Linux内核eBPF RINGBUF越界会见误差（CVE-2021-3489）使用剖析

宣布时间 2022-03-01

近年来 ，，，在PWN2OWN角逐Ubuntu桌面系统破解项目中 ，，，Linux内核eBPF机制一直是热门的攻击面。。。。。。 。本文剖析的CVE-2021-3489是在PWN2OWN 2021角逐中使用的误差 ，，，该eBPF误差和以往的逻辑验证误差差别 ，，，误差泛起在新引入的eBPF RINGBUF功效中 ，，，导致内存会见越界 ，，，可实现越界读写抵达权限提升。。。。。。 。


BPF环形缓冲区及映射


eBPF提供多种类型的映射 ，，，环形缓冲区映射就是其中之一。。。。。。 。该实现的念头之一是通过在CPU之间共享环形缓冲区来更有用地使用内存。。。。。。 。单个RINGBUF环形缓冲区作为 BPF_MAP_TYPE_RINGBUF类型的BPF映射实例泛起给BPF程序。。。。。。 �；；；；固峁┒喔鯞PF_CALL接口函数 ，，，其中bpf_ringbuf_output()功效为允许将数据从一个地方复制到环形缓冲区 ，，，bpf_ringbuf_reserve()/bpf_ringbuf_commit()/bpf_ringbuf_discard()这组函数将整个历程分为两个办法。。。。。。 。首先 ，，，预留牢靠数目的空间。。。。。。 。若是乐成 ，，，则返回指向环形缓冲区数据区域内数据的指针 ，，，BPF程序可以像使用数组/哈希映射内的数据一样使用该指针。。。。。。 。一旦准备好 ，，，这块内存要么被提交 ，，，要么被扬弃。。。。。。 。discard与commit类似。。。。。。 。


在建设BPF_MAP_TYPE_RINGBUF映射时 ，，，内核将分派两个内存区域。。。。。。 。一个是 bpf_ringbuf_map 结构 ，，，类似于其他的映射类型 ，，，另一个是bpf_ringbuf结构。。。。。。 。该结构界说如下图所示：


代码文件.png


其中 ，，，pages是内存分派的所有页面荟萃 ，，，consumer_pos为消耗者计数器 ，，，producer_pos为生产者计数器 ，，，划分放在相邻的单独的页面中 ，，，在该误差修复前 ，，，这两个页面均可以通过MMAP映射到用户空间举行读写操作的。。。。。。 。bpf_ringbuf_alloc()函数是实现bpf_ringbuf并初始化的 ，，，实现代码如下所示：


代码文件.png


挪用bpf_ringbuf_area_alloc()函数分派bpf_ringbuf ，，，然后初始化rb->spinlock ，，，rb->waitq和rb->work ，，，最后设置rb->mask ，，，rb->consumer_pos和rb->producer_pos。。。。。。 。bpf_ringbuf_area_alloc()函数是用来详细分派ringbuf内存区域的 ，，，该实现如下代码所示：


代码文件.png


第一个参数data_sz为申请分派内存的巨细 ，，，nr_meta_pages为元数据页面数 ，，，包括一个不可映射页面和两个可映射页面 ，，，划分为consumer_pos和producer_pos ，，，nr_data_pages为现实申请分派内存所需的内存页面数 ，，，nr_pages为nr_meta_pages和nr_data_pages之和 ，，，pages用于存放所有页面荟萃 ，，，内存分派如下代码所示：


代码文件.png

挪用bpf_map_area_alloc()函数分派pages指针数组 ，，，用于存放即将分派的内存页面。。。。。。 。然后循环挪用alloc_pages_node()函数分派页面并存放在pages中 ，，，注重到nr_data_pages是双份的。。。。。。 。现实内存结构如下所示：


示例图.png

最后 ，，，挪用vmmap()函数将pages中的页面映射到一连虚拟内存空间中 ，，，如下代码所示：


代码文件.png

误差原理与修复补丁


该误差爆发在__bpf_ringbuf_reserve()函数中 ，，，该函数可以返回指向环形缓冲区数据区域内数据的指针 ，，，可是并没有判断会见长度巨细 ，，，导致可以越界会见数据。。。。。。 。该函数要害实现如下代码所示：


代码文件.png


参数size为会见长度 ，，，首先判断size是否大于0x3fffffff ，，，可是并没有判断len是否大于ringbuf的data_sz ，，，即会见的规模是否大于现实分派的ringbuf内存规模。。。。。。 。然后对size+8上限取整为len ，，，接下来取出rb->producer_pos ，，，通过prod_pos+len盘算出new_prod_pos。。。。。。 。


代码文件.png


行333 ，，，首先判断新的生产者位置不凌驾ringbuf的data_sz-1 ，，，确保ringbuf内存空间是富足的。。。。。。 。然后通过rb->data+prod_pos盘算出hdr的位置 ，，，最后将rb->producer_pos更新为new_prod_pos ，，，返回hdr+8位置的指针 ，，，如下代码所示：


代码文件.png


凭证前文剖析 ，，，rb->consumer_pos和rb->producer_pos所在页面是可映射的 ，，，是可控的且没有检查 ，，，size会见长度也是可控的 ，，，因此可以结构如下条件抵达大规模越界会见 ，，，令producer_pos = 0 ，，，consumer_pos= 0x3fffffff和size=0x3fffffff。。。。。。 。这三个变量可以绕过所有检查 ，，，最后盘算出的new_prod_pos为0x3fffffff+8 ，，，这是个很大的规模。。。。。。 。


该误差修复补丁有两部分 ，，，第一部分是加上了和data_sz巨细的判断 ，，，避免会见长度凌驾现实分派的空间规模 ，，，如下代码所示：


代码文件.png


不允许对rb->producer_pos所在内存页面举行写映射。。。。。。 。


误差使用历程


（1）通过堆喷结构一连内存结构 ，，，给越界读写提供场景

一连建设多个size=0x1000000的ringbuf ，，，这里mapfd的ringbuf和victimfd的ringbuf是一连的 ，，，中心距离一个页面的guard page


代码文件.png

（2）通过eBPF指令结构出越界读写原语

通过eBPF指令会见mapfd的ringbuf ，，，并挪用bpf_ringbuf_reserve()函数获取mapfd的ringbuf->data指针。。。。。。 。这里SIZE为0x30000000大于现实分派的内存空间。。。。。。 。


代码文件.png


偏移size*2+0x1000跳过mapfd的ringbuf ，，，再偏移8处是victimfd的ringbuf->wait_queue_head->list_head ，，，偏移40处是ringbuf-> irq_work->func ，，，初始化bpf_ringbuf时 ，，，func为bpf_ringbuf_notify ，，，因此可以盘算出内核基地点。。。。。。 。


（4）挟制返回地点执行代码

通过大宗fork子历程 ，，，在victimfd内存后面获得一连的task_struct内存结构。。。。。。 。


代码文件.png


同时 ，，，子历程和父历程通过pipe举行通讯 ，，，这个历程中会挪用__x64_sys_read和ksys_read函数并处于壅闭状态 ，，，然后一直搜索thread内核栈 ，，，搜索到这两个函数返回地点将其修改成commit_creds和prepare_kernel_cred ，，，在父历程中扫除壅闭状态便可挟制流程举行执行恣意代码。。。。。。 。      


综上使用历程 ，，，通过全心结构可实现对该误差的提权效果。。。。。。 。


        

参考链接： 

https://flatt.tech/reports/210401_pwn2own/