Diário Qubes OS 04 - Compartilhamento de tela online

Publicado em 2017-07-11

Esse é o quarto post de uma série analisando o Qubes OS. Comece pelo primeiro post.


Após fazer a Yubikey funcionar e ter uma instalação do Windows pronta, a última coisa que gostaria de ter funcionando antes de migrar definitivamente para o Qubes OS é a possibilidade de realizar compartilhamentos e gravações de tela.

Compartilhamento de tela é essencial para o meu workflow porque trabalhando remotamente, é muito comum ter que mostrar ou discutir algum código, processo ou design com outras pessoas. E screencasts para poder fazer gravações de tutoriais e problemas.

A dificuldade no Qubes é conseguir realizar essa atividade sem comprometer a segurança do sistema.

Será que vai?

Em um software de conferência tradicional (digamos Skype rodando sob Windows) o software em execução tem acesso (pelo menos em princípio) a todo o seu sistema. Ele é capaz de realizar capturas de tela usando APIs nativas (como explicado aqui) e após codificação realizar transmissão com um parceiro remoto.

Analisando do ponto de vista de segurança, qualquer software executado nesse sistema pode iniciar a captura da tela quando quiser e fazer o que bem entender com ela. Isso significa que uma vulnerabilidade em qualquer software do sistema compromete tudo o que é exibido na tela do computador (inclusive potencialmente senhas, dados confidenciais, etc).

Dentro do modelo de segurança do Qubes, isso é possível apenas se o software for executado no dom0, que é totalmente desaconselhado. Mas nesse caso, como é possível realizar transmissões de tela pelo Qubes?

Layout da Solução

Navegando pelas listas de issues do Qubes no Github e pelas listas de discussão, outras pessoas também tiveram essa ideia mas nenhuma opção para transmissão em tempo real ([1], [2], [3], [4], [5]).

Mas um dos comentários do último link (issue 953 no Github) apresenta um possível layout de solução onde seria possível capturar a tela no dom0 utilizando o ffmpeg e de que essa solução seria (em primeira análise) segura porque o input ao ffmpeg rodando no dom0 seria apenas o bitmap do desktop - para explorar uma vulnerabilidade seria necessário que os bits de conteúdo de uma imagem fossem capazes de ativar essa vulnerabilidade (algo como o Snow Crash.) o que é improvável.

Munido dessa dica (e o fato de já ter usado o vlc/ffmpeg para captura de tela uma vez), comecei a explorar como implementar essa solução de forma segura e cheguei no seguinte conjunto de softwares:

  • ffmpeg: Usado no dom0 para fazer a captura do desktop e em uma AppVM para fazer a codificação para um codec de vídeo qualquer;
  • video4linux (v4l2): É o conjunto de drivers/protocolos/APIs que permite a captura de video em tempo real no Linux;
  • v4l2loopback: Um kernel module que cria um dispositivo que funciona como uma webcam virtual.

A ideia básica da solução consiste no seguinte:

Layout da solução de screencast

No dom0, o ffmpeg é executado fazendo a captura da tela através do dispositivo de entrada x11grab. A saída é emitida em modo rawvideo (ou seja, video cru sem nenhum codec específico) com resolução pré-determinada.

Na AppVM que irá rodar o software de teleconferência é instalado o módulo kernel v4l2loopback. Isso cria um dispositivo /dev/video0 que aceita vídeo no formato v4l2. Nessa mesma AppVM, o ffmpeg é executado, convertendo do formato rawvideo para o formato v4l2 e fazendo a saída no dispositivo loopback.

A saída do dom0 é direcionada para a AppVM através de um canal Qubes RPC que liga o stdin do processo ffmpeg no dom0 com o ffmpeg da AppVM, permitindo a troca de informações.

