【重识云原生】第六章容器6.1.6节—— Docker核心技术Chroot

江中散人_Jun

发布于 2022-09-28 18:58:55

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发布于 2022-09-28 18:58:55

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1. 背景

1.1 什么是 chroot

chroot，即 change root directory (更改 root 目录)。在 linux 系统中，系统默认的目录结构都是以 /，即是以根 (root) 开始的。而在使用 chroot 之后，系统的目录结构将以指定的位置作为 / 位置。

1.2 为何使用 chroot

在经过 chroot 之后，系统读取到的目录和文件将不在是旧系统根下的而是新根下(即被指定的新的位置)的目录结构和文件，因此它带来的好处大致有以下3个：

1. 增加了系统的安全性，限制了用户的权力；

在经过 chroot 之后，在新根下将访问不到旧系统的根目录结构和文件，这样就增强了系统的安全性。这个一般是在登录 (login) 前使用 chroot，以此达到用户不能访问一些特定的文件。

2. 建立一个与原系统隔离的系统目录结构，方便用户的开发；

使用 chroot 后，系统读取的是新根下的目录和文件，这是一个与原系统根下文件不相关的目录结构。在这个新的环境中，可以用来测试软件的静态编译以及一些与系统不相关的独立开发。

3. 切换系统的根目录位置，引导 Linux 系统启动以及急救系统等。

chroot 的作用就是切换系统的根位置，而这个作用最为明显的是在系统初始引导磁盘的处理过程中使用，从初始 RAM 磁盘 (initrd) 切换系统的根位置并执行真正的 init。另外，当系统出现一些问题时，我们也可以使用 chroot 来切换到一个临时的系统。

1.3 chroot jail

以前，Unix/Linux上的daemon都是以root权限启动的。当时，这似乎是一件理所当然的事情，因为像Apache这样的服务器软件需要绑定到"众所周知"的端口上（小于1024）来监听HTTP请求，而root是惟一有这种权限的用户。

但是，随着攻击者活动的日益频繁，尤其是缓冲区溢出漏洞数量的激增，使服务器安全受到了更大的威胁。一旦某个网络服务存在漏洞，攻击者就能够访问并控制整个系统。因此，为了减缓这种攻击所带来的负面影响，现在服务器软件通常设计为以root权限启动，然后服务器进程自行放弃root，再以某个低权限的系统账号来运行进程。这种方式的好处在于一旦该服务被攻击者利用漏洞入侵，由于进程权限很低，攻击者得到的访问权限又是基于这个较低权限的，对系统造成的危害比以前减轻了许多。

有些攻击者会试图找到系统其它的漏洞来提升权限，直至达到root。由于本地安全性远低于远程安全保护，因此攻击者很有可能在系统中找到可以提升权限的东西。即使没有找到本地漏洞，攻击者也可能会造成其它损害，如删除文件、涂改主页等。

为了进一步提高系统安全性，Linux内核引入了chroot机制。chroot是内核中的一个系统调用，软件可以通过调用库函数chroot，来更改某个进程所能见到的根目录。比如，Apache软件安装在/usr/local/httpd/目录下，以root用户（或具有相同权限的其它账号）启动Apache，这个root权限的父进程会派生数个以nobody权限运行的子进程，具体情况取决于个人设置。父进程监听请求自80端口的tcp数据流，然后根据内部算法将这个请求分配给某个子进程来处理。这时Apache子进程所处的目录继承自父进程，即/usr/local/httpd/。

但是，一旦目录权限设定失误，被攻击的Apache子进程可以访问/usr/local、/usr、/tmp，甚至整个文件系统，因为Apache 进程所处的根目录仍是整个文件系统的根。如果能够利用chroot将Apache限制在/usr/local/httpd/，那么，Apache所能存取的文件都是/usr/local/httpd/下的文件或其子目录下的文件。创建chroot"监牢"的作用就是将进程权限限制在文件系统目录树中的某一子树中。

将软件chroot化的一个问题是该软件运行时需要的所有程序、配置文件和库文件都必须事先安装到chroot目录中，通常称这个目录为 chroot jail（chroot"监牢"）。如果要在"监牢"中运行/sbin/httpd，而事实上根本看不到文件系统中那个真正的/sbin目录。因此需要事先创建/sbin目录，并将httpd复制到其中。

从http://www.jmcresearch.com/static/dwn/projects/jail/jail.tar.gz可以下载到jail的最新版本，它是由位于JMC Research - Juan M. Casillas Web Site的jail chroot项目小组开发的。该软件包包含了帮助自动创建chroot"监牢"的C程序、Perl程序和Bash脚本。

1.4 chroot 的使用

为了更好的理解 chroot 发挥的作用，我们将尝试指定一个特定的位置进行根目录切换。但是由于在经过 chroot 之后，系统读取到的 bin/ 等与系统相关目录将不再是旧系统根目录下的，而是切换后新根下的目录结构和文件，因此我们有必要准备一些目录结构以及必要的文件。

1.4.1 清单 1. 准备切换的目录结构

$ pwd

/home/wstone/Build/work

$ tree

.

