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利用一个堆溢出漏洞实现VMware虚拟机逃逸

1. 介绍

2017年3月,长亭安全研究实验室(Chaitin Security Research Lab)参加了Pwn2Own黑客大赛,我作为团队的一员,一直专注于VMware Workstation Pro的破解,并成功在赛前完成了一个虚拟机逃逸的漏洞利用。(很不)幸运的是,就在Pwn2Own比赛的前一天(3月14日),VMware发布了一个新的版本,其中修复了我们所利用的漏洞。在本文中,我会介绍我们从发现漏洞到完成利用的整个过程。感谢@kelwin在实现漏洞利用过程中给予的帮助,也感谢ZDI的朋友,他们近期也发布了一篇相关博客,正是这篇博文促使我们完成本篇writeup。

本文主要由三部分组成:首先我们会简要介绍VMware中的RPCI机制,其次我们会描述本文使用的漏洞,最后讲解我们是如何利用这一个漏洞来绕过ASLR并实现代码执行的。

2. VMware RPCI机制

VMware实现了多种虚拟机(下文称为guest)与宿主机(下文称文host)之间的通信方式。其中一种方式是通过一个叫做Backdoor的接口,这种方式的设计很有趣,guest只需在用户态就可以通过该接口发送命令。VMware Tools也部分使用了这种接口来和host通信。我们来看部分相关代码(摘自open-vm-tools中的lib/backdoor/backdoorGcc64.c):

void  Backdoor_InOut(Backdoor_proto *myBp) // IN/OUT  {
   uint64 dummy;

   __asm__ __volatile__(#ifdef __APPLE__
        /*         * Save %rbx on the stack because the Mac OS GCC doesn't want us to         * clobber it - it erroneously thinks %rbx is the PIC register.         * (Radar bug 7304232)         */
        "pushq %%rbx"           "\n\t"#endif
        "pushq %%rax"           "\n\t"
        "movq 40(%%rax), %%rdi" "\n\t"
        "movq 32(%%rax), %%rsi" "\n\t"
        "movq 24(%%rax), %%rdx" "\n\t"
        "movq 16(%%rax), %%rcx" "\n\t"
        "movq  8(%%rax), %%rbx" "\n\t"
        "movq   (%%rax), %%rax" "\n\t"
        "inl %%dx, %%eax"       "\n\t"  /* NB: There is no inq instruction */
        "xchgq %%rax, (%%rsp)"  "\n\t"
        "movq %%rdi, 40(%%rax)" "\n\t"
        "movq %%rsi, 32(%%rax)" "\n\t"
        "movq %%rdx, 24(%%rax)" "\n\t"
        "movq %%rcx, 16(%%rax)" "\n\t"
        "movq %%rbx,  8(%%rax)" "\n\t"
        "popq          (%%rax)" "\n\t"#ifdef __APPLE__
        "popq %%rbx"            "\n\t"#endif
      : "=a" (dummy)
      : "0" (myBp)
      /*       * vmware can modify the whole VM state without the compiler knowing       * it. So far it does not modify EFLAGS. --hpreg       */
      :#ifndef __APPLE__
      /* %rbx is unchanged at the end of the function on Mac OS. */
      "rbx",#endif
      "rcx", "rdx", "rsi", "rdi", "memory"
   );}

上面的代码中出现了一个很奇怪的指令inl。在通常环境下(例如Linux下默认的I/O权限设置),用户态程序是无法执行I/O指令的,因为这条指令只会让用户态程序出错并产生崩溃。而此处这条指令产生的权限错误会被host上的hypervisor捕捉,从而实现通信。Backdoor所引入的这种从guest上的用户态程序直接和host通信的能力,带来了一个有趣的攻击面,这个攻击面正好满足Pwn2Own的要求:“在这个类型(指虚拟机逃逸这一类挑战)中,攻击必须从guest的非管理员帐号发起,并实现在host操作系统中执行任意代码”。guest将0x564D5868存入$eax,I/O端口号0x5658或0x5659存储在$dx中,分别对应低带宽和高带宽通信。其它寄存器被用于传递参数,例如$ecx的低16位被用来存储命令号。对于RPCI通信,命令号会被设为BDOOR_CMD_MESSAGE(=30)。文件lib/include/backdoor_def.h中包含了一些支持的backdoor命令列表。host捕捉到错误后,会读取命令号并分发至相应的处理函数。此处我省略了很多细节,如果你有兴趣可以阅读相关源码。

