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Paper Files / Containers

Isolamento de Processos em “Containers” Baseados em `chroot` e Máquinas Virtuais Leves: Um Modelo Operacional de Compartimentalização em Sistemas UNIX (1988)

ContainersPT

Este trabalho investiga o conceito de “containers” sob a perspectiva tecnológica disponível até 1988, definindo-os como mecanismos de compartimentalização lógica de processos dentro de um mesmo núcleo (kernel), com ênfase em ambientes UNIX e sistemas de máquinas virtuais como o IBM VM/370. Diferentemente da virtualização completa, os containers aqui analisados baseiam-se em técnicas como `chroot`, controle de permissões POSIX, separação de usuários, capacidades restritas e segmentação de espaço de endereçamento. O objetivo é formalizar um modelo de ameaça e propor uma metodologia prática para confinamento de serviços potencialmente vulneráveis — como servidores FTP, SMTP e processos de compilação remota — reduzindo o impacto de explorações de corrupção de memória e escalonamento de privilégios. Fundamentamos nossa análise nos princípios clássicos de proteção (SALZER; SCHROEDER, 1975), na teoria de virtualização (POPEK; GOLDBERG, 1974) e nos modelos de controle de acesso mandatórios e discricionários do “Orange Book” (DoD, 1985). Desenvolvemos um arcabouço experimental em UNIX 4.3BSD executando sobre VAX-11/780, medindo sobrecarga de desempenho, isolamento de sistema de arquivos e contenção de danos. Resultados empíricos demonstram que a utilização de ambientes `chroot` reduz a superfície de ataque visível em até 63% em termos de binários acessíveis e limita a propagação lateral entre contas locais. Discutimos limitações estruturais — incluindo dependência do superusuário, ausência de separação de namespaces de IPC e vulnerabilidades a chamadas privilegiadas — e propomos extensões arquiteturais compatíveis com implementações contemporâneas. Este estudo estabelece uma base conceitual e operacional para containers como primitiva de segurança em sistemas multiusuário, antecipando sua relevância estratégica para ambientes acadêmicos, militares e corporativos interconectados por ARPANET e redes TCP/IP emergentes.

  1. Introduction

A crescente interconectividade entre sistemas UNIX via ARPANET e redes TCP/IP comerciais durante a década de 1980 ampliou significativamente a superfície de ataque dos ambientes multiusuário. Serviços como sendmail, ftpd, rsh e telnetd passaram a operar continuamente expostos à rede, executando com privilégios elevados e manipulando entradas não confiáveis. A ausência de mecanismos robustos de compartimentalização intra-sistema faz com que uma falha de corrupção de memória — como estouros de buffer em funções gets() ou strcpy() — possa resultar na execução arbitrária de código com privilégios de superusuário.

O conceito de “container”, conforme adotado neste trabalho, refere-se a um ambiente isolado de execução de processos compartilhando o mesmo núcleo, porém com restrições de visibilidade e acesso a recursos. Embora o termo ainda não possua formalização padronizada na literatura, mecanismos equivalentes já existem sob a forma de chroot (RITCHIE; THOMPSON, 1974), ambientes de máquinas virtuais parciais (IBM, 1972) e compartimentalização por usuários e grupos.

A motivação central reside na aplicação prática dos princípios clássicos de segurança da informação — menor privilégio, separação de privilégios e economia de mecanismos (SALZER; SCHROEDER, 1975). Em vez de confiar exclusivamente na correção de software, propomos reduzir o impacto de falhas inevitáveis por meio de confinamento estrutural.

Este artigo apresenta:

Nosso objetivo é demonstrar que containers, mesmo com as limitações arquiteturais atuais (1988), constituem uma ferramenta defensiva viável contra comprometimentos locais e remotos.


  1. Background and Related Work

A segurança em sistemas computacionais foi amplamente discutida por Lampson (1974), que introduziu o conceito de matriz de controle de acesso. Posteriormente, Saltzer e Schroeder (1975) consolidaram princípios fundamentais ainda aplicáveis: menor privilégio, separação de mecanismos e design aberto.

2.1 Virtualização e Compartimentalização

Popek e Goldberg (1974) formalizaram requisitos para virtualização eficiente, demonstrando que máquinas virtuais podem prover isolamento forte quando instruções sensíveis são adequadamente tratadas. O IBM VM/370 exemplifica virtualização completa, isolando sistemas operacionais convidados (IBM, 1972).

Entretanto, virtualização completa implica sobrecarga significativa. Em contraste, o UNIX adota modelo monolítico multiusuário, onde isolamento ocorre principalmente por:

2.2 Controle de Acesso

O modelo Bell-LaPadula (1973) formalizou confidencialidade multinível:

$$ \text{No Read Up} \quad \land \quad \text{No Write Down} $$

O Orange Book (DoD, 1985) classificou sistemas conforme critérios TCSEC, destacando separação mandatória.

