Paper Files / Containers
Isolamento de Processos em “Containers” Baseados em `chroot` e Máquinas Virtuais Leves: Um Modelo Operacional de Compartimentalização em Sistemas UNIX (1988)
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.
- 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:
- Uma formalização matemática do modelo de isolamento;
- Um modelo de ameaça adaptado ao cenário UNIX 4.3BSD;
- Uma metodologia prática de implementação de containers baseados em
chroot; - Avaliação experimental em hardware VAX;
- Um estudo de caso envolvendo confinamento de servidor FTP.
Nosso objetivo é demonstrar que containers, mesmo com as limitações arquiteturais atuais (1988), constituem uma ferramenta defensiva viável contra comprometimentos locais e remotos.
- 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:
- UID/GID
- Permissões rwx
chroot- Limites de recursos (
setrlimit)
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.
- Threat Model and Problem Formalization
Definimos o sistema como conjunto:
$$ S = (K, P, F, U, N) $$
Onde:
- $K$ = kernel
- $P$ = processos
- $F$ = sistema de arquivos
- $U$ = usuários
- $N$ = interfaces de rede
O adversário $\mathcal{A}$ possui capacidades:
- Envio de entrada maliciosa via rede;
- Execução de código arbitrário dentro de um processo vulnerável;
- 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:
$$ \forall p \in C_i, ; Visibilidade(p) \subseteq F_i $$
- Proposed Methodology
A metodologia baseia-se em cinco pilares:
chrootdedicado por serviço- Usuário não privilegiado
- Sistema de arquivos mínimo
- Remoção de binários desnecessários
- 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% |
- 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);
- 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) |
- 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.
- Discussion
Containers baseados em chroot oferecem isolamento parcial. Entretanto:
- Não isolam IPC
- Não impedem uso de chamadas privilegiadas se processo mantém UID 0
- Dependem fortemente da correta configuração
Comparação:
| Técnica | Isolamento | Overhead | Complexidade |
|---|---|---|---|
| VM/370 | Alto | Alto | Elevada |
chroot |
Médio | Baixo | Baixa |
| Contas separadas | Baixo | Nulo | Baixa |
- 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:
- Separação de IPC
- Auditoria de chamadas de sistema
- Integração com controle mandatário multinível
A adoção ampla desses mecanismos pode elevar significativamente o nível de segurança em redes acadêmicas e governamentais interconectadas.
REFERENCES
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(End of Paper)