Linux内核eBPF RINGBUF越界访问漏洞（CVE-2021-3489）利用分析
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。本文分析的CVE-2021-3489是在PWN2OWN 2021角逐中使用的漏洞 ，该eBPF漏洞和以往的逻辑验证漏洞差异 ，漏洞泛起在新引入的eBPF RINGBUF功效中 ，导致内存访问越界 ，可实现越界读写到达权限提升。
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。该实现的动机之一是通过在CPU之间共享环形缓冲区来更有效地利用内存。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法式�；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()这组函数将整个过程分为两个步骤。首先 ，预留牢固数量的空间。如果乐成 ，则返回指向环形缓冲区数据区域内数据的指针 ，BPF法式可以像使用数组/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 ，要么被抛弃。discard与commit类似。
在创建BPF_MAP_TYPE_RINGBUF映射时 ，内核将分配两个内存区域。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：
其中 ，pages是内存分配的所有页面集合 ，consumer_pos为消费者计数器 ，producer_pos为生产者计数器 ，分别放在相邻的单独的页面中 ，在该漏洞修复前 ，这两个页面均可以通过MMAP映射到用户空间进行读写操作的。bpf_ringbuf_alloc()函数是实现bpf_ringbuf并初始化的 ，实现代码如下所示：
调用bpf_ringbuf_area_alloc()函数分配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()函数是用来具体分配ringbuf内存区域的 ，该实现如下代码所示：
第一个参数data_sz为申请分配内存的巨细 ，nr_meta_pages为元数据页面数 ，包罗一个不行映射页面和两个可映射页面 ，分别为consumer_pos和producer_pos ，nr_data_pages为实际申请分配内存所需的内存页面数 ，nr_pages为nr_meta_pages和nr_data_pages之和 ，pages用于存放所有页面集合 ，内存分配如下代码所示：
调用bpf_map_area_alloc()函数分配pages指针数组 ，用于存放即将分配的内存页面。然后循环调用alloc_pages_node()函数分配页面并存放在pages中 ，注意到nr_data_pages是双份的。实际内存结构如下所示：
最后 ，调用vmmap()函数将pages中的页面映射到连续虚拟内存空间中 ，如下代码所示：
漏洞原理与修复补丁
该漏洞发生在__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 ，但是并没有判断访问长度巨细 ，导致可以越界访问数据。该函数要害实现如下代码所示：
参数size为访问长度 ，首先判断size是否大于0x3fffffff ，但是并没有判断len是否大于ringbuf的data_sz ，即访问的范围是否大于实际分配的ringbuf内存范围。然后对size+8上限取整为len ，接下来取出rb->producer_pos ，通过prod_pos+len计算出new_prod_pos。
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计算出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：
凭据前文分析 ，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访问长度也是可控的 ，因此可以结构如下条件到达大范围越界访问 ，令producer_pos = 0 ，consumer_pos= 0x3fffffff和size=0x3fffffff。这三个变量可以绕过所有检查 ，最后计算出的new_prod_pos为0x3fffffff+8 ，这是个很大的范围。
该漏洞修复补丁有两部门 ，第一部门是加上了和data_sz巨细的判断 ，防止访问长度超出实际分配的空间范围 ，如下代码所示：
不允许对rb->producer_pos所在内存页面进行写映射。
漏洞利用过程
（1）通过堆喷结构连续内存结构 ，给越界读写提供场景
连续创建多个size=0x1000000的ringbuf ，这里mapfd的ringbuf和victimfd的ringbuf是连续的 ，中间间隔一个页面的guard page
（2）通过eBPF指令结构出越界读写原语
通过eBPF指令访问mapfd的ringbuf ，并调用bpf_ringbuf_reserve()函数获取mapfd的ringbuf->data指针。这里SIZE为0x30000000大于实际分配的内存空间。
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 ，因此可以计算出内核基地址。
（4）劫持返回地址执行代码
通过大量fork子进程 ，在victimfd内存后面得到连续的task_struct内存结构。
同时 ，子进程和父进程通过pipe进行通信 ，这个过程中会调用__x64_sys_read和ksys_read函数并处于阻塞状态 ，然后不停搜索thread内核栈 ，搜索到这两个函数返回地址将其修改成commit_creds和prepare_kernel_cred ，在父进程中解除阻塞状态便可劫持流程进行执行任意代码。
综上利用过程 ，通过精心结构可实现对该漏洞的提权效果。
参考链接：
https://flatt.tech/reports/210401_pwn2own/
京公网安备11010802024551号