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Compartimentação de Processos em Sistemas UNIX e VM/370: Fundamentos, Modelagem de Ameaças e Avaliação Experimental de “Containers” Lógicos em 1989
A crescente interconexão de sistemas computacionais por meio de redes locais Ethernet e da ARPANET ampliou significativamente a superfície de ataque de ambientes UNIX, VAX/VMS e IBM VM/370 ao longo da década de 1980. Embora o termo “container” ainda não seja formalmente empregado na literatura técnica corrente, o conceito de encapsulamento lógico de processos, restrição de espaço de nomes e isolamento de recursos já se encontra materializado em mecanismos como `chroot` no UNIX, máquinas virtuais no VM/370, domínios de proteção no MULTICS e controles mandatórios definidos pelo Orange Book (TCSEC). Este trabalho propõe uma formalização conceitual de “containers lógicos” como instâncias de execução isoladas no nível do sistema operacional, com foco na segurança ofensiva e defensiva. Desenvolvemos um modelo de ameaça específico para ambientes multiusuário conectados em rede TCP/IP, analisando vetores como escalonamento de privilégios, fuga de jaulas (`chroot escape`), exploração de `setuid` e abuso de serviços como `sendmail` e `rsh`. Apresentamos uma metodologia de endurecimento baseada em compartimentação mínima, redução de superfície de sistema de arquivos, segregação de contas e monitoramento por auditoria. A implementação prática é demonstrada em UNIX 4.3BSD e System V, além de análise comparativa com VM/370. A avaliação experimental inclui medições de overhead de CPU, uso de memória e latência de E/S, bem como testes de penetração controlados. Um estudo de caso realista ilustra a contenção de um incidente envolvendo exploração de buffer overflow em serviço de rede. Concluímos que a compartimentação lógica, ainda que limitada pelas capacidades do kernel de 1989, constitui uma estratégia eficaz de mitigação, desde que combinada com controles mandatórios, auditoria e disciplina operacional rigorosa.
- Introduction
A consolidação de redes TCP/IP ao longo da década de 1980 transformou radicalmente o panorama de segurança computacional. Sistemas UNIX 4BSD, System V, VAX/VMS e IBM VM/370 passaram a operar em ambientes interconectados, expondo serviços como telnet, ftp, rsh, smtp e finger a redes potencialmente hostis. Incidentes como o Worm de Morris, ocorrido em 1988, demonstraram a viabilidade prática de exploração automatizada de vulnerabilidades em larga escala (SPAFFORD, 1989).
Nesse contexto, o princípio de compartimentação emerge como pilar central da defesa. Conceitos estabelecidos no MULTICS, como domínios de proteção e segmentação hierárquica (SALTZER; SCHROEDER, 1975), bem como os requisitos de sistemas confiáveis descritos no Orange Book (DOD, 1985), fornecem arcabouço teórico para isolamento entre processos e usuários. Entretanto, a implementação prática em UNIX tradicional permanece limitada a mecanismos como permissões de arquivo, bits setuid/setgid, listas de controle de acesso rudimentares e a chamada de sistema chroot.
O objetivo deste trabalho é sistematizar o conceito de “containers” sob a perspectiva de 1989, definindo-os como ambientes de execução isolados no espaço de nomes de sistema de arquivos e recursos, implementados por mecanismos nativos do sistema operacional ou por virtualização de máquina completa (VM/370). Não se trata de virtualização leve no sentido contemporâneo, mas de encapsulamento lógico destinado a reduzir impacto de comprometimentos.
A motivação operacional é clara: em ambientes acadêmicos, militares e corporativos, múltiplos usuários compartilham o mesmo hardware. A exploração de uma vulnerabilidade em um serviço privilegiado pode resultar em comprometimento total. A pergunta central é: como limitar o alcance de um invasor após a obtenção de execução de código em um processo restrito?
Este artigo propõe:
- Um modelo formal de container lógico.
- Um modelo de ameaça específico para UNIX conectado em rede.
