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Compartimentação de Processos em Sistemas UNIX e Mainframe: Fundamentos, Modelo de Ameaças e Avaliação Experimental de “Containers” Lógicos em 1987
A crescente interconectividade entre sistemas UNIX, mainframes IBM VM/370 e redes baseadas em TCP/IP durante a década de 1980 ampliou significativamente a superfície de ataque das infraestruturas computacionais acadêmicas, militares e corporativas. Nesse contexto, mecanismos de isolamento lógico de processos – aqui denominados “containers” – emergem como abordagem operacional para limitar impacto de falhas, abusos de privilégios e propagação lateral. Diferentemente da virtualização completa, como implementada no VM/370, os containers de 1987 são construídos por meio de técnicas já disponíveis: `chroot()`, controle de permissões POSIX, segmentação de memória, quotas de disco, separação de UIDs/GIDs, shells restritos e particionamento lógico em sistemas de time-sharing. Este trabalho formaliza o conceito de container como domínio de execução restrito com fronteiras explícitas de recursos e privilégios, apresenta modelo de ameaças alinhado à realidade de redes ARPANET e Ethernet, e propõe metodologia prática de implementação em UNIX BSD 4.2/4.3. São descritas técnicas de endurecimento, logging e auditoria com `syslog`, além de experimentos comparativos de desempenho e contenção de incidentes. A avaliação empírica demonstra que a compartimentação reduz em até 72% a probabilidade de escalonamento lateral após comprometimento inicial, com impacto médio inferior a 8% no throughput de CPU em cargas interativas. Um estudo de caso em ambiente universitário ilustra a contenção de exploração baseada em overflow de buffer clássico e abuso de setuid. Conclui-se que containers lógicos representam alternativa economicamente viável à virtualização completa, especialmente em ambientes multiusuário UNIX, fornecendo isolamento pragmático compatível com a infraestrutura disponível em 1987.
- Introduction
A década de 1980 testemunhou a consolidação do UNIX como plataforma dominante em ambientes acadêmicos e de pesquisa, bem como a disseminação de redes TCP/IP derivadas da ARPANET. Sistemas anteriormente isolados passaram a operar interconectados, ampliando a superfície de ataque e introduzindo vetores de exploração remota, abuso de privilégios locais e movimentação lateral entre contas de usuários.
Em ambientes de time-sharing, múltiplos usuários compartilham CPU, memória e sistema de arquivos. A segurança tradicional baseia-se em permissões de arquivos, separação de UID/GID e mecanismos de autenticação por senha. Contudo, falhas de programação — como estouros de buffer em programas escritos em C — podem resultar em execução arbitrária de código com privilégios elevados. Uma vez obtido acesso privilegiado, o invasor frequentemente consegue examinar todo o sistema de arquivos, instalar backdoors e comprometer outras contas.
Nesse cenário, torna-se imperativo estabelecer mecanismos de compartimentação operacional, capazes de limitar o escopo de danos mesmo após comprometimento inicial. Inspirando-se na virtualização completa implementada no IBM VM/370 (GOLDBERG, 1974) e na arquitetura de anéis de proteção do Multics (SALTZER; SCHROEDER, 1975), este trabalho introduz o conceito de “container lógico” como domínio de execução isolado dentro de um único kernel UNIX.
Diferentemente de máquinas virtuais completas, containers lógicos não duplicam o sistema operacional. Eles utilizam recursos já disponíveis no UNIX: a chamada de sistema chroot(), controle de permissões, quotas, shells restritos e segregação de processos por UID. Tal abordagem reduz custo computacional e complexidade operacional, mantendo compatibilidade com hardware VAX, PDP-11 e estações Sun.
Este artigo apresenta uma formalização matemática do modelo de contenção, define ameaça realista para redes de 1987 e demonstra experimentalmente a eficácia da abordagem. O objetivo é oferecer método reproduzível e operacionalmente viável para ambientes acadêmicos, militares e corporativos.
- Background and Related Work
A ideia de isolamento computacional antecede o UNIX. O sistema Multics introduziu proteção por anéis e segmentação de memória (SALTZER; SCHROEDER, 1975). O IBM VM/370 permitiu múltiplas máquinas virtuais executando sistemas operacionais independentes (MADNICK; DONOVAN, 1973). Contudo, tais soluções exigem suporte específico de hardware e elevado overhead.
No contexto UNIX, a chamada chroot() foi introduzida no Version 7 UNIX (1979), permitindo redefinir o diretório raiz percebido por um processo. Embora originalmente concebida para testes e manutenção, sua aplicação como mecanismo de isolamento é natural.
O modelo de segurança UNIX baseia-se em três princípios:
| Mecanismo | Descrição | Limitação |
|---|---|---|
| UID/GID | Identificação de usuário e grupo | Escalonamento via setuid |
| Permissões rwx | Controle de leitura, escrita e execução | Não isola namespace global |
| Setuid bit | Execução com privilégios do proprietário | Vetor comum de exploração |
A literatura de segurança da época enfatiza princípios como “least privilege” e “fail-safe defaults” (SALTZER; SCHROEDER, 1975). Contudo, sua aplicação prática em ambientes multiusuário ainda é limitada.
Em redes TCP/IP, protocolos como Telnet e FTP transmitem credenciais em texto claro (POSTEL, 1985), ampliando risco de captura de senhas via sniffing Ethernet (METCALFE; BOGGS, 1976). Assim, contenção pós-comprometimento torna-se crítica.
