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CVE-2022-2590-analysis — 深入分析 CVE-2022-2590——Linux 内核 shmem 中的 Dirty COW 变体,涵盖根本原因、竞态条件及概念验证漏洞利用。 | Kitploit
工具/GitHubGitHub/moonnull/cve-2022-2590-analysis
漏洞分析漏洞利用二进制利用
GitHubmoonnull/cve-2022-2590-analysis

CVE-2022-2590-analysis

深入分析 CVE-2022-2590——Linux 内核 shmem 中的 Dirty COW 变体,涵盖根本原因、竞态条件及概念验证漏洞利用。

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CVE-2022-2590,受限于 shmem 的 Dirty COW

Linux 内核版本:Linux/x86 6.0.0-rc1(commit 37887783b3fef877bf34b8992c9199864da4afcb)

简介:

该漏洞允许攻击者通过 UFFDIO_CONTINUE 满足 can_follow_write_pte 函数(该函数检查 FOLL_FORCE、FOLL_COW 和 pte_dirty)的条件,从而向只读共享内存页写入任意内容。

分析:

root@kitploit:~
/*
 * 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));
}

上述函数用于判断一个 pte 是否可写。

如果满足以下条件之一,该 pte 即被视为可写:

  1. pte 的标志中包含可写标志。
  2. flags 变量包含 FOLL_FORCE 和 FOLL_COW 标志,且 pte 的标志中包含 dirty 标志。

要满足条件 2,需要设置以下三个标志:

  1. FOLL_FORCE

    root@kitploit:~
    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;
    		}
    
    		...
    }
    

上述函数对 /proc/<pid>/mem 执行读写操作。

通过使用该函数,你可以在 FOLL_FORCE 标志开启的情况下到达 __get_user_pages 函数。

尽管 FOLL_FORCE 本意是用于 ptrace,但其必要性已在以下 commit 中得到证实:https://github.com/torvalds/linux/commit/f511c0b17b081562dca8ac5061dfa86db4c66cc2

  • FOLL_COW

    root@kitploit:~
    /*
    * 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;
    }
    

    可以利用 faultin_page 函数中与 FOLL_COW 的 OR 操作,这是 Dirty COW 补丁的一部分。

    root@kitploit:~
    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) {
        ...
     }
    

    为了在 FOLL_COW 标志开启的情况下到达 can_follow_write_pte 函数,你需要在 __get_user_pages 函数内调用 faultin_page 函数,跳转到 retry 标签,然后再次调用 faultin_page 函数。

  • pte_dirty

    该条件可通过以下 commit 得到满足:https://github.com/torvalds/linux/commit/9ae0f87d009ca6c4aab2882641ddfc319727e3db

    root@kitploit:~
    /*
    * 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;
    
     	...
    }
    

    由于上述补丁,可以无条件地为只读共享内存页安装处于 dirty 状态的 pte。

  •  

    如果这三个标志均得到满足,can_follow_write_pte 函数将返回 true。

    root@kitploit:~
    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 函数返回只读共享内存页。

    竞争场景:

    以下是 PoC 所证实的竞争场景,PoC 将在后文介绍。

    madvise 和 readUFFDIO_CONTINUE ioctlpwrite
    madvise // 清除页面
    shmem_fault // 读缺页
    handle_userfault
    userfaultfd_continue
    mcontinue_atomic_pte
    ret = shmem_getpage(inode, pgoff, &page, SGP_NOALLOC); // 获取页面
    mfill_atomic_install_pte
    _dst_pte = pte_mkdirty(_dst_pte); // 将 pte 标记为 dirty
    set_pte_at(dst_mm, dst_addr, dst_pte, _dst_pte); // 安装 ptemem_rw
    access_remote_vm // 带有 FOLL_FORCE
    __get_user_pages
    can_follow_write_pte // 无 FOLL_COW,返回 0
    faultin_page
    flags
    retry:
    follow_page_pte
    madvise // 清除页面
    shmem_fault // 读缺页
    handle_userfault
    userfaultfd_continue
    mcontinue_atomic_pte
    ret = shmem_getpage(inode, pgoff, &page, SGP_NOALLOC); // 获取页面
    mfill_atomic_install_pte
    _dst_pte = pte_mkdirty(_dst_pte); // 将 pte 标记为 dirty
    set_pte_at(dst_mm, dst_addr, dst_pte, _dst_pte); // 安装 pte
    can_follow_write_pte // 返回 1
    copy_to_user(buf, page, this_len) // 向只读页面写入内容

    madvise 和 read 例程执行两次;第一次执行触发 __get_user_pages 的 retry,第二次执行引导 follow_page_pte 返回由 mfill_atomic_install_pte 置为 dirty 的 pte 所指向的页面。

    PoC 与补丁:

    https://www.openwall.com/lists/oss-security/2022/08/15/1

    你可以通过上面的链接查看 David Hildenbrand 的复现程序。

    然而,由于该复现程序难以识别确切的竞争场景,我修改了复现程序,使其更倾向于线性执行,并相应地修改了 Linux 内核源代码。

    .config:

    root@kitploit:~
    ...
    CONFIG_USERFAULTFD=y
    CONFIG_HAVE_ARCH_USERFAULTFD_WP=y
    CONFIG_HAVE_ARCH_USERFAULTFD_MINOR=y
    ...
    

    PoC: (poc.c)

    Patch: (poc_deayzl.patch)

    测试前必须完成以下预备步骤。(david 的复现程序说明中给出的文件路径是 /tmp/foo,但在当前版本中 tmpfs 不是共享内存,因此 userfaultfd 注册会失败)

    root@kitploit:~
    sudo -s
    echo "asdf" > /dev/shm/foo
    chmod 0404 /dev/shm/foo
    exit
    

    运行 PoC 后,你将看到以下界面。

    PoC-result

    参考资料:

    commit: https://github.com/torvalds/linux/commit/5535be3099717646781ce1540cf725965d680e7b

    lore.kernel patch v1: https://lore.kernel.org/linux-mm/[email protected]/#r

    lore.kernel patch v2: https://lore.kernel.org/all/[email protected]/T/#u

    openwall: https://www.openwall.com/lists/oss-security/2022/08/08/1

    openwall2: https://lists.openwall.net/linux-kernel/2022/08/08/418

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