- Uma metodologia de implementação com ferramentas existentes em 1989.
- Avaliação experimental quantitativa.
A relevância prática é imediata, especialmente para administradores responsáveis por sistemas críticos conectados à ARPANET ou redes corporativas emergentes.
- Background and Related Work
O conceito de isolamento não é novo. O MULTICS introduziu segmentação e anéis de proteção, permitindo execução controlada com verificação de privilégios em hardware (SALTZER; SCHROEDER, 1975). O IBM VM/370, por sua vez, implementou virtualização completa, oferecendo máquinas virtuais isoladas para cada usuário (CREASY, 1981).
2.1 Princípios Fundamentais
Saltzer e Schroeder (1975) definem princípios como:
- Privilégio mínimo
- Separação de privilégios
- Mecanismo econômico
- Isolamento completo
O Orange Book (DOD, 1985) formaliza requisitos de segurança mandatória, categorizando sistemas de D a A1. Em especial, classes B e A exigem mecanismos de isolamento robustos.
2.2 UNIX e chroot
Introduzido no final da década de 1970, chroot altera o diretório raiz percebido por um processo. Formalmente, se $R$ é o diretório raiz global e $R’$ o novo diretório raiz após chroot, então o espaço de nomes acessível é:
$$ \mathcal{F}_{proc} = { f \in \mathcal{F} \mid f \subseteq R’ } $$
Essa restrição, entretanto, não altera privilégios do processo. Se executado como root, o processo ainda pode manipular dispositivos ou efetuar chamadas privilegiadas.
2.3 Virtualização Completa: VM/370
O VM/370 implementa isolamento por hardware, criando instâncias virtuais com seus próprios sistemas operacionais convidados. A superfície de ataque reduz-se à interface do monitor de máquina virtual.
| Característica | UNIX + chroot | VM/370 |
|---|---|---|
| Isolamento FS | Parcial | Completo |
| Isolamento CPU | Compartilhado | Virtualizado |
| Isolamento Kernel | Não | Sim |
| Overhead | Baixo | Moderado |
2.4 Incidentes Relevantes
O Worm de Morris explorou vulnerabilidades em sendmail e fingerd (SPAFFORD, 1989). A ausência de compartimentação permitiu escalonamento rápido após execução inicial.
- Threat Model and Problem Formalization
Definimos o sistema como conjunto $(U, P, F, N)$ onde:
- $U$ = usuários
- $P$ = processos
- $F$ = sistema de arquivos
- $N$ = recursos de rede
O adversário $A$ possui capacidade de:
- Executar código arbitrário como usuário não privilegiado.
- Explorar falhas de validação de entrada.
- Tentar escalonamento para
root.
O objetivo defensivo é minimizar:
$$ Impacto = \sum_{r \in R_{comp}} Valor® $$
onde $R_{comp}$ é o conjunto de recursos comprometidos.
Vetores de Ataque
| Vetor | Descrição | Impacto |
|---|---|---|
| Buffer overflow | Escrita além do limite | Execução arbitrária |
| Abuso de setuid | Execução com privilégios elevados | Escalonamento |
| Escape de chroot | Acesso fora do diretório restrito | Comprometimento total |
| Manipulação de dispositivos | Escrita em /dev/kmem |
Controle do kernel |
- Proposed Methodology
A metodologia baseia-se em quatro pilares:
- Redução de Superfície
- Isolamento de Sistema de Arquivos
- Minimização de Privilégios
- Auditoria Contínua
4.1 Estrutura de Container Lógico
Criar árvore mínima:
/containers/ftp/
├── bin/
├── etc/
├── lib/
└── dev/
Copiar apenas binários necessários e bibliotecas.
4.2 Configuração com chroot
mkdir -p /containers/ftp/{bin,etc,lib,dev}
cp /bin/sh /containers/ftp/bin/
mknod /containers/ftp/dev/null c 1 3
chown -R root:wheel /containers/ftp
chmod -R 755 /containers/ftp
Inicialização:
chroot /containers/ftp /bin/sh
4.3 Monitoramento com tcpdump (1988)
tcpdump -i le0 port 21
Permite observar tentativas de exploração de FTP.
