Jean-Francois Lalande - December 2015 - Version 2.0

Le but de ce cours est d'aborder les notions de sécurité des langages de programmation, et plus particulièrement les mécanismes fournis dans l'environnement Java.

Les grandes notions abordées dans ce cours sont:

• La sécurité fournie par la JVM
• La sécurité dans Python
• Aspets de sécurité spécifiques à Android

Ce cours est mis à disposition par Jean-François Lalande selon les termes de la licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage à l'Identique 3.0 non transposé.

Plan du module

• 1   Plan du module
• 2   La sécurité dans la JVM
• 3   La sécurité dans python
• 4   Bibliographie

• 2.1   Besoin: le sandboxing
• 2.2   Introduction: les composants de sécurité la VM
• 2.3   Politiques de sécurité pour la VM
• 2.4   Le security manager
• 2.5   Le Bytecode verifier
• 2.6   Le class loader
• 2.7   La sérialisation
• 2.8   Le keystore

Objectifs:

• Comment définir des politiques de contrôle des applications Java ?
• Comment implémenter un composant de contrôle d'application Java ?
• Que vérifie la Machine Virtuelle lors de l'exécution du byte code ?

Le sandboxing est le concept qui recouvre le contrôle d'une application. On souhaite contrôler ce qu'elle fait (les opérations autorisées) et à quoi l'application accède (les ressources).

Les ressources sont multiples:

• Disques locaux, distants et leurs systèmes de fichier
• Mémoire locale / distantes (RAM)
• Serveurs (notamment dans le cas d'une applet)

Le sandboxing classique le plus restreint est de laisser l'application accèder au CPU, à l'écran, clavier, souris, et à une partie de la mémoire. Un degré de liberté supplémentaire consiste à donner accès au disque dur.

Deux modes classiques d'exécution existent: - Applet: sandboxing le plus restreint - Application: aucun sandboxing

Objectifs:

• Comment définir des politiques de sandboxing plus fines ?
• Comment charger ces politiques dans la VM ?

Architecture de la sécurité dans Java, extrait de [JSEC].

Le Bytecode verifier

Le Bytecode verifier s'assure que byte code ne viole pas des règles du langage Java (cf Le Bytecode verifier). Toutes les classes ne sont pas vérifiées, notamment celle du core API.

Le class loader

Le class loader est responsable du chargement des classes qui ne sont pas trouvées dans le CLASSPATH.

L'access controller

Il authorise ou interdit les accès des classes du core API vers l'operating system. C'est une sorte de contrôle des appels système.

Le security manager

Prend les décisions d'accès aux ressources du système (fichiers, réseau, etc.) en fonction de la politique chargée. Il peut coopèrer avec l'access controller pour une partie de ses décisions.

Le security package

Le package java.security est un ensemble d'outils dédiés aux mécanismes d'authentification des classes Java signées (clefs, certificats, signatures, chiffrement).

Une politique de sécurité s'écrit sous la forme suivante:

grant codeBase "domaine cible" {
 permission X [...];
 permission Y [...];
 permission Z [...];
}

Le domaine cible est:

• des ressources locales (fichiers)
• des ressources distantes (serveurs)

Les permissions ont:

• un nom
• des paramètres optionnels (actions, types)

Exemple:

grant codeBase "http://www.ensi-bourges.fr/" {
  permission java.security.AllPermission;
};

File permission: java.io.FilePermission

permission java.io.FilePermission "tmpFoo", "write";
permission java.io.FilePermission "<<ALL FILES>>",
                                  "read,write,delete,execute";
permission java.io.FilePermission "${user.home}/-", "read";

Socket permission: java.net.SocketPermission

permission java.net.SocketPermission "www.ensi-bourges.fr:1-",
                                     "accept,listen,connect,resolve"

Runtime permission: java.lang.RuntimePermission

createClassLoader, getClassLoader, createSecurityManager, setIO, stopThread.

permission java.lang.RuntimePermission "accessClassInPackage.sdo.foo";

Security permission: java.io.SerialisablePermission

enableSubstitution: autorise enableReplaceObject() de ObjectInputStream

enableSubclassImplementation: autorise la surcharge de readObjet() et writeObject()

Property permission: java.util.PropertyPermission

permission java.util.PropertyPermission "java.*", "read";

All permission: java.security.AllPermission

Fichiers:

file:/C:/files/truc.txt
file://files/truc.txt
file:${java.home}/files/truc.txt

URLs:

// One jar filer
http://www.ensi-bourges.fr/files/truc.jar
// Class files:
http://www.ensi-bourges.fr/files/
// Class and jar files:
http://www.ensi-bourges.fr/files/*
// Class and jar files in any sub directories:
http://www.ensi-bourges.fr/files/-

keystore "${user.home}${/}.keystore";

grant codeBase "file:${java.home}/lib/ext/-" {
  permission java.security.AllPermission;
};

grant codeBase "http://www.ensi-bourges.fr/files/" {
  permission java.io.FilePermission "/tmp", "read";
  permission java.lang.RuntimePermission "queuePrintJob";
};

