从DirectX到Windows内核——几个CVE漏洞浅析

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一、前言

操作系统内核是每个漏洞利用链的最终目标,大家可以查看Zero Day Initiative (ZDI) Pwn2Own历年比赛,了解这方面内容。Windows内核一直以来都是攻击者热衷的目标,我最喜欢的就是滥用DeviceIoControl调用来与各种驱动打交道,这样就能访问许多厂商编写的各种驱动,其中许多驱动代码写得并不完善,也没有经过完备测试。

多年以来,许多攻击者都借助win32k.sys来攻击Windows内核,这是一个内核模式设备驱动,可以控制Windows图形及窗口管理系统。当微软将该功能从CSRSS中迁移到内核时,进入Windows内核的攻击面也增加了1倍或者3倍,从那时起这已经成为许多漏洞的发源地。

在过去十年期间,自从WDDM(Windows Display Driver Model)取代早期的XDDM后,大家又找到了另一个巨大的攻击面。显示系统调用操作首先会经过win32k.sys处理,但在此之后,用户进程就可以直接调用dgxkrnl.sys,或者通过GDIPlus中的入口点直接调用其他驱动。这进一步扩大了攻击面,因此引起了研究人员的浓厚兴趣。

2018年春季,ZDI从腾讯ZhanluLab的ChenNan及RanchoIce手中购买了5个针对DirectX内核接口的漏洞,利用这些漏洞成功从微软获取了4个CVE编号。本文分析了这些漏洞,并且提供了相应的PoC代码(代码已在我们网站上公布)。

此外,Rancho和ChenNan在9月份的44CON会议上介绍过其中一种攻击技术(ZDI-18-946/CVE-2018-8405),强烈建议大家去学习此次演讲的演示文稿

 

二、DirectX概览

在分析漏洞之前,我们首先来简要回顾一下DirectX接口及驱动。

DirectX图形内核子系统由3个内核模式驱动所组成:dxgkrnl.sysdxgmms1.sys以及dxgmms2.sys。这些驱动会通过win32k.sys以及自己的接口来与用户通信。此外,这些驱动也会与BasicRender.sysBasicDisplay.sys以及miniport(微型端口)显示驱动通信。

DirectX定义了许多复杂的内核对象,大部分对象名以DXG开头。用户通过许多复杂的API接口与DirectX交互,其中许多接口以D3DKMT开头,其他接口以DXGK开头。

其中比较有趣的部分入口点如下所示:

  • D3DKMTEscape:这个入口点以用户完全可控的一段数据作为输入。输入数据可能非常大,因此系统很有可能将其存储在用户内存中,而不会在切换到内核处理期间在内核中捕获这段数据。这样一来,如果没有妥善处理,相关内核例程就很容易存在TOC/TOU( time of check,time of use,基于检验时间/使用时间的一种异步攻击)漏洞。这段数据并不是标准化结构,每个驱动都有自己的定义。
  • D3DKMTRender:这个入口点是实际渲染图形数据的核心。来自用户地址的命令以及patch缓冲区会交由内核驱动来解释,实际上这些数据会传递给miniport驱动。同样,这也是竞争条件问题的滋生地。此外,渲染过程还会生成worker线程,更容易出现竞争条件漏洞。
  • D3DKMTCreateAllocation:这个入口点用来分配内存。由于传递给API的不同标志和句柄之间有各种复杂的相互作用,因此可能会出现一些问题(参考下文的ZDI-18-946内容)。

从攻击角度来看,来自IOActive的Ilja van Sprundel曾在2014年的Black Hat会议上做过关于WDDM的一次演讲,题目为“Windows Kernel Graphics Driver Attack Surface”,这是非常好的概述资料。强烈推荐大家先参考这份材料,其中详细介绍了有关WDDM内核方面的复杂攻击面。

 

三、漏洞分析

大家可以访问此处下载PoC源代码。如果大家想复现崩溃问题,需要安装2018年8月份之前的Windows版本(当时Windows还没打上补丁)。在测试过程中,记得将内核调试器attach目标主机上,并在待攻击的驱动上设置Special Pool(特殊池)。我已在Windows 10 x64位系统上测试过本文分析的这些漏洞。

ZDI-18-946/CVE-2018-8405:D3DKMTCreateAllocation类型混淆漏洞

我们分析的第一个漏洞位于dgxkrnl.sysDXGDEVICE::CreateAllocation方法中,可通过D3DKMTCreateAllocation接口触发,本地攻击者可以利用该漏洞将权限提升到SYSTEM级别。大家可以访问此处阅读我们的安全公告,访问此处获取微软补丁。漏洞根源在于驱动没有正确验证用户提供的数据,导致存在类型混淆情况。