- Implementation
Ambiente experimental:
| Parâmetro | Valor |
|---|---|
| Hardware | VAX 11/780 |
| RAM | 16 MB |
| SO | 4.3BSD |
| Rede | Ethernet 10Mbps |
Foram criados 5 containers lógicos isolando serviços ftp, telnet restrito e aplicações experimentais.
Testes incluíram tentativa de acesso a /etc/passwd fora do ambiente.
- Experimental Evaluation
6.1 Overhead de CPU
| Cenário | Uso CPU (%) |
|---|---|
| Serviço nativo | 12 |
| Serviço em chroot | 13.5 |
| VM/370 | 18 |
Overhead médio do chroot: 1.5%.
6.2 Latência de E/S
| Operação | Nativo (ms) | chroot (ms) |
|---|---|---|
| Leitura 4KB | 3.2 | 3.3 |
| Escrita 4KB | 3.5 | 3.6 |
Diferença estatisticamente irrelevante.
6.3 Resistência a Ataques
| Ataque | Sem Container | Com Container |
|---|---|---|
| Leitura /etc/passwd | Sucesso | Negado |
| Modificação /bin/sh | Sucesso | Negado |
| Acesso /dev/kmem | Sucesso (root) | Possível se root |
- Case Study
Simulamos exploração de overflow em serviço TCP customizado. Sem isolamento, invasor obteve shell e modificou /etc/hosts.equiv. Com chroot, invasor permaneceu restrito à árvore isolada, incapaz de afetar sistema global.
Logs mostraram tentativas de navegação acima do diretório raiz virtual, bloqueadas pelo kernel.
- Discussion
O chroot não substitui virtualização completa. Se processo mantiver privilégios de superusuário, pode criar dispositivos ou montar sistemas de arquivos. Portanto, recomenda-se:
- Remover bit
setuiddesnecessário. - Executar como usuário não privilegiado.
- Minimizar binários disponíveis.
Formalmente, a redução de risco pode ser modelada como:
$$ R_{novo} = R_{original} \times (1 - I) $$
onde $I$ é índice de isolamento ($0 \le I \le 1$).
- Conclusion and Future Work
Demonstramos que mecanismos existentes em 1989 permitem implementação prática de containers lógicos com overhead mínimo. Embora limitados frente a virtualização completa, oferecem barreira adicional contra exploração remota. Trabalhos futuros incluem integração com controles mandatórios B1 e desenvolvimento de ferramentas automatizadas de construção de ambientes isolados.
- References
CREASY, R. J. The origin of the VM/370 time-sharing system. IBM Journal of Research and Development, 1981. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/5390589
DEPARTMENT OF DEFENSE (DOD). Trusted Computer System Evaluation Criteria (Orange Book). 1985. Disponível em: https://csrc.nist.gov/publications/detail/rainbow-series/5200-28-std/final
DENNING, D. E. Cryptography and Data Security. Addison-Wesley, 1982.
GOLDBERG, R. Survey of virtual machine research. IEEE Computer, 1974. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1671831
MORRIS, R. Internet Worm. 1988.
NEUMANN, P. Computer-Related Risks. Addison-Wesley, 1989.
SALTZER, J.; SCHROEDER, M. The protection of information in computer systems. Proceedings of the IEEE, 1975. Disponível em: https://ieeexplore.ieee.org/document/1451869
SPAFFORD, E. The Internet Worm Incident. Purdue Technical Report, 1989. Disponível em: https://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1015&context=cstech
STALLINGS, W. Data and Computer Communications. 1985.
TANENBAUM, A. Operating Systems: Design and Implementation. 1987.
THOMPSON, K. Reflections on Trusting Trust. CACM, 1984. Disponível em: https://dl.acm.org/doi/10.1145/358198.358210
(Additional referências históricas até 1989 omitidas por limitação de espaço editorial.)