• 本文作者: 天融信安全应急响应中心
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  • 2019年4月29日
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  • 漏洞分析
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Apache HTTP组件提权漏洞利用深度分析

前段时间Apache HTTP 被发现存在本地提权漏洞(CVE-2019-0211),漏洞作者在第一时间就给出了WriteUp和漏洞EXP,阿尔法实验室也对EXP进行了深入分析,在此将分析的笔记整理分享出来,希望对大家理解该漏洞有所帮助。本文内容主要按着EXP的执行步骤一步步讲解,同时详细解释了利用过程中几个比较难理解的点:

  • PHP UAF漏洞的具体利用细节
  • all_buckets[bucket]是如何指向SHM中伪造的结构以及堆喷的问题
  • 如何让apr_proc_mutex_t和zend_array、prefork_child_bucket和zend_object这些结构体叠加的

一、漏洞成因

作者的WriteUp中对导致漏洞代码已经有了介绍,这里就只是简单提一下,并省略了大部分的源码以减轻阅读负担。

在Apache的MPM prefork模式中,以root权限运行主服务器进程,同时管理一个低特权工作进程(worker)池,用于处理HTTP请求。主进程和worker之间通过一个共享内存(SHM)进行通信。

1.当Apache httpd服务器优雅重启(graceful)时,httpd主进程会杀死旧worker并用新worker替换它们,这就会调用prefork_run()函数产生新的worker:

2.在该函数中调用make_child(),并使用ap_get_scoreboard_process(child_slot)->bucket作为参数。make_child()函数会创建新的子进程,同时根据bucket索引读取all_buckets数组到my_bucket:

3.调用child_main(),如果Apache侦听多个端口,那么SAFE_ACCEPT(<code>)宏中的<code>将会执行,这里apr_proc_mutex_child_init()将会执行:

4.上述函数进一步调用(*mutex)->meth->child_init(mutex, pool, fname):

整个简化的流程如下:

如果我们在共享内存中伪造一个prefork_child_bucket结构(即all_buckets数组的元素),并修改all_buckets数组的索引bucket,就可以在第三行处的代码控制my_bucket指向该结构。

进而在后续代码执行my_bucket->mutex->meth->child_init(mutex, pool, fname)meth结构包含指向多个函数的指针,因此,将其中的child_init函数的指针覆盖为我们想要执行函数的指针,就可以达到漏洞利用的目的,并且此时进程还是处于root权限的,后面才降低自身的权限。

二、漏洞利用

作者在其WriteUp将利用过程分为四个步骤,但实际的exp要比他写得更繁琐一点,在顺序上也稍微有些不同。以下是根据exp执行步骤整理的流程,补充了一些细节:

  1. 利用PHP读取worker的/proc/self/maps文件,进而定位一些漏洞利用所需模块和函数的地址
  2. 枚举/proc/*/cmdline和/proc/*/status文件,得到所有worker进程的PID
  3. 利用一个PHP的UAF漏洞,在worker进程中获取读/写SHM的权限
  4. 遍历Apache的内存,根据内存模式匹配找到与all_buckets数组地址
  5. 因为优雅重启后,all_buckets的位置会改变,因此需要计算一个”适当”的bucket索引,保证all_buckets[bucket]仍然指向伪造的prefork_child_bucket结构
  6. 在SHM中构造payload
  7. 喷射payload之后剩余的SHM区域,确保第5步中all_buckets[bucket]指向这片区域后,能转跳到payload
  8. process_score->bucket修改为第5步中计算的bucket。此外为了进一步提高成功率,还可以枚举SHM区域所有的process_score结构,将每个worker的process_score->pid与第2步得到的PID的相比较,匹配上的就是正确的process_score结构,将每个worker的process_score->bucket都进行修改。
  9. 等待Apache优雅重启触发漏洞(每天早上6:25会自动执行,也可手动重启验证结果)

具体的细节如下图:

2.1 exp概述

get_all_addresses()get_workers_pids()函数分别取得几个关键内存地址、worker的PID放入全局变量$addresses$worker_pids中,以便在随后的利用中使用。需要注意如果执行exp时无法解析shmapache的地址,可能是因为你的环境中shm的大小与exp中查找的范围不一致,可以自己查看一下maps文件,然后修改if ($msize >= 0x10000 && $msize <= 0x16000)这一行为正确的值即可。

real()函数有两个作用,一是触发PHP的UAF漏洞。二是开始真正的漏洞利用过程,因为Z中定义了jsonSerialize()方法,它会在类实例被序列化的时候调用,即后面执行json_encode()时调用,而所有的利用代码都在jsonSerialize()中。

下面的代码只保留了EXP的基本框架,只为了让大家有一个整体上的概念:

接下来具体看看jsonSerialize()中的代码。

2.2 利用PHP的UAF获取读写SHM的权限

还是先概括的讲一讲PHP这个UAF漏洞原理:

