
LinuxカーネルのshmemにおけるDirty COW亜種、CVE-2022-2590の詳細な分析。根本原因、競合状態、および概念実証エクスプロイトを含む。
Linux カーネルバージョン: Linux/x86 6.0.0-rc1 (commit 37887783b3fef877bf34b8992c9199864da4afcb)
この脆弱性により、攻撃者は UFFDIO_CONTINUE を使用して can_follow_write_pte 関数(FOLL_FORCE、FOLL_COW、pte_dirty をチェックする)を満たすことで、読み取り専用の共有メモリページに任意の内容を書き込むことができます。
/*
* FOLL_FORCE can write to even unwritable pte's, but only
* after we've gone through a COW cycle and they are dirty.
*/
static inline bool can_follow_write_pte(pte_t pte, unsigned int flags)
{
return pte_write(pte) ||
((flags & FOLL_FORCE) && (flags & FOLL_COW) && pte_dirty(pte));
}
上記の関数は、pte が書き込み可能かどうかを判定します。
pte は、次のいずれかの条件を満たす場合に書き込み可能と見なされます。
条件2を満たすには、次の3つのフラグを設定する必要があります。
FOLL_FORCE
static ssize_t mem_rw(struct file *file, char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos, int write)
{
...
flags = FOLL_FORCE | (write ? FOLL_WRITE : 0);
while (count > 0) {
size_t this_len = min_t(size_t, count, PAGE_SIZE);
if (write && copy_from_user(page, buf, this_len)) {
copied = -EFAULT;
break;
}
this_len = access_remote_vm(mm, addr, page, this_len, flags); // __get_user_pages with FOLL_FORCE on
if (!this_len) {
if (!copied)
copied = -EIO;
break;
}
...
}
上記の関数は、/proc/<pid>/mem に対して読み取り/書き込み操作を実行します。
この関数を使用することで、FOLL_FORCE フラグを有効にした状態で __get_user_pages 関数に到達できます。
FOLL_FORCE は ptrace での使用を意図されていますが、その必要性は次のコミットで証明されています: https://github.com/torvalds/linux/commit/f511c0b17b081562dca8ac5061dfa86db4c66cc2
FOLL_COW
/*
* mmap_lock must be held on entry. If @locked != NULL and *@flags
* does not include FOLL_NOWAIT, the mmap_lock may be released. If it
* is, *@locked will be set to 0 and -EBUSY returned.
*/
static int faultin_page(struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, unsigned int *flags, bool unshare,
int *locked)
{
...
/*
* The VM_FAULT_WRITE bit tells us that do_wp_page has broken COW when
* necessary, even if maybe_mkwrite decided not to set pte_write. We
* can thus safely do subsequent page lookups as if they were reads.
* But only do so when looping for pte_write is futile: in some cases
* userspace may also be wanting to write to the gotten user page,
* which a read fault here might prevent (a readonly page might get
* reCOWed by userspace write).
*/
if ((ret & VM_FAULT_WRITE) && !(vma->vm_flags & VM_WRITE))
*flags |= FOLL_COW;
return 0;
}
faultin_page 関数内の FOLL_COW との OR 演算を利用できます。これは Dirty COW のパッチの一部です。
static long __get_user_pages(struct mm_struct *mm,
unsigned long start, unsigned long nr_pages,
unsigned int gup_flags, struct page **pages,
struct vm_area_struct **vmas, int *locked)
{
...
retry:
/*
* If we have a pending SIGKILL, don't keep faulting pages and
* potentially allocating memory.
*/
if (fatal_signal_pending(current)) {
ret = -EINTR;
goto out;
}
cond_resched();
page = follow_page_mask(vma, start, foll_flags, &ctx); // can_follow_write_pte
if (!page || PTR_ERR(page) == -EMLINK) {
ret = faultin_page(vma, start, &foll_flags,
PTR_ERR(page) == -EMLINK, locked); // flags |= FOLL_COW
switch (ret) {
case 0:
goto retry; // try follow page again
case -EBUSY:
case -EAGAIN:
ret = 0;
fallthrough;
case -EFAULT:
case -ENOMEM:
case -EHWPOISON:
goto out;
}
BUG();
} else if (PTR_ERR(page) == -EEXIST) {
...
}
FOLL_COW フラグを有効にした状態で can_follow_write_pte 関数に到達するには、__get_user_pages 関数内で faultin_page 関数を呼び出し、retry ラベルにリダイレクトして、再度 faultin_page 関数を呼び出す必要があります。
pte_dirty
この条件は、次のコミットによって満たすことができます: https://github.com/torvalds/linux/commit/9ae0f87d009ca6c4aab2882641ddfc319727e3db
/*
* Install PTEs, to map dst_addr (within dst_vma) to page.