2.1 RPCI

远程过程调用接口RPCI(Remote Procedure Call Interface)是基于前面提到的Backdoor机制实现的。依赖这个机制,guest能够向host发送请求来完成某些操作,例如,拖放(Drag n Drop)/复制粘贴(Copy Paste)操作、发送或获取信息等等。RPCI请求的格式非常简单:<命令> <参数>。例如RPCI请求info-get guestinfo.ip可以用来获取guest的IP地址。对于每个RPCI命令,在vmware-vmx进程中都有相关注册和处理操作。

需要注意的是有些RPCI命令是基于VMCI套接字实现的,但此内容已超出本文讨论的范畴。

3. 漏洞

花了一些时间逆向各种不同的RPCI处理函数之后,我决定专注于分析拖放(Drag n Drop,下面简称为DnD)和复制粘贴(Copy Paste,下面简称为CP)功能。这部分可能是最复杂的RPCI命令,也是最可能找到漏洞的地方。在深入理解的DnD/CP内部工作机理后,可以很容易发现,在没有用户交互的情况下,这些处理函数中的许多功能是无法调用的。DnD/CP的核心功能维护了一个状态机,在无用户交互(例如拖动鼠标从host到guest中)情况下,许多状态是无法达到的。

我决定看一看Pwnfest 2016上被利用的漏洞,该漏洞在这个VMware安全公告中有所提及。此时我的idb已经标上了很多符号,所以很容易就通过bindiff找到了补丁的位置。下面的代码是修补之前存在漏洞的函数(可以看出services/plugins/dndcp/dnddndCPMsgV4.c中有对应源码,漏洞依然存在于open-vm-tools的git仓库的master分支当中):

static Bool  DnDCPMsgV4IsPacketValid(const uint8 *packet,  
                        size_t packetSize){
   DnDCPMsgHdrV4 *msgHdr = NULL;
   ASSERT(packet);

   if (packetSize < DND_CP_MSG_HEADERSIZE_V4) {
      return FALSE;
   }

   msgHdr = (DnDCPMsgHdrV4 *)packet;

   /* Payload size is not valid. */
   if (msgHdr->payloadSize > DND_CP_PACKET_MAX_PAYLOAD_SIZE_V4) {
      return FALSE;
   }

   /* Binary size is not valid. */
   if (msgHdr->binarySize > DND_CP_MSG_MAX_BINARY_SIZE_V4) {
      return FALSE;
   }

   /* Payload size is more than binary size. */
   if (msgHdr->payloadOffset + msgHdr->payloadSize > msgHdr->binarySize) { // [1]
      return FALSE;
   }

   return TRUE;}Bool  DnDCPMsgV4_UnserializeMultiple(DnDCPMsgV4 *msg,  
                               const uint8 *packet,
                               size_t packetSize){
   DnDCPMsgHdrV4 *msgHdr = NULL;
   ASSERT(msg);
   ASSERT(packet);

   if (!DnDCPMsgV4IsPacketValid(packet, packetSize)) {
      return FALSE;
   }

   msgHdr = (DnDCPMsgHdrV4 *)packet;

   /*    * For each session, there is at most 1 big message. If the received    * sessionId is different with buffered one, the received packet is for    * another another new message. Destroy old buffered message.    */
   if (msg->binary &&
       msg->hdr.sessionId != msgHdr->sessionId) {
      DnDCPMsgV4_Destroy(msg);
   }

   /* Offset should be 0 for new message. */
   if (NULL == msg->binary && msgHdr->payloadOffset != 0) {
      return FALSE;
   }

   /* For existing buffered message, the payload offset should match. */
   if (msg->binary &&
       msg->hdr.sessionId == msgHdr->sessionId &&
       msg->hdr.payloadOffset != msgHdr->payloadOffset) {
      return FALSE;
   }

   if (NULL == msg->binary) {
      memcpy(msg, msgHdr, DND_CP_MSG_HEADERSIZE_V4);
      msg->binary = Util_SafeMalloc(msg->hdr.binarySize);
   }