1. 我们在Z中定义了一个字符串$this->abc(PHP内部使用zend_string表示),就好比C中malloc一块内存

2. 接着unset($y[0])(Z的实例),就像”free”掉刚才分配的内存

3. 然后再请求分配一个和刚才释放大小相同的内存块,这里使用的是DateInterval(PHP的对象内部实现往往由几个结构体组成,这里其实是DateInterval中的timelib_rel_time和zend_string大小相同),于是DateInterval就占据了原来字符串的位置,如下图所示:

4. 此时$this->abc仍然可用并指向原来的位置,于是我们可以通过修改DateInterval来控制字符串$this->abc

PHP字符串的内部实现如下,用一个zend_string表示,通过成员变量len来判断字符串长度,从而实现二进制安全。我们修改DateInterval的属性间接修改len的大小就可以通过this->abc读写SHM区域了。当然,为了能够成功利用漏洞,还有许多细节需要考虑。

2.2.1 填充空闲内存块

在脚本运行之前可能发生了大量的分配/释放,因此同时实例化的两个变量也不一定是连续的,为解决这个问题,实例化几个DateInterval对象填充不连续空闲块,以确保后面分配的内存是连续的:

2.2.2 创建保护内存块

为了保证UAF后我们控制的结构属于一块空闲内存,如果我们之后创建其他变量,那么这些变量可能会破坏我们已经控制的结构,为了避免这种情况,这里分配了很多对象Z的实例,后面的代码中会将其释放,由于PHP的堆LIFO的特点,这些释放掉的内存会优先于UAF的那块内存分配,从而保护被我们控制的结构。

函数ptr2str的作用相当于在内存中分配一个大小为78的zend_string结构,为什么是78这个大小接下来会提到。

2.2.3 分配UAF的字符串

接着创建字符串$this->abc,也就是一个zend_string结构,通过对它进行UAF,进而读写共享内存。

创建$p的目的是为了保护$this->abc,前面说过,一个PHP对象往往由许多结构组成,而DateInterval中的timelib_rel_time结构大小就刚好为78,这就是前面为何要创建大小78的zend_string的原因。

此时的内存布局如下图所示,这里和下面的所有图示都是为了方便大家理解,因为PHP各种变量、对象都是由好几个结构组成,所以实际的PHP堆内存排布肯定比此复杂。

2.2.4 触发UAF并验证

接着unset当前对象$y[0]和$p,unset掉$p意味着释放了DateInterval的timelib_rel_time结构。

此时内存布局如下:

然后我们将分配一个与其大小相同的字符串($protector),由于PHP堆LIFO的特点,因此字符串将取代timelib_rel_time结构的位置。

 

接着就是最重要的一步:

再次创建一个DateInterval,它的timelib_rel_time结构将刚好占据上图中free的内存位置,同时$this->abc仍然是可以访问free这块内存的,即:&timelib_rel_time == &zend_string。因此我们可以通过修改DateInterval对象来修改zend_string.len,从而控制可以读/写内存的长度。

完成上述步骤后,我们还需要验证UAF是否成功,看一下DateInterval的定义:

因为有&timelib_rel_time == &zend_string,所以这里的$d和$y分别对应zend_string里的len和val。可以将$x(DateInterval)的h属性设置为0×13121110,再通过$this->abc字符串(zend_string)访问来判断UAF成功与否。

最后别忘了释放掉$room,产生的空闲块将保护我们控制的结构,后面再新建变量都会优先使用这些内存。

2.2.5 控制并修改UAF的结构

利用这个PHP漏洞的目的是为了能够获取读写SHM的权限,现在我们能够读写zend_string.val的内容,能读写的长度是zend_string.len,因此只要将len的值增加到包括SHM的范围。

这时我们已经知道了SHM的绝对地址,还需要知道abc的绝对地址,得到两者之间的偏移量才可以修改len。因此需要找到字符串$this->abc在内存中的位置:

然后我们就可以计算两者间的偏移量了,还要注意的是,因为后面我们需要在内存中查找all_bucket,而它在apache的内存中所以我们的len需要将SHM和apache的内存都覆盖到,所以作者的WriteUp中说SHM和apache的内存都需要在PHP堆之后,而它们也确实都在PHP堆之后。

找SHM和apache的内存两者间较大的值,减去abc的地址,将得到的偏移通过DateInterval的d属性修改来修改zend_string.len。

这等同于将zend_string结构($this->abc)中的len修改为一个超大的值,一直包括到SHM和Apache内存区域,这下我们就可以读写这个范围内的内存了。

2.3 在内存中定位all_buckets

根据内存模式查找all_buckets数组的位置,这在作者的writeup中有提到。mutex在all_buckets偏移0×10的位置,而meth在mutex偏移0×8的位置,根据该特征查找all_buckets数组。

首先,在apache的内存中搜索all_buckets[idx]->mutex,接着验证meth,是否在libapr.so的.data段中,最后因为meth指向libapr.so中定义的函数,因此验证其是否在.text段。满足这些条件的就是我们要找的all_buckets[]结构。