*
* This function handles both MCOPY_ATOMIC_NORMAL and _CONTINUE for both shmem
* and anon, and for both shared and private VMAs.
*/
int mfill_atomic_install_pte(struct mm_struct *dst_mm, pmd_t *dst_pmd,
struct vm_area_struct *dst_vma,
unsigned long dst_addr, struct page *page,
bool newly_allocated, bool wp_copy)
{
...
_dst_pte = mk_pte(page, dst_vma->vm_page_prot);
_dst_pte = pte_mkdirty(_dst_pte); // set pte dirty unconditionally
if (page_in_cache && !vm_shared)
writable = false;
...
}
上記のパッチにより、読み取り専用の共有メモリページに対して、dirty 状態の pte を無条件にインストールすることが可能です。
これら3つのフラグが満たされると、can_follow_write_pte 関数は true を返します。
static struct page *follow_page_pte(struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, pmd_t *pmd, unsigned int flags,
struct dev_pagemap **pgmap)
{
...
// true && !true == false
if ((flags & FOLL_WRITE) && !can_follow_write_pte(pte, flags)) {
pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
return NULL;
}
page = vm_normal_page(vma, address, pte); // get read-only shared memory page
...
out:
pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
return page;
no_page:
pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
if (!pte_none(pte))
return NULL;
return no_page_table(vma, flags);
}
follow_page_pte 関数は、読み取り専用の共有メモリページを返します。
以下は、後述する PoC によって実証された競合シナリオです。
| madvise and read | UFFDIO_CONTINUE ioctl | pwrite |
|---|---|---|
| madvise // zap the page | ||
| shmem_fault // read fault | ||
| handle_userfault | ||
| userfaultfd_continue | ||
| mcontinue_atomic_pte | ||
| ret = shmem_getpage(inode, pgoff, &page, SGP_NOALLOC); // get page | ||
| mfill_atomic_install_pte | ||
| _dst_pte = pte_mkdirty(_dst_pte); // make pte dirty | ||
| set_pte_at(dst_mm, dst_addr, dst_pte, _dst_pte); // install pte | mem_rw | |
| access_remote_vm // with FOLL_FORCE | ||
| __get_user_pages | ||
| can_follow_write_pte // no FOLL_COW, return 0 | ||
| faultin_page | ||
| flags | ||
| retry: | ||
| follow_page_pte | ||
| madvise // zap the page | ||
| shmem_fault // read fault | ||
| handle_userfault | ||
| userfaultfd_continue | ||
| mcontinue_atomic_pte | ||
| ret = shmem_getpage(inode, pgoff, &page, SGP_NOALLOC); // get page | ||
| mfill_atomic_install_pte | ||
| _dst_pte = pte_mkdirty(_dst_pte); // make pte dirty | ||
| set_pte_at(dst_mm, dst_addr, dst_pte, _dst_pte); // install pte | ||
| can_follow_write_pte // return 1 | ||
| copy_to_user(buf, page, this_len) // write content to read-only page |
madvise と read のルーチンは2回実行されます。1回目の実行は __get_user_pages の retry を誘発し、2回目の実行は mfill_atomic_install_pte によって dirty にされた pte が指すページを follow_page_pte が返すように導きます。
上記のリンクで David Hildenbrand の再現コードを確認できます。
ただし、その再現コードでは正確な競合シナリオを認識することが難しいため、より線形的な実行を優先するように再現コードを変更し、それに合わせて Linux カーネルソースコードも変更しました。
.config:
...
CONFIG_USERFAULTFD=y
CONFIG_HAVE_ARCH_USERFAULTFD_WP=y
CONFIG_HAVE_ARCH_USERFAULTFD_MINOR=y
...
PoC: (poc.c)
パッチ: (poc_deayzl.patch)
テストには、以下の事前手順を実行する必要があります。 (david の再現コードの手順ではファイルパスが /tmp/foo ですが、現在のバージョンでは tmpfs は共有メモリではないため、userfaultfd の登録は失敗します)
sudo -s
echo "asdf" > /dev/shm/foo
chmod 0404 /dev/shm/foo
exit
PoC を実行すると、次の画面が表示されます。

lore.kernel パッチ v1: https://lore.kernel.org/linux-mm/[email protected]/#r
lore.kernel パッチ v2: https://lore.kernel.org/all/[email protected]/T/#u