   /* msg->hdr.payloadOffset is used as received binary size. */
   memcpy(msg->binary + msg->hdr.payloadOffset,
          packet + DND_CP_MSG_HEADERSIZE_V4,
          msgHdr->payloadSize); // [2]
   msg->hdr.payloadOffset += msgHdr->payloadSize;
   return TRUE;}

对于Version 4的DnD/CP功能,当guest发送分片DnD/CP命令数据包时,host会调用上面的函数来重组guest发送的DnD/CP消息。接收的第一个包必须满足payloadOffset为0,binarySize代表堆上分配的buffer长度。[1]处的检查比较了包头中的binarySize,用来确保payloadOffset和payloadSize不会越界。在[2]处,数据会被拷入分配的buffer中。但是[1]处的检查存在问题,它只对接收的第一个包有效,对于后续的数据包,这个检查是无效的,因为代码预期包头中的binarySize和分片流中的第一个包相同,但实际上你可以在后续的包中指定更大的binarySize来满足检查,并触发堆溢出。

所以,该漏洞可以通过发送下面的两个分片来触发:

packet 1{  
 ...
 binarySize = 0x100
 payloadOffset = 0
 payloadSize = 0x50
 sessionId = 0x41414141
 ...
 #...0x50 bytes...#}packet 2{  
 ...
 binarySize = 0x1000
 payloadOffset = 0x50
 payloadSize = 0x100
 sessionId = 0x41414141
 ...
 #...0x100 bytes...#}

有了以上的知识,我决定看看Version 3中的DnD/CP功能中是不是也存在类似的问题。令人惊讶的是,几乎相同的漏洞存在于Version 3的代码中(这个漏洞最初通过逆向分析来发现,但是我们后来意识到v3的代码也在open-vm-tools的git仓库中):

Bool  DnD_TransportBufAppendPacket(DnDTransportBuffer *buf,          // IN/OUT  
                             DnDTransportPacketHeader *packet, // IN
                             size_t packetSize)                // IN{
   ASSERT(buf);
   ASSERT(packetSize == (packet->payloadSize + DND_TRANSPORT_PACKET_HEADER_SIZE) &&
          packetSize <= DND_MAX_TRANSPORT_PACKET_SIZE &&
          (packet->payloadSize + packet->offset) <= packet->totalSize &&
          packet->totalSize <= DNDMSG_MAX_ARGSZ);

   if (packetSize != (packet->payloadSize + DND_TRANSPORT_PACKET_HEADER_SIZE) ||
       packetSize > DND_MAX_TRANSPORT_PACKET_SIZE ||
       (packet->payloadSize + packet->offset) > packet->totalSize || //[1]
       packet->totalSize > DNDMSG_MAX_ARGSZ) {
      goto error;
   }

   /*    * If seqNum does not match, it means either this is the first packet, or there    * is a timeout in another side. Reset the buffer in all cases.    */
   if (buf->seqNum != packet->seqNum) {
      DnD_TransportBufReset(buf);
   }

   if (!buf->buffer) {
      ASSERT(!packet->offset);
      if (packet->offset) {
         goto error;
      }
      buf->buffer = Util_SafeMalloc(packet->totalSize);
      buf->totalSize = packet->totalSize;
      buf->seqNum = packet->seqNum;
      buf->offset = 0;
   }

   if (buf->offset != packet->offset) {
      goto error;
   }

   memcpy(buf->buffer + buf->offset,
          packet->payload,
          packet->payloadSize);
   buf->offset += packet->payloadSize;
   return TRUE;error:  
   DnD_TransportBufReset(buf);
   return FALSE;}

