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无恒实验室|深入分析SEAndroid中的安全风险与关闭姿势

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一、背景

SEAndroid是Google在Android系统上应用的一套以SELinux为基础核心的系统安全机制(下统称SElinux)。其最早发布于Android 4.3， 经过多年的发展， 目前已经成为了Android用户态安全的重要保障。

无恒实验室在近期的安全研究中，对于SELinux的攻击面和攻击方法有一些研究成果，特此分享给大家，希望与业内进行学习交流。

SELinux（Security-Enhanced Linux） 是美国国家安全局（NSA）主导开发的Linux内核安全模块，为内核提供了强制访问控制（MAC），项目于2000年发布到开源社区，并于2003年集成到上游 Linux 内核中。「所以说优秀的安全机制就是公开所有细节，依旧可以让攻击者束手无策 :)」

Linux默认的访问控制策略是 自主访问控制（DAC，可以通过下面两张图来直观了解一下DAC与MAC的区别：


（图片源自 https://blog.csdn.net/headwind_/article/details/119704755）

在DAC 中，对象的拥有者可以任意修改或授予此对象相应的权限，且进程理论上所拥有的权限与执行它的用户的权限相同； 这导致如果一个以root权限运行的进程被攻破， 攻击者就可以借此在系统中畅行无阻。

而在MAC 中， 为所有进程和文件都设置了安全上下文， 当用户执行某项操作时， 除了要通过DAC 的检查， 还需要符合MAC中制定的规则； 因此即便是root进程，其权限也会被限制在特定范围内，这虽然不能完全防御攻击，但可以将损失降到最低。

 

二、SElinux的实现

SElinux的实现依赖于Linux内核的安全模块框架（LSM），当内核对用户态访问做处理时，LPM会在 DAC检查之后预留钩子函数，SElinux就是通过此接口来实现MAC；因此Android平台权限是DAC+MAC，即两个权限管理独立存在，操作行为必须同时通过两种机制的检验才会被允许。


（https://www.kernel.org/doc/ols/2002/ols2002-pages-604-617.pdf）

 

三、基本元素

3.1 标签

SElinux是一个基于标签的系统，所有的进程，文件，socket等都有标签。标签是一个四元组字符串user:role:type:level，其中我们主要关注的是type。

在 Android系统中，所有对象大致可以分为两类：

  • 一种是死的（文件、端口、系统属性等被调用对象），例如：u:object_r:proc:s0
  • 一种是活的（进程、App等调用资源的对象），例如：u:r:vendor_init:s0

查看标签的方法就是在常用命令后面加上-Z，如下：

进程 ps -ZA
u:r:vendor_init:s0 root 545 1 6728    2376   poll_sche+ 0 S init
u:r:zygote:s0      root 678 1 4308756 142888 poll_sche+ 0 S zygote64

文件 ls -lZ
drwxr-x---  2 root shell u:object_r:rootfs:s0      4096 2009-01-01 00:00 sbin
drwxr-xr-x 18 root root  u:object_r:vendor_file:s0 4096 2009-01-01 00:00 vendor

属性 getprop -Z 
[DEVICE_PROVISIONED]: [u:object_r:default_prop:s0]
[aaudio.hw_burst_min_usec]: [u:object_r:exported_default_prop:s0]

3.2 规则

有了标签之后，还需要编写规则 来限制标签， 根据SELinux规范，完整的规则相关的语句格式为：rule_name source_type target_type:class perm_set

  • rule_name 规则名
    • allow ： 允许主体对客体进行操作
    • neverallow ：拒绝主体对客体进行操作
    • dontaudit ： 表示不记录某条违反规则的决策信息
    • auditallow ：记录某项决策信息，通常 SElinux 只记录失败的信息，应用这条规则后会记录成功的决策信息
  • source_type 主体
    • Domain：一个进程或一组进程的标签。也称为域类型
  • target_type 客体
    • Type：一个对象（例如，文件、套接字）或一组对象的标签
  • class 类别
    • 要访问的对象的类型，例如文件、套接字等
    • 在system/sepolicy/private/security_classes中被定义
  • perm_set 动作集
    • 要执行的操作，例如读取、写入等
    • 在system/sepolicy/private/access_vectors中被定义

