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PrintDemon：详解Print Spooler中的权限提升及持久化技术（Part 1）

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0x00 前言

前面我们已经与大家分享过FaxHell相关技术细节，随着微软在周二补丁日例行发布安全公告后（包括CVE-2020-1048的补丁），现在我们可以与大家继续分享Windows Print Spooler的技术细节，以及如何利用Print Spooler来实现权限提升、绕过EDR规则、实现持久化等。Print Spooler目前仍是最古老的Windows组件之一，从Windows NT 4以来基本没有什么变化。即使曾经被Stuxnet（震网）病毒滥用过（使用过我们即将与大家一起分析的一些API），Print Spooler仍然没有经过特别全面的审查。之前有个第三方研究团队首先分析过Print Spooler，发现了微软未发现过的利用点，最终被Stuxnet幕后团队所使用。

 

0x01 背景知识

虽然我们比较喜欢深入分析Windows组件的各种精妙之处，但还是想尽量保证简洁性，只重点关注这些问题的严重性，分析如何简单滥用/利用这些问题，同时也会给防御方提供一些小建议。

首先我们来简单看一下打印过程，这里我们并不会讨论监视器、服务提供程序或者处理器，只讨论最基础的打印流程。

首先，打印机必须至少具备两个元素：

1、打印机端口：之前是LPT1，现在是USB口或者TCP/IP端口（以及地址）。

某些人可能知道还存在FILE:形式，这意味着打印机可以将内容打印到文件（Windows 8及以上系统为PORTPROMPT:）。

2、打印机驱动：之前这是一个内核模式组件，在新的V4模型下，十多年来已改成用户模式下工作。

由于Spooler服务（在Spoolsv.exe中实现）以SYSTEM权限运行，并且网络可达，因此这两个元素成功吸引了许多人的注意，尝试发起所有有趣的攻击，包括：

1、希望Spooler能将文件打印到某个特权位置；

2、加载恶意的“打印机驱动”；

3、通过Spooler RPC API远程投放文件；

4、从远程系统注入“打印机驱动”；

5、滥用EMF/XPS spooler文件中的文件解析bug来获得代码执行权限。

以上大多数尝试的确发现过bug，微软也针对某些bug加强了防御措施。即便如此，系统中还是存在不少逻辑问题，有些甚至是设计上的缺陷，会导致出现一些有趣的行为。

回到我们的话题，为了滥用打印机，我们首先必须加载一个打印机驱动。正常情况下，大家都会认为这需要高权限才能执行，并且有些MSDN页面还提示我们需要SeLoadDriverPrivilege。然而从Vista开始，为了便于普通用户账户操作（并且现在会在用户模式下运行），因此实际情况会比较复杂。只要目标驱动是预先存在的内置驱动，我们不需要特权就能安装打印机驱动。

我们先来安装最简单的一个驱动：Generic / Text-Only驱动。（以普通用户权限）打开PowerShell窗口，然后输入：

Add-PrinterDriver -Name "Generic / Text Only"

接着枚举已安装的驱动：

> Get-PrinterDriver

Name                                PrinterEnvironment MajorVersion    Manufacturer
----                                ------------------ ------------    ------------
Microsoft XPS Document Writer v4    Windows x64        4               Microsoft
Microsoft Print To PDF              Windows x64        4               Microsoft
Microsoft Shared Fax Driver         Windows x64        3               Microsoft
Generic / Text Only                 Windows x64        3               Generic

如果想用C语言来完成，也可以使用如下语句：

hr = InstallPrinterDriverFromPackage(NULL, NULL, L"Generic / Text Only", NULL, 0);

接下来是将新打印机与某个端口绑定。这里比较有趣的是（官方没有详细说明）：端口也可以使用文件，并且这与“打印到文件”有所不同。此时是一个文件端口，这是完全不同的一个概念。我们只需要在PowerShell中使用如下一行命令就可以（这里我们用的是全局可写的一个目录）：

Add-PrinterPort -Name "C:\windows\tracing\myport.txt"

获取打印机端口：

> Get-PrinterPort | ft Name

Name
----
C:\windows\tracing\myport.txt
COM1:
COM2:
COM3:
COM4:
FILE:
LPT1:
LPT2:
LPT3:
PORTPROMPT:
SHRFAX:

如果想用C来完成，我们可以有两种选择。我们可以使用AddPortW API，弹出窗口要求用户输入端口名。我们并不需要设计GUI，可以传入NULL作为hWnd参数的值，当用户创建端口后，程序才会解除阻塞状态。UI如下所示：

