPF安全性的多维领域时，很明显，虽然eBPF的验证器提供了坚实的首层防御，但当前访问控制模型中存在的内在限制需要引起关注。我们已经考虑了从虚拟化、软件故障隔离和形式化方法到WebAssembly 或用户空间 eBPF 运行时的各种潜在解决方案，每种方法都为加固eBPF抵抗漏洞提供了独特的途径。

然而，像所有复杂系统一样，新的问题和挑战持续出现。理论安全模型与其实际执行之间的差距呼吁着持续的研究和实验。eBPF安全的未来不仅前景光明，而且还需要集体努力，以确保该技术能够在保障系统安全的能力上被信赖地采纳。

我们是 github.com/eunomia-bpf 开源社区，希望能使eBPF更易使用，并探索与 eBPF 相关的工具链和运行时等技术。

对eBPF技术感兴趣的朋友，欢迎查看我们的教程代码仓库 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial 和我们的网站 https://eunomia.dev/tutorials/，以获取更多关于 eBPF 的相关资料和实践经验。原文地址：https://eunomia.dev/zh/blogs/ebpf-security

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