在计算机安全领域，沙箱(Sandbox)是一种程序的隔离运行机制，其目的是限制不可信进程或不可信代码运行时的访问权限。沙箱技术经常被用于执行未经测试的或不可信的客户程序。为了阻止不可信程序可能破坏系统程序或破坏其它用户程序的运行，沙箱技术通过为不可信客户程序提供虚拟化的内存、文件系统、网络等资源，而这种虚拟化手段对客户程序来说是透明的。由于沙箱里的资源被虚拟化（或被间接化），所以沙箱里的不可信程序的恶意行为可以被限制在沙箱中，或者在沙箱里只允许执行在白名单里规定的有限的API操作。
沙箱技术一直是系统安全领域的挑战，不存在说哪一种方案是足够安全的。沙箱技术方案通常是需要结合多种系统安全技术来实现，采用防御纵深(Defence in Depth)的设计原则，筑建多道防御屏障，尽可能地将安全风险将为最低。比如，Google App Engine系统就是一个较好的实现，用户编写的java code会在Java沙箱中运行。但除了Java Sandbox之外，底层还有Linux沙箱。也就是说，即使用户（也许是一个比较资深的黑客）已经掌握了Java沙箱的0-day漏洞，攻破了Java沙箱，但也不会给系统造成影响，因为底层还有Linux沙箱。除非该用户同时还掌握了Linux的0-day漏洞，能以很快的速度突破Linux沙箱，使自己从一个普通uid提权到root，否则我们不能说攻击成功。
Hypervisor技术天然地就可以用于构建虚拟机沙箱，比如基于Xen或KVM的虚拟机沙箱已经开始在某些云计算平台中使用起来。但考虑到虚拟机沙箱的性能开销，它并不能满足对性能敏感的应用场景。因此，这里我们主要讨论如何利用Linux kernel自身所提供的安全功能来构建有效的轻量级沙箱技术。（关于重量级的虚拟机沙箱，我以后再另作介绍）
在讨论之前，我们简单罗列一下Linux安全模型相关的内容（假设读者对此已经非常熟悉了）：
(1) 每个进程都有自己的地址空间；
(2) MMU硬件机制来保证地址空间的隔离；
(3) Kernel是系统的TCB(Trusted Computing Base)，是安全策略的制定者和执行者；
(4) 进程是最小的权限边界；
(5) root具有最高权限，它能控制一切；
(6) 其它用户受DAC(Discretionary Access Control)限制，如文件系统的UGO权限控制。
Linux Kernel还提供了与“进程降权(drop privilege)与访问限制”有关的一些功能：
(1) setuid
(2) posix.1e capability
(3) chroot jail
(4) quota control (eg, cgroup, namespace)
(5) Linux Container
(6) Linux Security Module (LSM)
接下来我将介绍在实践中如何利用这些安全构件来打造一个有效的Linux sandbox.
Setuid Sandbox主要基于Linux Kernel所提供的安全机制来实现。简单地说，就是利用 random uid/gid + chroot() + capability 来达到限制不可信进程的访问权限。Setuid Sandbox的设计主要考虑以下几方面：
1. Setuid
Linux中每个进程都会有一个uid，uid=0则为root用户进程（privileged），uid>0则为普通用户进程（unprivileged）。不同uid进程之间（不包括root进程）是相互隔离的，各自都有自己独立的权限，互不干扰。而root进程具有特权，它能干任何事情。Linux uid/gid机制主要是用于进程的权限隔离。如果你打算执行不可信的程序，那么你可以在启动该程序时为其分配一个random uid。一个可能的执行流程如下：
fork() -> setuid() -> {设置相关的进程资源限制, eg, RLIMIT_NPROC (0,0)} -> execve()
注意，setuid()只能由root权限（或拥有 CAP_SETUID capability的普通用户权限）才能成功调用，所以这个执行流程需要借助某个拥有root权限的helper程序。比如，将helper程序设置为setuid root。
2. Chroot
Chroot是Linux kernel提供的另一个安全功能，它用于修改进程的根目录。比如执行chroot("/tmp/sandbox/1/")则可以设置当前进程的根目录为"/tmp/sandbox/1/"，那么该进程的文件操作将被限制在"/tmp/sandbox/1/"中。注意，chroot()只能由root权限（或拥有CAP_SYS_CHROOT capability的普通用户权限）才能成功调用。也许你马上会想到按如下方式修改上面的执行流程：
fork() ->chroot() -> setuid() -> {...} -> execve(),
但注意这样做是行不通的，因为在chroot()之后，execve()本要执行的binary文件已经不可用了（进程的根目录已经被重定位了）。一个解决此问题的简单方法如下：
(1) helper创建一个子进程H，注意要用clone()和CLONE_FS，使得helper和H可以共享根目录、当前目录、等等；
(2) helper降权后执行execve("worker")；
(3) worker(原helper进程)请求H去执行chroot()；
(4) H执行chroot()，新的根目录会对H和worker同时生效。
(5) H退出。
这个方法工作的前提是Helper需要设置RLIMIT_NOFILE为(0,0)，并且对于不可信的Worker进程来说，在执行第4步之前应是可控的。
此外，对于Helper程序来说，由于它是以root身份运行，那么就可能会成为攻击点，即存在所谓的 "Confused Deputy Problem"。这个问题是说，因为Helper进程是root身份运行，它能干所有特权操作；而实际我们在设计上是希望它只能做两件事，即setuid和chroot，不希望它有更多的特权。一个进程的特权太多了，就会成为坏人攻击的焦点，甚至有时是在无知的情况下，不经意地就帮坏人干了坏事。为了解决这个问题，我们就可以在设计上引入Linux Capability机制。
3. Linux Capability
Linux支持Capability的主要目的是细化root的特权，使一个进程能够以“最小权限原则”去执行任务。比如拿ping程序来说，它需要使用原始套接字(raw_sockets)，如果没有Capability，那么它就需要使用root特权才能运行；如果有了Capability机制，由于该程序只需要一个CAP_NET_RAW的Capability即可运行，那么根据最小权限原则，该程序运行时可以丢弃所有多余的Capability，以防止被误用或被攻击。所以，Capability机制可以将root特权进行很好的细分，当前kernel(2.6.18)已支持30多种不同的Capability。注意在之前的kernel实现中，Capability只能由root进程持有，非root进程是不能保持任何Capability的。但是在2.6.24及以上的kernel版本中一个普通用户进程也将可以持有capability。
小结
Setuid Sandbox实现起来比较简单，无需修改Kernel，对线上的生产系统来说没有什么负面影响，在一定程度上可以用于隔离不可信代码的运行，目前它已被用作Google Chromium系统的隔离屏障之一。由于它完全依赖于kernel所提供的安全机制，除非攻击者能找到kernel的0-day漏洞并通过攻击获得root权限，否则setuid sandbox所提供的安全隔离是可以保证的。