Version 3的DnD/CP在分片重组时,上面的函数会被调用。此处我们可以在[1]处看到与之前相同的情形,代码依然假设后续分片中的totalSize会和第一个分片一致。因此这个漏洞可以用和之前相同的方法触发:

packet 1{  
 ...
 totalSize = 0x100
 payloadOffset = 0
 payloadSize = 0x50
 seqNum = 0x41414141
 ...
 #...0x50 bytes...#}packet 2{  
 ...
 totalSize = 0x1000
 payloadOffset = 0x50
 payloadSize = 0x100
 seqNum = 0x41414141
 ...
 #...0x100 bytes...#}

在Pwn2Own这样的比赛中,这个漏洞是很弱的,因为它只是受到之前漏洞的启发,而且甚至可以说是同一个。因此,这样的漏洞在赛前被修补并不惊讶(好吧,也许我们并不希望这个漏洞在比赛前一天被修复)。对应的VMware安全公告在这里。受到这个漏洞影响的VMWare Workstation Pro最新版本是12.5.3。

接下来,让我们看一看这个漏洞是如何被用来完成从guest到host的逃逸的!

4. 漏洞利用

为了实现代码执行,我们需要在堆上覆盖一个函数指针,或者破坏C++对象的虚表指针。

首先让我们看一看如何将DnD/CP协议的设置为version 3,依次发送下列RPCI命令即可:

tools.capability.dnd_version 3  
tools.capability.copypaste_version 3  
vmx.capability.dnd_version  
vmx.capability.copypaste_version

前两行消息分别设置了DnD和Copy/Paste的版本,后续两行用来查询版本,这是必须的,因为只有查询版本才会真正触发版本切换。RPCI命令vmx.capability.dnd_version会检查DnD/CP协议的版本是否已被修改,如果是,就会创建一个对应版本的C++对象。对于version 3,2个大小为0xA8的C++对象会被创建,一个用于DnD命令,另一个用于Copy/Paste命令。

这个漏洞不仅可以让我们控制分配的大小和溢出的大小,而且能够让我们进行多次越界写。理想的话,我们可以用它分配大小为0xA8的内存块,并让它分配在C++对象之前,然后利用堆溢出改写C++对象的vtable指针,使其指向可控内存,从而实现代码执行。

这并非易事,在此之前我们必须解决一些其他问题。首先我们需要找到一个方法来绕过ASLR,同时处理好Windows Low Fragmented Heap。

4.1 绕过ASLR

一般来说,我们需要找到一个对象,通过溢出来影响它,然后实现信息泄露。例如破坏一个带有长度或者数据指针的对象,并且可以从guest读取,然而我们没有找到这种对象。于是我们逆向了更多的RPCI命令处理函数,来寻找可用的东西。那些成对的命令特别引人关注,例如你能用一个命令来设置一些数据,同时又能用相关命令来取回数据,最终我们找到的是一对命令info-set和info-get:

info-set guestinfo.KEY VALUE  
info-get guestinfo.KEY

VALUE是一个字符串,字符串的长度可以控制堆上buffer的分配长度,而且我们可以分配任意多的字符串。但是如何用这些字符串来泄露数据呢?我们可以通过溢出来覆盖结尾的null字节,让字符串连接上相邻的内存块。如果我们能够在发生溢出的内存块和DnD或CP对象之间分配一个字符串,那么我们就能泄露对象的vtable地址,从而我们就可以知道vmware-vmx的地址。尽管Windows的LFH堆分配存在随机化,但我们能够分配任意多的字符串,因此可以增加实现上述堆布局的可能性,但是我们仍然无法控制溢出buffer后面分配的是DnD还是CP对象。经过我们的测试,通过调整一些参数,例如分配和释放不同数量的字符串,我们可以实现60%到80%的成功率。

下图总结了我们构建的堆布局情况(Ov代表溢出内存块,S代表String,T代表目标对象)。

我们的策略是:首先分配一些填满“A”的字符串,然后通过溢出写入一些“B”,接下来读取所有分配的字符串,其中含有“B”的就是被溢出的字符串。这样我们就找到了一个字符串可以被用来读取泄露的数据,然后以bucket的内存块大小0xA8的粒度继续溢出,每次溢出后都检查泄露的数据。由于DnD和CP对象的vtable距离vmware-vmx基地址的偏移是固定的,每次溢出后只需要检查最低一些数据位,就能够判断溢出是否到达了目标对象。