Permettre le sandboxing:

java -Djava.security.manager TestEcriture
Exception in thread "main" java.security.AccessControlException:
  access denied (java.io.FilePermission testEcriture.txt write)

Préciser une politique (url du type http: ou file):

java -Djava.security.manager -Djava.security.policy=URL TestEcriture

Préciser une et une seule politique:

java -Djava.security.manager -Djava.security.policy==URL TestEcriture

Appletviewer:

appletviewer -J-Djava.security.policy=URL urls

Le security manager est mis en oeuvre lorsqu'un appel vers l'API java est faite depuis un objet du programmeur. Principes du security manager:

• Requête du programme vers l'API java
• L'API java demande l'autorisation au security manager
• Si refusée, une exception est levée
• Sinon l'appel est honoré

Il est possible de catcher l'exception. Par exemple, dans le cas particulier des applets, il est classique d'avoir l'exception sun.applet.AppletSecurityException: checkread. Voici une meilleure façon de procéder, lorsque l'on est informé de l'exception, plutôt que de perdre la trace de l'exception:

OutputSteam os;
try {
      os = new FileOutputStream("statefile");
} catch (SecurityException e) {
        os = new Socket (webhost, webport).getOutputStream ();
}
// Ecriture dans os...

Changer de security manager:

• Récupérer le security manager courant (ou null)
• Installer le security manager (ne peut plus être enlevé) (Utile pour une applet qui ne peut plus le changer)

public static SecurityManager getSecurityManager()
public static void setSecurityManager(SecurityManager sm)

Exemple:

public class TestSecurityManager {
  public static void main(String args[]) {
    System.setSecurityManager(new SecurityManagerImpl());
              ...do the work of the application...  } }

Vérification de lecture/écriture/suppression de fichier:

public void checkRead(FileDescriptor fd)
public void checkRead(String file)
public void checkWrite(FileDescriptor fd)
public void checkWrite(String file)
public void checkDelete(String file)

checkRead() est appelé pour:

File.canRead()
File.isDirectory()
File.isFile()
File.lastModified()

Extrait Javadoc:

Check if the current thread is allowed to read the given file. This method is called from FileInputStream.FileInputStream(), RandomAccessFile.RandomAccessFile(), File.exists(), canRead(), isFile(), isDirectory(), lastModified(), length() and list(). The default implementation checks FilePermission(filename, "read"). If you override this, call super.checkRead rather than throwing an exception.

Vérifier l'ouverture d'une socket (appelé pour Socket()):

public void checkConnect(String host, int port)

Vérifier l'écoute d'un port et l'acceptation d'une requête (appelé pour ServerSocket.accept()):

public void checkListen(int port)
public void checkAccept(String host, int port)

Changer l'implémentation par défaut d'une socket:

public void checkSetFactory()

Extrait Javadoc:

Check if the current thread is allowed to accept a connection from a particular host on a particular port. This method is called by ServerSocket.implAccept(). The default implementation checks SocketPermission(host + ":" + port, "accept"). If you override this, call super.checkAccept rather than throwing an exception.

Protection de la virtual machine:

checkCreateClassLoader() --> ClassLoader() // Changement de class loader
checkExit() --> Runtime.exit() // Arrêt de la virtual machine
checkLink() --> Runtime.loadLibrary() // Chargement de code natif
checkExec() --> Runtime.exec() // Exécution de commande shell

Protection des Threads avec checkAccess(Thread g):

Thread.stop() Thread.interrupt()
Thread.suspend() Thread.resume()
Thread.setPriority() Thread.setName()
Thread.setDaemon()

Protection de l'inspection de classes avec checkMemberAccess():

Class.getFields()
Class.getMethods()
Class.getConstructors()
Class.getField()
Class.getMethod()
Class.getConstructor()

L'expérience des langages dérivés du C a conduit les concepteurs de Java à définir un certain nombre de règles de sécurité lors de l'interprétation du bytecode verifier. La difficulté de garantir de la sécurité provient aussi de la dynamicité du langage: les classes peuvent être chargées à la volée, de manière distante, et peuvent être inspectées.

Par rapport à C++, on doit au moins garantir:

• l'encapsulation: private, protected, public
• la protection contre les accès mémoire arbitraires

Java définit donc des règles qui garantissent que:

• L'attribut privé reste privé (sauf Serialisation)
• La mémoire ne peut as être accedée arbitrairement
• Entité ayant une méthode final ne peut-être changé - Variable public final - Une sous classe: exemple Thread.setPriority()
• Certaines entités sont finales: exemple String (constante)
• Une variable non initialisée ne peut être lue (sinon cela revient à lire la mémoire)
• Les bornes des tableaux sont vérifiées
• Les casts sont vérifiés

Objectif: répondre à la question: ce byte code est-il légal ? (même s'il provient d'un autre langage que java...)

