Linux内核eBPF RINGBUF越界访问漏洞（CVE-2021-3489）利用分析
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前 言
近年来，在PWN2OWN比赛Ubuntu桌面系统破解项目中，Linux内核eBPF机制一直是热门的攻击面。本文分析的CVE-2021-3489是在PWN2OWN 2021比赛中使用的漏洞，该eBPF漏洞和以往的逻辑验证漏洞不同，漏洞出现在新引入的eBPF RINGBUF功能中，导致内存访问越界，可实现越界读写达到权限提升。
BPF环形缓冲区及映射
eBPF提供多种类型的映射，环形缓冲区映射就是其中之一。该实现的动机之一是通过在CPU之间共享环形缓冲区来更有效地利用内存。单个RINGBUF环形缓冲区作为 BPF_MAP_TYPE_RINGBUF类型的BPF映射实例呈现给BPF程序。还提供多个BPF_CALL接口函数，其中bpf_ringbuf_output()功能为允许将数据从一个地方复制到环形缓冲区，bpf_ringbuf_reserve()/bpf_ringbuf_commit()/bpf_ringbuf_discard()这组函数将整个过程分为两个步骤。首先，预留固定数量的空间。如果成功，则返回指向环形缓冲区数据区域内数据的指针，BPF程序可以像使用数组/哈希映射内的数据一样使用该指针。一旦准备好，这块内存要么被提交，要么被丢弃。discard与commit类似。
在创建BPF_MAP_TYPE_RINGBUF映射时，内核将分配两个内存区域。一个是 bpf_ringbuf_map 结构，类似于其他的映射类型，另一个是bpf_ringbuf结构。该结构定义如下图所示：
其中，pages是内存分配的所有页面集合，consumer_pos为消费者计数器，producer_pos为生产者计数器，分别放在相邻的单独的页面中，在该漏洞修复前，这两个页面均可以通过MMAP映射到用户空间进行读写操作的。bpf_ringbuf_alloc()函数是实现bpf_ringbuf并初始化的，实现代码如下所示：
调用bpf_ringbuf_area_alloc()函数分配bpf_ringbuf，然后初始化rb->spinlock，rb->waitq和rb->work，最后设置rb->mask，rb->consumer_pos和rb->producer_pos。bpf_ringbuf_area_alloc()函数是用来具体分配ringbuf内存区域的，该实现如下代码所示：
第一个参数data_sz为申请分配内存的大小，nr_meta_pages为元数据页面数，包含一个不可映射页面和两个可映射页面，分别为consumer_pos和producer_pos，nr_data_pages为实际申请分配内存所需的内存页面数，nr_pages为nr_meta_pages和nr_data_pages之和，pages用于存放所有页面集合，内存分配如下代码所示：
调用bpf_map_area_alloc()函数分配pages指针数组，用于存放即将分配的内存页面。然后循环调用alloc_pages_node()函数分配页面并存放在pages中，注意到nr_data_pages是双份的。实际内存布局如下所示：
最后，调用vmmap()函数将pages中的页面映射到连续虚拟内存空间中，如下代码所示：
成功映射后返回ringbuf指针。
漏洞原理与修复补丁
该漏洞发生在__bpf_ringbuf_reserve()函数中，该函数可以返回指向环形缓冲区数据区域内数据的指针，但是并没有判断访问长度大小，导致可以越界访问数据。该函数关键实现如下代码所示：
参数size为访问长度，首先判断size是否大于0x3fffffff，但是并没有判断len是否大于ringbuf的data_sz，即访问的范围是否大于实际分配的ringbuf内存范围。然后对size+8上限取整为len，接下来取出rb->producer_pos，通过prod_pos+len计算出new_prod_pos。
行333，首先判断新的生产者位置不超过ringbuf的data_sz-1，确保ringbuf内存空间是充足的。然后通过rb->data+prod_pos计算出hdr的位置，最后将rb->producer_pos更新为new_prod_pos，返回hdr+8位置的指针，如下代码所示：
根据前文分析，rb->consumer_pos和rb->producer_pos所在页面是可映射的，是可控的且没有检查，size访问长度也是可控的，因此可以构造如下条件达到大范围越界访问，令producer_pos = 0，consumer_pos= 0x3fffffff和size=0x3fffffff。这三个变量可以绕过所有检查，最后计算出的new_prod_pos为0x3fffffff+8，这是个很大的范围。
该漏洞修复补丁有两部分，第一部分是加上了和data_sz大小的判断，防止访问长度超出实际分配的空间范围，如下代码所示：
第二部分是对ringbuf_map的操作集函数map函数进行修改，如下代码所示：
不允许对rb->producer_pos所在内存页面进行写映射。
漏洞利用过程
连续创建多个size=0x1000000的ringbuf，这里mapfd的ringbuf和victimfd的ringbuf是连续的，中间间隔一个页面的guard page。
通过eBPF指令访问mapfd的ringbuf，并调用bpf_ringbuf_reserve()函数获取mapfd的ringbuf->data指针。这里SIZE为0x30000000大于实际分配的内存空间。
寄存器r6存放ringbuf->data指针，然后将r6加上offset进行越界访问，同时还能绕过ebpf对寄存器加减的检测。然后通过BPF_LDX和BPF_STX进行内存读写。
根据前面堆喷布局，通过mapfd的ringbuf->data指针进行越界访问，可以越界读取到victimfd的ringbuf内存。
偏移size*2+0x1000跳过mapfd的ringbuf，再偏移8处是victimfd的ringbuf->wait_queue_head->list_head，偏移40处是ringbuf-> irq_work->func，初始化bpf_ringbuf时，func为bpf_ringbuf_notify，因此可以计算出内核基地址。
通过大量fork子进程，在victimfd内存后面得到连续的task_struct内存布局。
同时，子进程和父进程通过pipe进行通信，这个过程中会调用__x64_sys_read和ksys_read函数并处于阻塞状态，然后不断搜索thread内核栈，搜索到这两个函数返回地址将其修改成commit_creds和prepare_kernel_cred，在父进程中解除阻塞状态便可劫持流程进行执行任意代码。
综上利用过程，通过精心构造可实现对该漏洞的提权效果。
启明星辰积极防御实验室（ADLab）
ADLab成立于1999年，是中国安全行业最早成立的攻防技术研究实验室之一，微软MAPP计划核心成员，“黑雀攻击”概念首推者。截止目前，ADLab已通过CVE累计发布安全漏洞近1100个，通过 CNVD/CNNVD累计发布安全漏洞2000余个，持续保持国际网络安全领域一流水准。实验室研究方向涵盖操作系统与应用系统安全研究、移动智能终端安全研究、物联网智能设备安全研究、Web安全研究、工控系统安全研究、云安全研究。研究成果应用于产品核心技术研究、国家重点科技项目攻关、专业安全服务等。