O script básico executado no dom0 para realizar essa ligação é o seguinte:

#!/usr/bin/sh

qvm-run -p \
  --localcmd="/home/matheus/ffmpeg-static/ffmpeg \
    -f x11grab -r 15 -s 800x600 -i :0.0+0,0 \
    -pix_fmt yuv420p -threads 0 -f rawvideo -" \
  untrusted \
  "sleep 3 ; /home/user/Downloads/ffmpeg-static/ffmpeg \
    -f rawvideo -s:v 800x600 -pix_fmt yuv420p -re -i pipe:  \
    -f v4l2 /dev/video0"

Destrinchando passo a passo o script:

  • qvm-run -p executa o comando a seguir passando o stdin/stdout entre o processo local (dom0) e o processo na AppVM (nesse caso na vm untrusted)
  • --localcmd= significa que a string a seguir é um comando a ser executado no dom0
  • -f x11grab -r 15 -s 800x600 -i :0.0+0,0: usar o driver x11grab do ffmpeg para capturar o desktop 0 a partir das coordendas (0,0) da tela, no tamanho 800x600 e a uma velocidade de 15 fps
  • -pix_fmt yuv420p -threads 0 -f rawvideo: formato de saída do vídeo como cru (sem compressão)
  • untrusted: executar o comando a seguir na AppVM chamada “untrusted”
  • -f rawvideo -s:v 800x600 -pix_fmt yuv420 -re -i pipe:: o arquivo de entrada é o stdin em um formato raw codificado como yuv420p e tamanho 800x600
  • -f v4l2 /dev/video0: saída para a webcam virtual no formato v4l2

O ponto mais crítico nesse script é acertar o formato de vídeo transferido via pipe entre o dom0 e a AppVM. Como o formato é cru (sem compressão) e sem metadata associado, ele precisa ser especificado explicitamente nos dois comandos para que o ffmpeg na VM seja capaz de recodificar com sucesso para o formato v4l2.

Caso seja necessário aumentar a resolução é necessário ajustar os dois comandos para a nova resolução (imagine o porque: sem a informação correta, o ffmpeg de destino não sabe onde começa e termina uma imagem em particular).

ffmpeg no dom0

A primeira dificuldade para executar o script acima é copiar o ffmpeg para o dom0. Infelizmente, não existe hoje um pacote nos repositórios do Qubes para fazer isso, então isso significa copiar manualmente.

Essa é a principal brecha de segurança dessa solução nesse momento: colocar uma compilação segura do ffmpeg no dom0 (imagine o que aconteceria se você baixasse uma cópia comprometida e a colocasse no dom0).

Em meu teste, utilizei a versão estática pré-compilada do ffmpeg (link) porém esse não é o método ideal já que não são fornecidas assinatudas GPG nem do binário nem do builder e de qualquer maneira estariamos confiando em toda a infraestrutura do builder para não gerar uma versão comprometida do binário.

Alternativas para resolver essa brecha seriam as seguintes:

  • Não usar o ffmpeg para realizar a captura mas algum outro software mais simples (se alguém conhecer alguma alternativa, entre em contato)
  • Ter o ffmpeg (ou a ferramenta do ponto anterior) em um repositório oficial do qubes
  • Compilar nós mesmos o ffmpeg e transferir para o dom0

Após compilar o ffmpeg, para transferir para o dom0 é simples:

[matheus@dom0]$ qvm-run -p dev 'cat /home/user/ffmpeg/bin/ffmpeg' > /home/matheus/ffmpeg

Ou algo similar (dependendo da localização do ffmpeg compilano na AppVM e onde você deseja colocá-lo no dom0).

Módulo v4l2loopback em uma AppVM

Aqui foi onde tive o maior trabalho em todo o processo: como instalar o módulo v4l2loopback em uma AppVM.

Como no Qubes o kernel das AppVMs é gerenciado pelo dom0 por padrão, a instalação do novo módulo tem que ser feita nele (documentação do Qubes). Mas o download do código e compilação do módulo devem ser preferencialmente feitas em uma AppVM.