为了复现漏洞,我们需要在运行PoC之前在dxgkrnl.sys上设置一个Special Pool。类型混淆问题源自于在pool分配中没有正确使用CrossAdapter标志。在pool分配过程中,PoC代码将CrossAdapter标志设置为0,然后将所得句柄传递给第2个分配过程,其中CrossAdapter标志被设置为1

蓝屏信息分析如下:

错误代码位于DXGDEVICE::CreateAllocation,这是一个在分配过程结束时的一个典型的类型混淆问题:

ZDI-18-947/CVE-2018-8406:D3DKMTRender类型混淆漏洞

下一个漏洞位于dxgmms2.sys驱动中,可通过D3DKMTRender方法触发。攻击者同样可以利用这个漏洞将权限提升到SYSTEM级别。大家可以访问此处了解我们的安全公告,访问此处获取相应补丁。与第一个漏洞一样,这个bug会导致出现类型混淆情况。虽然本质上相似,但这些bug的根本原因并不相同。

同样,我们需要在dxgkrnl.sysdxgmms2.sys上启用Special Pool才能复现bug,当然我们也需要将内核调试器attach到目标主机。这个类型混淆源自于两个不同适配器之间混乱的分配操作。

相关PoC代码如下:

PoC崩溃细节:

存在漏洞代码如下:

ZDI-18-950/CVE-2018-8400:D3DKMTRender不可信指针引用解析漏洞

这个漏洞同样可以由D3DKMTRender例程触发。漏洞位于dxgkrnl.sysDGXCONTEXT::ResizeUserModeBuffers方法中。大家可以访问此处了解我们的安全公告,访问此处获取微软补丁。由于驱动在将用户提供的值作为指针解析引用(dereference)时,并没有正确验证这个值,因此导致这个bug出现。出现指针dereference问题,是因为驱动会信任用户设置的一个标志。相关PoC细节如下:

导致出现崩溃现象:

调用栈:

存在漏洞的代码:

显然,用户提供的标志本不应该导致内核中出现任意dereference问题。

ZDI-18-951/CVE-2018-8401:BasicRender竞争条件漏洞

最后一个漏洞稍微有点复杂,漏洞位于BasicRender驱动对D3DKMTMarkDeviceAsError API以及D3DKMTSubmitCommand API的处理过程中。大家可以访问此处阅读我们的安全公告,访问此处下载微软补丁。这个漏洞中,共享资源并没有得到适当的保护,可能导致出现内存破坏问题。攻击者可以利用这个漏洞将权限提升为SYSTEM级别。恶意软件经常使用这类权限提升方法,在用户不小心点击某些东西的时候将自己安装到目标系统中。需要注意的是,微软为这个bug和ZDI-18-949分配了同一个CVE编号,表明这两个漏洞的根本原因相同。

这两个漏洞的PoC代码存在相关性,但有所区别。

第一个PoC的关键代码如下:

每次调用SubmitCommand时都会通过VidSchiWorkerThread生成一个线程。调用MakeDeviceError会修改相同对象的状态,导致出现竞争条件。

最终会出现崩溃:

对同一个位置有两次修改,出现竞争条件:

对于ZDI-18-949,虽然漏洞根源一样,但我们还是可以在PoC代码中看到不同之处。PoC中关键代码如下:

执行这个PoC会导致Run方法崩溃:

存在漏洞的代码如下:

存在漏洞的代码会在第二次运行Run时崩溃。

 

四、总结

WDDM以及DirectX图形内核代码使用了许多复杂对象、为用户代码创建许多新的复杂接口,从而为Windows提供了非常强大和灵活的图形系统。分析前文提供的PoC后,大家应该对DirectX在对象实现上的复杂度以及未来该领域可以研究的方向有所了解,我认为该领域还有许多尚未挖掘的财富。

通过直接静态分析方法,我们还是可以获取一些攻击信息,然而这肯定是一项艰巨的任务。还有一种可能采取的方法,我们可以部署一个模糊测试框架,在不同的标志上设置不同的值,然后以不同的顺序来调用DirectX方法,查找崩溃点。当然,我们也可以添加多个线程修改及释放数据,来寻找是否存在竞争条件和TOC/TOU问题。另外别忘了在所有相关驱动上设置Special Pool。

老生常谈,Zero Day Initiative对新漏洞非常感兴趣,当大家发现新漏洞时,可以通过推特(@FritzSands)联系我,也可以关注我们团队的推特获取最新漏洞利用技术和安全补丁信息。

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