- Threat Model and Problem Formalization
Consideramos adversário com as seguintes capacidades:
- Acesso remoto via Telnet ou rsh.
- Capacidade de explorar vulnerabilidade de software (ex.: overflow).
- Conhecimento do sistema UNIX.
Formalizamos o sistema como conjunto $S = {P, F, R}$ onde:
- $P$ = conjunto de processos
- $F$ = sistema de arquivos
- $R$ = recursos (CPU, memória, rede)
Definimos container $C_i$ como subconjunto:
$$ C_i = { P_i, F_i, R_i } $$
tal que:
$$ P_i \cap P_j = \emptyset \quad \text{para } i \neq j $$
e acesso a $F_j$ é proibido para $P_i$ se $i \neq j$.
Probabilidade de comprometimento total sem contenção:
$$ P(T) = P(E) \cdot P(L) $$
onde $P(E)$ é probabilidade de exploração inicial e $P(L)$ probabilidade de movimentação lateral.
Com containers:
$$ P(T_c) = P(E) \cdot P(L_c) $$
com $P(L_c) < P(L)$.
- Proposed Methodology
A metodologia envolve cinco camadas:
- Isolamento de Sistema de Arquivos via
chroot() - Separação de UID dedicados
- Remoção de binários privilegiados
- Shell restrito (
/bin/rsh) - Auditoria com syslog
Estrutura de diretórios
/containers/
aluno1/
bin/
lib/
etc/
tmp/
Configuração de chroot
include <unistd.h>
int main() {
chroot("/containers/aluno1");
chdir("/");
setuid(1001);
execl("/bin/sh", "sh", NULL);
}
Configuração de syslog
.notice /var/log/containers.log
auth. /var/log/auth.log
- Implementation
Implementação realizada em BSD 4.3 em VAX-11/780. Foram criados 20 containers independentes. Cada container possui bibliotecas mínimas copiadas manualmente.
| Recurso | Sistema Base | Container |
|---|---|---|
| CPU | Compartilhada | Compartilhada |
| Sistema de arquivos | Global | Subárvore isolada |
| UID root | Global | Removido |
Quotas de disco:
edquota -u aluno1
- Experimental Evaluation
Ambiente: 32 usuários simultâneos, carga interativa.
Desempenho
| Métrica | Sem Container | Com Container | Diferença |
|---|---|---|---|
| Tempo médio resposta (ms) | 120 | 128 | +6.7% |
| Throughput processos/h | 540 | 505 | -6.5% |
| Uso CPU (%) | 78 | 83 | +6.4% |
Contenção de Incidentes
| Cenário | Escalonamento sem Container | Escalonamento com Container |
|---|---|---|
| Overflow setuid | Total | Parcial (isolado) |
| Shell remoto | Total | Restrito ao container |
| Abuso de /tmp | Global | Limitado |
Redução média de impacto lateral: 72%.
- Case Study
Em laboratório universitário, exploit de overflow em utilitário local permitiu execução como root. Em sistema tradicional, atacante acessou /etc/passwd e instalou backdoor.
Com container:
/etc/passwdglobal inacessível- root interno não mapeado para root real
- logs registraram tentativa
Impacto restrito ao diretório isolado.
- Discussion
Containers lógicos não substituem virtualização completa. Contudo, oferecem equilíbrio entre segurança e desempenho. Sua eficácia depende de disciplina administrativa.
Limitações:
- root real pode escapar do
chroot() - compartilhamento de kernel mantém risco sistêmico
- bibliotecas precisam manutenção manual
Comparação:
| Critério | VM/370 | Container UNIX |
|---|---|---|
| Isolamento Kernel | Completo | Parcial |
| Overhead | Alto | Baixo |
| Custo Hardware | Elevado | Mínimo |
- Conclusion and Future Work
Demonstramos que containers lógicos baseados em chroot() e segregação de privilégios oferecem contenção eficaz em ambientes UNIX de 1987. A abordagem reduz movimentação lateral com impacto moderado de desempenho.
Trabalhos futuros incluem:
- Automatização de criação de ambientes
- Auditoria mais detalhada de chamadas de sistema
- Integração com criptografia de rede (DES)
- References
DENNING, D. E. Cryptography and Data Security. Addison-Wesley, 1982. Disponível em: https://archive.org/details/cryptographydata00denn
GOLDBERG, R. P. Survey of Virtual Machine Research. Computer, 1974. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1671885
MADNICK, S.; DONOVAN, J. Application and Analysis of the Virtual Machine Approach. MIT Press, 1973. Disponível em: https://mitpress.mit.edu
SALTZER, J.; SCHROEDER, M. The Protection of Information in Computer Systems. Proceedings of the IEEE, 1975. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1451869
POSTEL, J. RFC 854: Telnet Protocol Specification. 1983. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc854
POSTEL, J. RFC 959: File Transfer Protocol. 1985. Disponível em: https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc959
METCALFE, R.; BOGGS, D. Ethernet: Distributed Packet Switching. Communications of the ACM, 1976. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.1145/360248.360253
DENNING, D. An Intrusion-Detection Model. 1987. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1702202
MORRIS, J.; THOMPSON, K. Password Security. CACM, 1979. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.1145/359168.359172
RITCHIE, D.; THOMPSON, K. The UNIX Time-Sharing System. 1974. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.1145/361011.361061
(Referências adicionais seguem mesmo padrão histórico até 1987.)