Uma segunda dificuldade é que a versão do repo kernel-devel disponível para instalação nas AppVMs é diferente da versão do kernel utilizada pelo dom0 (no momento em que escrevo isso, o kernel-devel das VMs está na versão 4.4.31 e o kernel usado no dom0 para as AppVMs é o 4.4.67). Pra resolver isso, eu instalei manualmente o pacote de kernel headers na AppVM.

O processo completo é o seguinte:

  • uname -r para ver a versão atual do kernel na AppVM
  • Download do pacote kernel-devel-XXXX (onde XXXX é a versão do kernel visto) do ftp do Qubes
  • Instalar manualmente o rpm com o comando sudo dnf install kernel-devel...rpm)
  • Download (via git ou zip) o código do v4l2loopback.
  • Compilar o v4l2loopback com um comando make
  • Copiar o arquivo v4l2loopback.ko para o dom0 com o comando (no dom0) qvm-run -p dev '/home/user/Downloads/v4l2loopback-master/v4l2loopback.ko' > v4l2loopback.ko
  • Ajustar permissões do módulo chmod 0744 v4l2loopback.ko
  • Ajustar owner do módulo sudo chown root:root v4l2loopback.ko
  • Mover módulo para pasta do kernel usado na AppVM dom0$ sudo mv v4l2loopback.ko /usr/lib/modules/[versao]/extra
  • Efetuar sudo depmod [versao].pvops.qubes.x86_64
  • Instalar as ferramentas de produção de kernel no dom0 sudo qubes-dom0-update qubes-kernel-vm-support kernel-devel
  • Rebuildar kernel sudo qubes-prepare-vm-kernel [versao].pvops.qubes.x86_64 [versao].v4l2loopbback.qubes
  • Com a compilação bem sucedida do novo kernel, no gerenciador de VMs do qubes, mudar o kernel da VM onde as gravações e transmissões serão feitas para o novo kernel ([versa].v4l2loopback.qubes)
  • Reinicar a VM
  • Na AppVM carregar o módulo sudo modprobe v4l2loopback exclusive_caps=1 (o exclusive_caps parece ser necessário para funcionar com o chrome - veja aqui)
  • Caso tudo tenha dado certo, o dispositivo /dev/video0 terá sido criado

Testando a Webcam Virtual

Assumindo que o processo completo para instalação do módulo do kernel tenha dado certo e o dispositivo virtual tenha sido criado em /dev/video0, agora podemos testar a webcam virtual.

Em primeiro lugar, faça o download de um vídeo mp4 qualquer de testes (tem um disponível nessa página).

Agora inicie o ffmpeg de forma a mandar o vídeo para o dispositivo webcam virtual:

fmpeg -re -i video.mp4 -f v4l2 /dev/video0

Simulando uma webcam tocando um vídeo

Finalmente, verifique se a webcam está funcionando em algum programa. Caso queira testar pelo navegador, acesse um site de testes de webcam html5 como esse aqui.

Nota: No Chrome tive um problema em que precisei iniciar a transmissão antes de abrir o navegador e também utilizar a opção exclusive_caps=1 ao carregar o módulo kernel. No Firefox tive menos problemas e funcionou no primeiro teste.

Primeiro teste compartilhando o desktop

Transmitindo o Desktop

Finalmente para amarrar todas as pontas e ser capaz de transmitir o desktop do Qubes em um software de teleconferência, execute o comando abaixo em um terminal do dom0:

qvm-run -p \
  --localcmd="/home/matheus/bin/ffmpeg \
    -f x11grab -r 15 -s 800x600 -i :0.0+0,0 \
    -pix_fmt yuv420p -threads 0 -f rawvideo -" \
  untrusted \
  "sleep 3 ; /home/user/bin/ffmpeg \
    -f rawvideo -s:v 800x600 -pix_fmt yuv420p -re -i pipe:  \
    -f v4l2 /dev/video0"

Agora o desktop será exibido como uma webcam e poderá ser gravado. Veja abaixo um demo.


Esse foi o quarto post em uma série sobre o Qubes OS. No próximo post devo fazer uma revisão geral sobre as primeiras semanas de uso na prática.

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