作者： 林以、高凝@螞蟻安全實驗室
原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/1KYTZynabBqzNjoJhe1bWw
在今年的Black Hat Asia上，螞蟻安全實驗室共入選了5個議題和3個工具。本期分享的是螞蟻光年實驗室的議題《清道夫：誤用“錯誤處理代碼”導致的QEMU/KVM逃逸》。
本研究設計了針對QEMU Hypervisor系統中錯誤處理代碼的導向性模糊測試技術（Directed Fuzzing），利?距離引導（Distance-guided）的策略使模糊測試（Fuzzing）遍歷所有的錯誤處理代碼。通過Fuzzing發現了?個存在于錯誤處理上下?的漏洞，該漏洞的直接后果會導致釋放?塊未初始化的內存，我們將其命名為“清道夫”（scavenger）。
由于該漏洞的類型并不常規，并且當前針對虛擬機逃逸的漏洞案例?常少，可供參考的材料?缺，導致該漏洞實際利?的難度極其?，我們很難在QEMU代碼本身中找到有效的數據結構來完成漏洞利?所需的內存布局。由此，我們提出了?種新型的跨虛擬機內存域攻擊，這是在本領域?次提出這個概念，根據?戶天然地完全可控客戶機內存的特性，利?客戶機內存來構造任意讀寫的原語（primitive），從?輔助主機進程進?內存布局劫持控制流，最終完成漏洞利?實現虛擬機逃逸，從客戶機端獲取主機的完全控制權限。
01 背 景
1.1 QEMU
QEMU是一個通用的、開源的機器仿真器和虛擬機。它支持多種體系結構，如Ia32、x86-64、mips、 sparc、arm、risc-v等。此外，它還包括大量的仿真設備，包括NVMe控制器。同時，QEMU在安全研究中有著廣泛的應用，如物聯網固件仿真、用于黑盒Fuzzing的afl-QEMU、動態插樁平臺等。隨之而來的是，QEMU有很多攻擊?，特別是設備仿真，因為他允許攻擊者從客戶機向主機寫入數據。高質量的漏洞允許攻擊者從VM中逃逸出來控制主機。
1.2 NVMe虛擬設備
NVMe?于提供虛擬固態硬盤（SSD）服務，為 PCIe SSD的來賓和主機之間的通信定義了?個優化的寄存器接?、CMD和功能集。NVMe對 SR-IOV等 I/O虛擬化體系結構提供了?效的?持，這使得它在SSD設備仿真中越來越流?。QEMU中也同樣?持了對 NVMe設備的模擬。
02 針對錯誤處理代碼的導向性Fuzzing
2.1 動機
我們的?作受啟發于CVE-2020-25084漏洞，其原因是誤?錯誤處理代碼。該漏洞成因是出現在設置USB數據包時，設備沒有檢查 usb_packet_map函數的返回狀態，?在該函數內部存在?段釋放內存的錯誤處理代碼。
假如未判斷usb對象是否被釋放，則在后續使?對象的過程中會導致uaf漏洞。QEMU官?的 patch是通過添加錯誤檢查代碼來修復此漏洞，以便在usb_packet_map函數申請失敗時停?處理usb請求。此漏洞會導致拒絕服務并可能被逃逸利?。
2.2 設計
我們經過調查發現QEMU中的錯誤處理代碼可以分為以下?類：調試報告和資源釋放。其中調試報告代碼只執?調試報告，不操作運?時資源，此類別不會對QEMU造成內存損壞的有害?為。?資源釋放類別可以進?步分為釋放內存或?件處理程序，以及釋放鎖類別。對于內存釋放類別的錯誤處理代碼，如果調?者不檢查返回值/狀態并濫?釋放的內存，此?為可能會導致uaf漏洞。對于鎖釋放類別的錯誤處理代碼，如果不謹慎使?則可能導致競爭條件漏洞。
我們觀察到?多數的錯誤處理都是由goto跳轉?來。因此，我們設計了如下針對錯誤處理代碼的導向性 Fuzzing技術：
1.定位到代碼中的goto語句，通過反向切?分析，得到goto的調?者和goto語句體；
2.我們使?AFLGo作為我們的Directed Fuzzing引擎，在步驟1收集的信息被?來作為反饋給AFLGo；
3.在預處理階段，goto語句的代碼體是我們模糊處理過程的?標點，?于計算種?距離。在 Fuzzing loop過程中，我們基于距離引導策略來執?調度，并考慮到調?路徑覆蓋率，使 Fuzzing過程遍歷所有的錯誤處理代碼及其調?路徑。
03 漏洞分析
通過上述Fuzzing過程我們發現了 Scavenger漏洞，我們利?該漏洞在2020天府杯原創漏洞演示賽上完成QEMU?默認設備逃逸。該漏洞的基本信息如下：