.|-- bin

| |-- ash -> busybox

| |-- bash

| `-- busybox

|-- etc`-- newhome

这里使用了静态编译后的 busybox 来提供必要的命令，使用静态编译仅是为了避免动态库文件的拷贝。当然我们也可以拷贝旧系统的下的命令到新的目录结构中使用，但是那些命令通常是动态编译的，这就意味着我们不得不拷贝相关的动态库文件到相应的目录结构中。同时这里的 bash 也非真正的 Bourne Again shell，而是一个执行 ash 的 shell 脚本。在清单 2中，展示了位于旧系统中的 chroot 命令的使用。需要注意的是在使用 chroot 时，要求拥有相关的操作权限。

1.4.2 清单 2. 位于系统中的 chroot 的使用

$ pwd

/home/wstone/Build/work

# chroot .

# pwd

/

# ls

ash: ls: not found

# busybox ls

bin   etc   newhome

3 directories, 3 files

我们可以看到当前路径(/home/wstone/Build/work/)，在经过 chroot 后转变成了 / 目录，同时从新根下读取了与系统相关的目录结构。使用 ls 命令失败是由于我们创建的测试目录结构中并没有包含命令 ls，但是我们成功的使用了 busybox 中的 ls。以上看到的只是 chroot 的一种使用方式，其实标准的 chroot (Coreutils - GNU core utilities 提供的 chroot)使用方式有2种：

1.4.3 清单 3. 标准 chroot 的2种使用方式

[1] chroot NEWROOT [COMMAND...]

[2] chroot OPTION

刚才我们使用的是方式2。这将在没有给定环境时，默认执行 /bin/sh，但是当给定环境后，将运行 ${SHELL} –i，即与环境相同的可交互的 shell。我们的目录结构中并没有包含sh，显然清单 2中的 chroot 运行了${SHELL} –i。当然我们也可以在进行切换时指定需要的命令，即使用方式1。

1.4.4 清单 4. chroot 另一种方式的使用

chroot . /bin/ash

在清单 4 中，尝试了在经过 chroot 后，执行新目录结构下的 ash shell。不得不说的是，如果新根下的目录结构和文件准备的够充分，那么一个新的简单的 Linux 系统就可以使用了。其实更为常见的是在初始 RAM 磁盘 (initrd)中使用 chroot，以此来执行系统的 init。清单 5 中，展示的是在 Linux 2.4 内核 initrd 中使用 chroot。

1.4.5 清单 5. 在 Linux 2.4 内核 initrd 中使用 chroot 的示例

mount /dev/hda1 /new-root

cd /new-root

pivot_root . old-root

exec chroot . /sbin/init <dev/console >dev/console 2>&1

umount /old-root

由于 Linux 内核的升级，initrd 处理机制和格式发生了变化，在 Linux 2.6 内核 initrd 中不能再使用 pivot_root，因此一般也不再使用 chroot，而是选择使用 busybox 提供的 switch_root 或者 klibc 提供的 run-init 进行根目录的切换。(这并不是说不能在 Linux 2.6内核 initrd 中使用 chroot，选择 switch_root 或 run-init 仅是出于习惯和方便的考虑。)但是实质上，它们仅是将 chroot 的功能进行了封装，以此更加方便简单的切换根目录。

1.4.6 清单 6. 在 Linux 2.6 内核 initrd 中 chroot 的使用

[1] find -xdev / -exec rm '{}' ';

[2] cd /newmount; mount --move . /; chroot .

switch_root 和 run-init 完成了类似清单 6中的功能，删除 rootfs 的全部内容以释放空间，以及挂载新的根文件系统并进行切换。在 busybox 和 klibc中也有提供 chroot 命令，只是功能上与 Coreutils (GNU core utilities) 包含的 chroot 有稍许差异。