4.2 获取代码执行

现在我们实现了信息泄露,也能知道溢出的是哪个C++对象,接下来要实现代码执行。我们需要处理两种情形:溢出CopyPaste和DnD。需要指出的是能利用的代码路径有很多,我们只是选择了其中一个。

4.2.1 覆盖CopyPaste对象

对于CopyPaste对象,我们可以覆盖虚表指针,让它指向我们可控的其他数据。我们需要找到一个指针,指针指向的数据是可控并被用做对象的虚表。为此我们使用了另一个RPCI命令unity.window.contents.start。这个命令主要用于Unity模式下,在host上绘制一些图像。这个操作可以让我们往相对vmware-vmx偏移已知的位置写入一些数据。该命令接收的参数是图像的宽度和高度,二者都是32位,合并起来我们就在已知位置获得了一个64位的数据。我们用它来作为虚表中的一个指针,通过发送一个CopyPast命令即可触发该虚函数调用,步骤如下:

  • 发送unity.window.contents.start命令,通过指定参数宽度和高度,往全局变量处写入一个64位的栈迁移gadget地址

  • 覆盖对象虚表指针,指向伪造的虚表(调整虚表地址偏移)

  • 发送CopyPaste命令,触发虚函数调用

  • ROP

4.2.2 覆盖DnD对象

对于DnD对象,我们不能只覆盖vtable指针,因为在发生溢出之后vtable会立马被访问,另一个虚函数会被调用,而目前我们只能通过unity图像的宽度和高度控制一个qword,所以无法控制更大的虚表。

让我们看一看DnD和CP对象的结构,总结如下(一些类似的结构可以在open-vm-tools中找到,但是在vmware-vmx中会略有区别):

DnD_CopyPaste_RpcV3{  
    void * vtable;
    ...
    uint64_t ifacetype;
    RpcUtil{
        void * vtable;
        RpcBase * mRpc;
        DnDTransportBuffer{
            uint64_t seqNum;
            uint8_t * buffer;
            uint64_t totalSize;
            uint64_t offset;
            ...
        }
        ...
    }}RpcBase{  
    void * vtable;
    ...}

我们在此省略了结构中很多与本文无关的属性。对象中有个指针指向另一个C++对象RpcBase,如果我们能用一个可控数据的指针的指针覆盖mRpc这个域,那我们就控制了RpcBase的vtable。对此我们可以继续使用unity.window.contents.start命令来来控制mRpc,该命令的另一个参数是imgsize,这个参数代表分配的图像buffer的大小。这个buffer分配出来后,它的地址会存在vmware-vmx的固定偏移处。我们可以使用命令unity.window.contents.chunk来填充buffer的内容。步骤如下:

  • 发送unity.window.contents.start命令来分配一个buffer,后续我们用它来存储一个伪造的vtable。

  • 发送unity.window.contents.chunk命令来填充伪造的vtable,其中填入一个栈迁移的gadget

  • 通过溢出覆盖DnD对象的mRpc域,让它指向存储buffer地址的地方(某全局变量处),即写入一个指针的指针

  • 通过发送DnD命令来触发mRpc域的虚函数调用

  • ROP

P.S:vmware-vmx进程中有一个可读可写可执行的内存页(至少在版本12.5.3中存在)。

4.3 稳定性讨论

正如前面提及的,因为Windows LFH堆的随机化,当前的exploit无法做到100%成功率。不过可以尝试下列方法来提高成功率:

  • 观察0xA8大小的内存分配,考虑是否可以通过一些malloc和free的调用来实现确定性的LFH分配,参考这里这里

  • 寻找堆上的其他C++对象,尤其是那些可以在堆上喷射的

  • 寻找堆上其他带有函数指针的对象,尤其是那些可以在堆上喷射的

  • 找到一个独立的信息泄漏漏洞

  • 打开更多脑洞

4.4 演示效果


演示视频:

VMware workstation 12.5.3逃逸演示—在线播放—优酷网,视频高清在线观看
视频


5. 感想与总结

“No pwn no fun”,如果你想参加Pwn2Own这样的比赛,你就需要准备多个漏洞,或者找到高质量的漏洞。