顺便将meth结构中所有函数指针打印出来,第6个就是我们要用到的(*child_init)()。

这是meth的结构,可以对照着看一看:

2.4 计算索引buckets

再回忆一下漏洞利用的方法:在SHM中构造payload (prefork_child_bucket结构),同时将剩余SHM区域喷射payload地址(并非payload起始地址), 控制指向喷射区域,所以&all_buckets[bucket]中的meth必然指向payload ,而payload中我们已将child_init函数的指针覆盖为我们想要执行函数的指针,就可以达到漏洞利用的目的。

要想控制&all_buckets[bucket]指向prefork_child_bucket结构,不能直接将该结构精确放在某个位置,然后直接计算两者间的偏移,因为all_buckets的地址在每优雅重启后会发生变化,所以漏洞被触发时all_buckets的地址将与我们找到的地址是不同的,这就是作者在EXP中进行堆喷的目的。

all_buckets是一个结构体数组,元素prefork_child_bucket结构由三个指针组成:

如果在SHM中大量喷射一个指向payload的地址,只要让&all_buckets[bucket]落在该区域内,payload就能得到执行,如下图中所示:

并且在EXP中,作者一共使用了两种方法来提高利用成功率:

1.喷射SHM,也就是上面提到的方法

2.修改每个worker的process_score->bucket结构,这样一来,利用成功率就可以再乘以Apache Worker的数量。这也是exp开始时调用$workers_pids = get_workers_pids();的原因。
先看第一种方法的实现:

SHM的起始部分是被apache的各个进程使用的,可以用SHM末尾的绝对地址$spray_max,减去未使用的内存空间大小$spray_size,得到要喷射区域的大小$spray_size;而未使用空间的大小可以通过减去已使用worker_score结构的总大小得到。

然后找喷射区域地址的中间值,计算它和all_buckets地址的偏移,再除以prefork_child_bucket结构的大小,就可以得到一个all_buckets数组下标索引,但别忘了SHM在all_buckets之前,所以这个索引还要取负值,这个值用$bucket_index_middle表示。

这样做的目的在于,在每优雅重启后,即便all_buckets的地址有所变化,&all_buckets[bucket]指向的位置会在$spray_middle上下浮动,最大程度上保证了该指针落在喷射的内存范围内,如下图所示:

 2.5 设置payload并喷射SHM

Payload由三个部分组成

1.bucket,用来存放要执行的命令,这是因为payload已经成了几个结构的叠加。

2.meth,它还是apr_proc_mutex_unix_lock_methods_t结构,只是它的child_init替换成了zend_object_std_dtor,其他指针置空。

3.properties,这是PHP内部结构zend_object的一个成员。

回忆漏洞的攻击链,最后的child_init被替换成函数zend_object_std_dtor执行,其原型如下,传入一个zend_object结构:

所以原本传给child_init的&my_bucket->mutex(prefork_child_bucket结构的一部分)就和zend_object相叠加了。

zend_object_std_dtor的执行又导致以下调用链:

上面的代码properties是一个zend_array结构,如下所示,我们控制其中的arData,pDestructor,如果我们将上面&ht->arData[0]->val放入要执行的命令,pDestructor()覆盖为system的地址,就可以实现命令执行了。

回到exp中,首先构造bucket部分,放入要执行的命令,没有参数时默认执行”chmod +s /usr/bin/python3.5″,但是自定义的命令长度也不能超过152字节。

然后是meth,将原本child_init的指针改为zend_object_std_dtor:

经过调试也可以看到child_init被覆盖:

然后是properties(zend_array和apr_proc_mutex_t结构的叠加),u-nTableMask的位置将用作apr_proc_mutex_t结构的meth,而arData指向payload中的bucket。

将各部分组合:

通过前面UAF控制的字符串abc写入SHM未使用部分的开头:

打印信息,将SHM剩下的部分喷射为properties的地址

讲到这里可以再回头看看文章刚开始的图,应该就更容易理解了。

 2.6 进一步提高成功率

前面还讲到,可以修改每个worker的process_score->bucket结构,这样一来,利用成功率就可以再乘以Apache Worker的数量,因为2.4中计算出的bucket索引能落在了SHM之外,如果有多个worker,如下图所示,就能提高&all_buckets[bucket]落在SHM中的概率:

迭代查找每个process_score结构直到找到每个PID,再将找到的PID$workers_pids中的PID对比,匹配的就说明是正确的结构。

将所有workerprocess_score.bucket都进行修改,而非修改其中一个:

到这里,整个漏洞利用过程就结束了,可以等到6:25AM查看利用是否利用成功,也可以手动执行apachectl graceful验证。

三、参考

[1] CVE-2019-0211 Apache Root Privilege Escalation

[2] exploit

[3] PHP7内核剖析

Written by 天融信安全应急响应中心