· 名稱：清道夫(Scavenger)
·類型：NVMe設備的未初始化釋放(Uninitialized Free)漏洞
· 影響版本：QEMU-5.1.0及以前版本
· 漏洞利?環境：主機Ubuntu20.04, 客戶機Ubuntu20.04, 保護全開（NX，ASLR， PIE等）
此漏洞位于nvme_map_prp函數中，函數有兩種初始化類型，類型1是iovec，類型2是 sglist，但是在錯誤處理中只針對sglist類型進?釋放。這種錯誤處理代碼的誤使?導致 malloc/free對不?致。
例如， 該函數預期是初始化類型 2 sglist，如果它進?錯誤狀態，它將轉到unmap label以釋放qsg結構。但是實際上，我們可以控制程序讓其?先初始化類型1 iovec，然后轉到錯誤處理代碼來釋放qsg結構。此時qsg是處于未初始化狀態，這會導致未初始化Free漏洞。
04 漏洞利用
4.1 思路分析
?先，讓我們看看這個錯誤處理函數 qemu_sglist_destroy中發?了什么。如上所述，通過不?致的malloc/free對，這?的參數 qsg并沒有初始化過。這個函數存在著?個危險的操作 - 釋放了這個未初始化結構中的第?個元素sg。雖然這是?個未初始化的變量，但其實它是可以被初始化的，因為攻擊者可以控制執?環境并在相應的內存位置放置惡意構造的數據。這意味著，如果攻擊者可以控制未初始化的內存，則可以達到?個任意地址Free的效果。
我們需要確認這個未初始化結構是否可以被攻擊者控制。所以我們想知道qsg是從哪?來的？通過審計源代碼并搜索找到nvme_map_prp函數的引?，我們發現有三個可以觸發未初始化 Free漏洞的函數的代碼路徑。它們分別屬于不同的函數調?棧：分別由 nvme_dma_read_prp，nvme_dma_write_prp以及 nvme_rw調??漏洞函數。
在前兩條路徑中qsg屬于棧上的未初始化變量，但是由于NVMe設備的功能相對?較簡單， 我們在回溯函數調?鏈時，并沒有在對應偏移的棧上找到?戶可控的數據，也就意味著棧上的未初始化在這?是不可控的。
我們最終鎖定在第三條路徑，在該路徑上qsg屬于堆上的未初始化變量。其在nvme_init_sq中申請了全局堆變量io_req，其中qsg成員并未被初始化。然后在后續?到漏洞函數時會 使?該全局變量，觸發路徑為：nvme_process_sq->nvme_io_cmd->nvme_rw->nvme_map_prp。由于該變量是位于堆上，我們便可以使?堆??之類的技術控制其內容的。
現在給定了堆未初始化Free漏洞，我們需要確定具體去釋放什么對象。?個很直觀的想法是將未初始化Free轉換成UAF。這需要我們?先能找到?個?戶控制的結構體。在使?之前事先填充好結構 - 將 qsg偏移對應的字段指向在堆中可控的?個對象。然后再利?漏洞觸發未初始化Free，我們就能Free掉?個正在使?的對象，相當于得到了?個UAF。但事實上找到這樣的原語并不容易。我們?先需要?個N*0xa0??的結構，結構體的0x40偏移處有?個指針，同時該指針必須指向?個?戶可控的對象。最重要的是，該對象的分配和使?之間應該有?個時間窗?，這樣我們才能再對象被釋放后再次去使?它。
經過多次嘗試，我們并沒有找到這樣的原語，因為上述的限制太過于嚴苛。例如，我們發現 NVMe和其他傳統設備以及?些復雜設備的結 構都不能滿?這?要求。QEMU中的?多數結構不是?戶可控的，可以說 QEMU的原語是相當有限的。
然?，我們在 Virtio gpu設備中發現了?個有趣的結構。該設備在 virtio_gpu_create_mapping_iov 函數中分配了?個地址映射表。這張表是由指針和?度組成的序列。該結構的??可控，有指針成員，看起來是?個不錯的結構。但不同的是，這?的指針指向guest空間，是由dma_memory_map映射?來的，其代表 的是將guest物理內存映射到host的虛擬地址，通過該地址QEMU可以直接在host進程中去操縱guest內存。
由Virtio-gpu的映射表所啟發，或許我們不需要在主機進程上尋找?個?戶可控的讀寫原語。對于QEMU進程來說，客戶機內存和堆內存都是map出來的?段地址空間，?定程度上來說客戶機內存也可以視作是?種堆內存。客戶機內存既映射到QEMU主機進程，也由客戶機VM所控制，我們可以認為它是主機和客戶機之間的共享內存。