Garanties apportées par le bytecode verifier [FR03]:

• des vérification de format (champs obligatoires, taille de ces champs)
• structure du code: vérification du controle de flot (saut vers du code vraiment existant), intégrité des instructions à plusieurs octets
• cohérence de la frame (variables locales et opérandes): il ne doit pas y avoir de débordement de la pile d'opérande (overlfow ou underflow) lorsque l'on stocke des résultats intermédiaires; les variables locales doivent être initialisées avant utilisation
• bonne utilisation des appels de méthodes: vérification des droits d'accès, bon nombre et type des paramètres
• Classes finales: n'ont pas de sous classes
• Méthodes finales: non surchargées
• Classe: une seule superclasse

Et à l'exécution:

• Pas de cast illégal (ex int vers Object)
• Vérification upcast/downcast
• Data stack: débordement (récursion infinie)

Les vérifications sont faites avant l'exécution et/ou en temps réel (remplacé par un code spécial indiquant que les tests ont été faits)

public class CreditCard {
  public String acctNo = "0001 0002 0003 0004"; }

public class TestCreditCard {
  public static void main(String args[]) {
    CreditCard cc = new CreditCard();
    System.out.println("Your account number is " + cc.acctNo); }}

On change public en private:

jf@linotte:security/code> javac CreditCard.java
jf@linotte:security/code> javac TestCreditCard.java
jf@linotte:security/code> java TestCreditCard
Your account number is 0001 0002 0003 0004
jf@linotte:security/code> gvim CreditCard.java
jf@linotte:security/code> javac CreditCard.java
jf@linotte:security/code> java TestCreditCard
Exception in thread "main" java.lang.IllegalAccessError:
  tried to access field CreditCard.acctNo from class
  TestCreditCard at TestCreditCard.main(TestCreditCard.java:4)
jf@linotte:security/code> javac TestCreditCard.java
TestCreditCard.java:4: acctNo has private access in CreditCard
                System.out.println("Your account number is " + cc.acctNo);

Autre exemple tiré de [JSEC]:

• Copy the java.lang.String source file into our CLASSPATH.
• In the copy of the file, modify the definition of value--the private array that holds the actual characters of the string--to be public.
• Compile this modified class, and replace the String.class file in the JDK.
• Compile some new code against this modified version of the String class. The new code could include something like this:

public class CorruptString {
  public static void modifyString(String src, String dst) {
    for (int i = 0; i < src.length; i++) {
      if (i == dst.length)
        return;
      src.value[i] = dst.value[i]; }}}

Now any time you want to modify a string in place, simply call this modifyString() method with the string you want to corrupt (src) and the new string you want it to have (dst).

Remove the modified version of the String class.

Le classe loader permet de résoudre les importations nécessaires à l'exécution d'une classe et d'éviter de charger en mémoire des classes inutiles car non utilisées à l'exécution. De plus, la définition d'une classe peut n'être connue qu'à l'exécution, par exemple si celle-ci est chargée au travers du réseau.

Pour rappel, le class loader est en fait une chaine de délégation (et non pas d'héritage) de class loader:

Si un class loader charge du code depuis un endroit potentiellement attaquable, alors cela augmente la surface d'attaque de l'application. Il faut donc que le class loader s'assure de ce qu'il charge: il doit notamment vérifier le nom de package des classes chargées. Comme expliqué dans [LJB], si l'on dépose la classe java.lang.FooBar dans un repository externe chargé dynamiquement, ce genre d'objet pourra aller manipuler les attributs protected du package java.lang, ce qui peut s'avérer dangereux.

Un class loader peut éviter un tel comportement en vérifiant le nom du package de ce qu'il charge, par exemple:

if (className.startsWith("java."))
  throw newClassNotFoundException();

La sérialisation est un mécanisme simple pour écrire des objets (et leurs dépendances pour les objets composites) dans des fichiers. Il est aussi utile par exemple pour l'api RMI pour la migration des objets sur le réseau. Pour rendre une classe serialisable, on utilise un flag en implémentant l'interface Serializable.

Cependant, la sérialisation révèle les attributs privés:

• Accessible en lecture sur le disque (ou autre buffer)
• Peut même être édité

Le langage Java fournit le mot clef Transient pour spécifier qu'une variable ne doit pas être sérialisée.

private transient String creditCardNumber;

Code signé, cf tool jarsigner.