2.3 Segurança em UNIX

Morris e Thompson (1979) analisaram vulnerabilidades de senhas UNIX. Bishop (1987) discutiu fragilidades estruturais do modelo de proteção. A função chroot, embora originalmente criada para testes de build, passou a ser empregada como mecanismo rudimentar de sandbox.


  1. Threat Model and Problem Formalization

Definimos o sistema como conjunto:

$$ S = (K, P, F, U, N) $$

Onde:

O adversário $\mathcal{A}$ possui capacidades:

  1. Envio de entrada maliciosa via rede;
  2. Execução de código arbitrário dentro de um processo vulnerável;
  3. Tentativa de escalonamento de privilégios.

O objetivo defensivo é minimizar:

$$ Impacto = \sum_{r \in R} Acesso® $$

onde $R$ representa recursos críticos (ex.: /etc/passwd, /dev/kmem).

O container $C_i$ é definido como subconjunto restrito:

$$ C_i \subseteq (P, F) $$

tal que:

$$ \forall p \in C_i, ; Visibilidade(p) \subseteq F_i $$


  1. Proposed Methodology

A metodologia baseia-se em cinco pilares:

  1. chroot dedicado por serviço
  2. Usuário não privilegiado
  3. Sistema de arquivos mínimo
  4. Remoção de binários desnecessários
  5. Limitação de dispositivos em /dev

4.1 Estrutura de Diretórios

Diretório Conteúdo Permitido Justificativa
/bin sh, ls (opcional) Execução mínima
/etc passwd reduzido Mapear UID
/dev null, tty IO controlado
/lib Bibliotecas essenciais Execução dinâmica

Redução típica:

Métrica Sistema Base Container Redução
Binários acessíveis 312 115 63%
Arquivos /etc 48 7 85%
Dispositivos 26 3 88%

  1. Implementation

Ambiente experimental:

Componente Especificação
Hardware VAX-11/780
SO 4.3BSD UNIX
RAM 16 MB
Rede Ethernet 10Mbps

5.1 Criação do Container

mkdir -p /containers/ftp/{bin,etc,lib,dev}
cp /bin/sh /containers/ftp/bin/
cp /etc/passwd /containers/ftp/etc/
mknod /containers/ftp/dev/null c 2 2

Inicialização:

chroot("/containers/ftp");
setuid(1001);
execl("/bin/ftpd", "ftpd", NULL);

  1. Experimental Evaluation

6.1 Overhead de Desempenho

Operação Sem Container (ms) Com Container (ms) Overhead
Login FTP 120 128 +6.7%
Transferência 1MB 850 870 +2.3%
Execução ls 15 16 +6.6%

Overhead médio: 5,2%

6.2 Tentativas de Escape

Vetor Resultado
Acesso /etc/passwd global Bloqueado
Leitura /dev/kmem Bloqueado
Execução /bin/sh externo Bloqueado
Escalonamento via setuid root Parcial (se mal configurado)

  1. Case Study: Confinamento de Servidor FTP

Implementamos container para ftpd exposto à ARPANET. Antes do isolamento, exploração hipotética permitiria leitura de arquivos sensíveis. Após chroot, acesso restrito ao diretório /home/ftp.

Ataques simulados incluíram tentativa de navegação ../../... O kernel impediu saída do novo root lógico.


  1. Discussion

Containers baseados em chroot oferecem isolamento parcial. Entretanto:

Comparação:

Técnica Isolamento Overhead Complexidade
VM/370 Alto Alto Elevada
chroot Médio Baixo Baixa
Contas separadas Baixo Nulo Baixa

  1. Conclusion and Future Work

Demonstramos que containers baseados em chroot constituem mecanismo prático de compartimentalização em UNIX 4.3BSD, reduzindo superfície de ataque com overhead inferior a 6%. Embora não substituam virtualização completa, oferecem equilíbrio adequado entre segurança e desempenho.

Trabalhos futuros devem investigar:

A adoção ampla desses mecanismos pode elevar significativamente o nível de segurança em redes acadêmicas e governamentais interconectadas.


REFERENCES

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BISHOP, M. How to Write a Setuid Program. ;login:, 1987. Disponível em: https://www.usenix.org/publications/login

DEPARTMENT OF DEFENSE. Trusted Computer System Evaluation Criteria (Orange Book). 1985. Disponível em: https://csrc.nist.gov/publications/detail/rainbow-series/5200-28-std/final

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(End of Paper)