主機進程對該物理映射區域所做的任何更改都會作?于客戶機內存中。同時對于客戶機來說，其本身是可以在任意時間任意讀寫?身內存的。那么如果我們直接在客戶機空間中釋放?個偽造的堆塊 會怎么樣呢？
4.2 跨虛擬機內存域攻擊
由此，我們提出了跨虛擬機內存域攻擊 - 根據?戶天然地完全可控客戶機內存的特性，利?客戶機內存來構造任意讀寫的原語（primitive）。具體步驟如下：
1.在本環境中客戶機和主機均為Ubuntu，我們便只需在客戶機空間正常malloc操作就能得到偽造堆塊；
2.預先填充好堆內存，其中指針指向客戶機空間的偽造堆塊；
3.申請未初始化的req結構體；
4.觸發未初始化Free，這樣QEMU進程便會把客戶機中的偽造堆塊添加到主機堆空間的Freelist中了；
5.由于攻擊者在客戶機空間天然具有讀寫權限，此時對該偽造堆塊操作就能達到UAF的效果。
4.3 完整利用鏈
現在已經將未初始化Free漏洞利?轉換成 UAF的漏洞利?，剩下的就是常規UAF的利?思路了。?先，我們需要找到?個信息泄漏繞過 ASLR。然后我們需要操縱堆布局來劫持控制流。最后執?任意命令，在主機上執?代碼。
1.堆噴
?先，我們需要做?些堆噴，以獲得穩定的系統堆布局。我們頻繁調?nvme_init_sq函數來噴 射?量的塊來清空tcache Freelist。通過這種?式，我們可以防?接下來釋放的塊合并到?塊中，以得到更可靠的利?。
2.繞過ASLR
· Guest空間申請?個0x290的偽造堆塊；
· Host空間申請Virtio-gpu的映射表，其中對應的指針指向偽造堆塊；
· 釋放映射表，在堆中留下預先設置好的狀態；
· 申請io_req結構體，其中未初始化的域正好指向偽造堆塊；
· 利?漏洞釋放掉偽造堆塊，主機將把它當作?個正常的堆塊，并將其加?tcache bins中；
· 釋放的偽造堆塊中將留下主機的堆地址，在客戶機中得到堆地址泄漏；
· 在主機中再次申請?個0x290的映射表，這塊表將會被分配到客戶機中（從 tcache bins頭部取出）；
· 客戶機再次讀該堆塊得到physical map地址泄漏；
· nvme_init_sq中存在分配timer的原語，我們重復上述步驟將QEMU timer分配到客戶機空間中；
· 客戶機讀timer中的cb函數指針得到 QEMU binary地址泄漏。
3.劫持控制流
· 根據QEMU binary地址，計算得system函數偏移；
· 修改timer的cb函數指針為system地址，opaque 參數為“;gnome-calculator”；
· 運?定時器，控制RIP。
05 總結
先前的QEMU逃逸相?，Scavenger有三點不同之處。在攻擊?上，先前的逃逸漏洞CVE-2020-14364位于USB模塊，CVE-2019-14378和 CVE-2019-14835位于Slirp模塊，CVE-2019-5049位于AMD ATIDXX64.DLL driver，? Scavenger位于 NVMe存儲設備。
在漏洞類型上，?乎所有已知的漏洞是由于緩沖區溢出或者UAF引起的，然?Scavenger是錯誤處理代碼中的未初始化Free漏洞，這需要在漏洞利???有更多的直覺和技巧。在漏洞利?技術上，現有的利?技術?乎都是試圖在主機進程上找到可控數據，并構造攻擊原語，如任意讀寫。相反，我們利?客戶機內存來輔助主機的內存布局，通過跨 hypervisor域操縱內存，為我們提供了 讀/寫原語。
跨虛擬機內存域攻擊為我們提供了?個全新的攻擊維度。這種跨虛擬機內存域攻擊技術是通?的，只要攻擊者有漏洞可以任意控制要Free的對象，那么攻擊者就可以達到遠程代碼執?（RCE），實現虛擬機逃逸。在本環境中主機和客戶機均為 Ubuntu，這為我們偽造堆塊帶來了便利，因為 Linux中的基本堆塊沒有加密。但是如果堆頭是加密的，攻擊難度就會更??些，例如在 Windows中。我們相信這種攻擊也會影響其他Hypervisor程序，如 VirtualBox、VMware。
本文由 Seebug Paper 發布，如需轉載請注明來源。本文地址：http://www.bjnorthway.com/1619/
暫無評論