下面结合例子说明一下：

# 允许user域中的进程 读取 script标签中的file类型文件
allow user script:file {read};

# 不允许user域中的进程 写入 script标签中的file类型文件
neverallow user script:file {write};

3.3 配置文件

SElinux编译后的标签和规则等文件会保存在每个分区的etc/selinux目录下：

$ls -l system/etc/selinux
drwxrwxr-x 2 root root    4096 12月  9 15:53 mapping/
-rw-rw-r-- 1 root root   40561 12月 10 15:56 plat_file_contexts
-rw-rw-r-- 1 root root    8614 12月 10 15:56 plat_hwservice_contexts
-rw-rw-r-- 1 root root    7243 12月  9 15:53 plat_mac_permissions.xml
-rw-rw-r-- 1 root root   48646 12月 10 15:56 plat_property_contexts
-rw-rw-r-- 1 root root    1905 12月 10 15:56 plat_seapp_contexts
-rw-rw-r-- 1 root root      65 12月 10 15:55 plat_sepolicy_and_mapping.sha256
-rw-rw-r-- 1 root root 1623615 12月 10 15:55 plat_sepolicy.cil
-rw-rw-r-- 1 root root   19798 12月 10 15:56 plat_service_contexts
-rw-rw-r-- 1 root root  818418 12月 10 15:55 sepolicy_neverallows

其中 plat_sepolicy.cil中记录的是SElinux规则， plat_sepolicy_and_mapping.sha256为校验文件， 其余的文件中记录的都是标签数据。

 

四、SEAndroid安全风险

SElinux通过最大限度地限制系统中服务进程可访问的资源，以达到收敛攻击面，减小损失的目的；但其也不是万能的，开发遗留的调试接口、内核漏洞、错误的策略配置等问题都可能导致攻击者绕过SELinux的限制攻击系统。

4.1 自定义后门

所谓“敌在本能寺”， 有些厂商在开发时为了方便调试， 会预留关闭SElinux的后门接口， 如果这类后门在正式发布前没有删除， 就有可能被攻击者利用来关闭SElinux。

4.2 内核漏洞

SElinux主要限制用户态的操作，如果攻击者通过内核漏洞获得任意地址读写的能力，就可以通过覆写全局变量selinux_enforcing的方式将SElinux关闭。
为此，三星使用自研的RKP(Real-time Kernel Protection)机制，将敏感的全局变量放置在受保护的kdp_ro节 ，一定程度上缓解了此类攻击。

4.3 策略过于宽泛

SELinux中同样存在人引入的问题，如果将敏感服务 开放给普通用户，或者对System APP、Property的权限划分不细致，就会导致受到攻击时的影响范围被扩大。

4.4 服务功能与SElinux策略不对齐

在Android系统中有些区域需要频繁的写入各类数据，如 /data/local/tmp、/sdcard等，因此SElinux不会对这些位置做严格的限制， 普通用户权限就可以读写其中的数据。
原则上这些目录是不可以存放敏感数据的，如果研发人员将一些重要文件保存在这些目录下（如配置文件、隐私信息、升级固件等），就会存在被攻击者窃取篡改的风险。

 

五、SEAndroid关闭方式

上面介绍的都是在运行时绕过SElinux的方式，但在日常工作中还存在这样一种场景，我们需要在一台已解锁的Android设备上获取Root权限来进行测试；目前高版本Android 上有一些优秀的Root工具，例如Magisk、KernelSU等，但使用自动化工具终究是无法了解底层原理， 如果要手动ROOT设备，关闭SElinux就是十分关键的一步， 下面来介绍几种手动关闭SElinux的方法。