• keystore: clef publiques des entités signées
• A l'exécution: - Récupération de la clé publique du code signé - Installation dans le keystore (.keystore)
• Administration du keystore: keytool

3.1   Les vieilleries: rexec

Le module rexec était fait pour exécuter du code dans lequel le programmeur n'a pas confiance dans un environnement préparé à cet effet: c'est l'idée classique du sandboxing.

Un code non-trusted peut 1) violer des restrictions du bac à sable: rexec lève une exception; 2) attaquer des ressources (cpu, mémoire): non prévu, utiliser un process à part

Constructeur: class RExec(hooks=None,verbose=False)

r = import rexec
r = rexec.RExec()

Méthodes:

• r.r_import(modname): importe le module dans le bac à sable
• r.r_exec(code): exécute le code dans le bac à sable
• r.r_execfile(filename): exécute le fichier dans le bac à sable
• r.r_add_module(modname): ajoute et retourne un pointeur sur module

Attributs de l'objet rexec:

• nok_builtin_names: Built-in functions not to be supplied in the sandbox
• ok_builtin_modules: Built-in modules that the sandbox can import
• ok_path: Used as sys.path for the sandbox's import statements

mxProxy est une bibliothèque open source soutenue par eGenix.com. Son but est de fournir une méthodologie générale pour restreindre l'accès à des attributs ou des méthodes de classe.

Le proxy fournit une protection des attributs de classe en définissant une sorte d'interface: une liste des noms des attributs vers lesquelles les accès sont autorisés.

Et les méthodes et attributs privés ?

• ils existent et peuvent être utilisé à l'aide du __
• leur caractère privé est une convention, rien n'est garanti.

 1 class Toto():
 2   def test(self):
 3     return 10;
 4   def __test2(self):
 5     return 15;
 6 if __name__ == "__main__":
 7   t = Toto()
 8   print  t.test(); # Ok, that's public
 9   #print  t.test2(); # Not ok, that's private
10   print  t._Toto__test2(); # Ok, too !

L'appel d'une fonction reste toujours possible en utilisant _Classe__methode.

Constructeur du proxy pour un objet:

Proxy(object,interface=None,passobj=None)

• interface: séquence de string authorisant l'accès aux attributs/méthodes
• passobj: permet d'authoriser la récupération de l'objet via .proxy_object()

Proxy avec read-cache: met en cache les attributs de l'objet wrappé

CachingInstanceProxy(object,interface=None,passobj=None)

(attention aux remises à jour de l'objet wrappé)

Proxy de type read-only:

ReadonlyInstanceProxy(object,interface=None,passobj=None)

Proxy factory: permet de créer des instances de Class wrappé dans un Proxy

ProxyFactory(Class,interface=None)

Méthode permettant de récupérer des attributs:

• .proxy_getattr(name): récupère l'attribut name
• .proxy_setattr(name): modifie l'attribut name
• .proxy_defunct(): retourne 1 si l'objet a déjà été garbage collecté

 1 from mx import Proxy
 2 class DataRecord:
 3   a = 2
 4   b = 3
 5   # Make read-only:
 6   def __public_setattr__(self,what,to):
 7     raise Proxy.AccessError('read-only')
 8   # Cleanup protocol
 9   def __cleanup__(self):
10     print 'cleaning up',self
11 o = DataRecord()
12 # Wrap the instance:
13 p = Proxy.InstanceProxy(o,('a',))
14 # Remove o from the accessible system:
15 del o
16 
17 print p.proxy_getattr('a')
18 print p.a

Pour récupérer des méthodes:

 1 from mx import Proxy
 2 class DataRecord:
 3   a = 2
 4   b = 3
 5   # Make read-only:
 6   def __public_setattr__(self,what,to):
 7     raise Proxy.AccessError('read-only')
 8   # Cleanup protocol
 9   def __cleanup__(self):
10     print 'cleaning up',self
11   def essai(self):
12     print 'coucou'
13 o = DataRecord()
14 # Wrap the instance:
15 p = Proxy.InstanceProxy(o,('essai',))
16 # Remove o from the accessible system:
17 del o
18 
19 print p.essai()
20 print p.b # Ne marche pas

 1 from mx import Proxy
 2 class DataRecord:
 3   a = 2
 4   b = 3
 5   # Make read-only:
 6   def __public_setattr__(self,what,to):
 7     raise Proxy.AccessError('read-only')
 8   # Cleanup protocol
 9   def __cleanup__(self):
10     print 'cleaning up',self
11 # If you want to have the wrapping done automatically, you can use
12 # the InstanceProxyFactory:
13 DataRecord = Proxy.InstanceProxyFactory(DataRecord,('a',))
14 # This gives the same behaviour...
15 p = DataRecord()
16 print p.a
17 #p.a = 3 # interdit par le code de setattr
18 #print p.b # interdit par le proxy