5.1 Patch Boot

下载Android设备对应的全量Rom包，解开Boot分区后可以发现其布局如下

header # 内核运行参数 & 其他信息
kernel # Linux 内核
ramdisk.cpio # boot分区

header 的结构如下， 其中cmdline 会传递给内核作为启动参数， 因此我们可以通过修改cmdline的方式，传入关闭SElinux的命令enforcing=0 androidboot.selinux=permissive。

cmdline=
os_version=12.0.0
os_patch_level=2021-12

不过在高版本Android系统中，很多厂商不再解析cmdline，通用性较差。

5.2 Patch Init

init是Linux Kernel启动后运行的第一个用户态进程，其功能主要是完成初始化、解析执行init.rc 中定义的各种服务， 过程主要分为四个步骤：
FirstStateMain->SetupSelinux->SecondStageMain->ueventd_main

其中SetupSelinux阶段的关键函数如下：

  • · LoadSelinuxPolicy：加载sepolicy策略
  • · selinux_android_restorecon：重载sepolicy策略
  • · SelinuxSetEnforcement：设置SElinux开关

显然关键在于SelinuxSetEnforcement函数，其内部实现如下。

void SelinuxSetEnforcement() {
    bool kernel_enforcing = (security_getenforce() == 1);
    bool is_enforcing = IsEnforcing();
    if (kernel_enforcing != is_enforcing) {
        if (security_setenforce(is_enforcing)) {
            PLOG(FATAL) << "security_setenforce(" << (is_enforcing ? "true" : "false")
                        << ") failed";
        }
    }

    if (auto result = WriteFile("/sys/fs/selinux/checkreqprot", "0"); !result.ok()) {
        LOG(FATAL) << "Unable to write to /sys/fs/selinux/checkreqprot: " << result.error();
    }
}

bool IsEnforcing() {
    if (ALLOW_PERMISSIVE_SELINUX) {
        return StatusFromProperty() == SELINUX_ENFORCING;
    }
    return true;
}

这里只需要Patch IsEnforcing 使其永远返回False即可在init阶段关闭Selinux。

5.3 重编译Kernel

依据GPL 协议，厂商会开源修改的Linux Kernel，因此可以通过重编译内核的方式， 在编译时关闭SElinux。
具体方式为在内核配置文件.config中设置 CONFIG_SECURITY_SELINUX=n。

5.4 Patch Kernel

如果厂商未开源内核，或者开源不彻底无法正常编译，也可以通过Patch的方式绕过SElinux。

这里以文件打开操作 open为例，梳理SElinux的相关调用链


（图片源自 https://blog.csdn.net/bruk_spp/article/details/107283935）

当用户空间调用open 打开文件时，会触发系统调用 do_dentry_open ，接着调用Linux LSM公共接口security_file_open ，之后会走到SElinux处理open操作的函数selinux_file_open， 下一步SElinux会调用avc公共函数 来实现权限检查和日志审计功能，如果发现操作越权，则会调用avc_denied来阻止该行为。
因此我们只需要将阻止操作的相关逻辑 Patch掉，就能够变相关闭 SElinux。

 

六、总结

总的来说，SElinux的引入极大的降低了针对用户态攻击所造成的损失, 即便通过漏洞获取了Root权限, 也会被限制在影响相对小的范围内。近年来，随着众多软硬件防护机制的引入，Android的安全性有了显著的提升；通过优秀的，可公开的安全机制来收敛攻击面，提升安全水位，这也是我们国产操作系统学习的榜样和努力实现的目标。

 

七、关于无恒实验室

无恒实验室是由字节跳动资深安全研究人员组成的专业攻防实验室，致力于为字节跳动旗下产品与业务保驾护航。通过漏洞挖掘、实战演练、黑产打击、应急响应等手段，不断提升公司基础安全、业务安全水位。无恒实验室亦极为重视开源软件与系统对业务安全的影响，在检测公司引入的开源框架和系统的同时，无恒实验室也着力于构建第三方框架和组件的漏洞缓解机制，并将持续与业界共享研究成果，协助企业业务避免遭受安全风险，亦望能与业内同行共同合作，为网络安全行业的发展做出贡献。

参考：

  • https://source.android.com/security/selinux

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