另一种方法是使用XcvData) API来手动复制以上窗口的逻辑，如下所示：

PWCHAR g_PortName = L"c:\\windows\\tracing\\myport.txt";
dwNeeded = ((DWORD)wcslen(g_PortName) + 1) * sizeof(WCHAR);
XcvData(hMonitor,
        L"AddPort",
        (LPBYTE)g_PortName,
        dwNeeded,
        NULL,
        0,
        &dwNeeded,
        &dwStatus);

这里比较复杂的是获取hMonitor，需要一些神秘知识：

PRINTER_DEFAULTS printerDefaults;
printerDefaults.pDatatype = NULL;
printerDefaults.pDevMode = NULL;
printerDefaults.DesiredAccess = SERVER_ACCESS_ADMINISTER;
OpenPrinter(L",XcvMonitor Local Port", &hMonitor, &printerDefaults);

以上代码中存在ADMINISTER字样，因此大家可能会觉得需要Administrator权限，但事实并非如此：任何人都可以添加端口。不过如果我们传入不具备访问权限的路径，将会得到“访问被拒绝”错误。稍后我们再讨论这一点。

代码处理完毕后，别忘了调用ClosePrinter(hMonitor)。

现在我们已经拿到了一个端口和一个打印机驱动，我们只需要利用这两个元素就能创建并绑定一个打印机。这个过程同样不需要特权用户，只需要如下一行PowerShell命令：

Add-Printer -Name "PrintDemon" -DriverName "Generic / Text Only" -PortName "c:\windows\tracing\myport.txt"

然后使用如下语句来检查效果：

> Get-Printer | ft Name, DriverName, PortName

Name DriverName PortName
---- ---------- --------
PrintDemon Generic / Text Only C:\windows\tracing\myport.txt

对应的C代码如下：

PRINTER_INFO_2 printerInfo = { 0 };
printerInfo.pPortName = L"c:\\windows\\tracing\\myport.txt";
printerInfo.pDriverName = L"Generic / Text Only";
printerInfo.pPrinterName = L"PrintDemon";
printerInfo.pPrintProcessor = L"WinPrint";
printerInfo.pDatatype = L"RAW";
hPrinter = AddPrinter(NULL, 2, (LPBYTE)&printerInfo);

拿到打印机句柄后，我们可以开始思考该句柄的用途。此外，知道打印机名称后，我们可以使用OpenPrinter来获取打印机句柄。

最后一步就是执行打印操作，在PowerShell中也只需要一条命令：

"Hello, Printer!" | Out-Printer -Name "PrintDemon"

然而如果我们查看文件内容，会看到一些奇怪的数据：

0D 0A 0A 0A 0A 0A 0A 20 20 20 20 20 20 20 20 20
20 48 65 6C 6C 6F 2C 20 50 72 69 6E 74 65 72 21
0D 0A …

如果在Notepad中打开，我们能更直观地了解这些数据：PowerShell认为这是一个真实的打印机，因此会按照Letter或（A4）格式来设定边距，在顶部添加几个新行，然后在字符串左侧留出左边距。

我们可以在C语言中控制具体行为，但通常Win32应用都会以这种方式来打印，因为这些应用都认为这是真实的打印机。

那么在C语言中如何实现相同的效果呢？我们有两种选择，这里我们介绍的是更加简单也更常用的方法：使用GDI API，在内部创建一个打印任务，处理我们的payload。

DOC_INFO_1 docInfo;
docInfo.pDatatype = L"RAW";
docInfo.pOutputFile = NULL;
docInfo.pDocName = L"Document";
StartDocPrinter(hPrinter, 1, (LPBYTE)&docInfo);

PCHAR printerData = "Hello, printer!\n";
dwNeeded = (DWORD)strlen(printerData);
WritePrinter(hPrinter, printerData, dwNeeded, &dwNeeded);

EndDocPrinter(hPrinter);

现在文件内容将会简单存储我们提供的字符串。

总结一下，现在我们了解了一些简单的非特权PowerShell命令以及作用相同的C代码，我们可以假装创建一个打印机，向文件系统中写入数据。下面我们可以使用Process Monitor了解幕后的具体操作。

 

0x02 文件写入

来看一下当运行这些命令后系统会执行哪些操作。我们跳过驱动的“安装”过程（该过程涉及一大堆PnP以及Windows服务栈操作），从添加端口开始观察：

从图中可知：打印机端口实际上是注册表值，路径为HKLM\SOFTWARE\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\Ports。显然，只有特权用户才能写入该键值，但Spooler服务通过RPC帮我们完成该操作，调用栈如下所示：

打印机创建过程如下：

这里主要操作依然涉及到注册表。注册表中的打印机如下所示，注意其中的Port值，对应的是我们的文件路径。

接着观察打印文档时PowerShell命令的处理过程。涉及到的文件系统完整活动如下所示（这里不再涉及到注册表），其中我们标出了比较有趣的部分操作：

启用spooling后，打印数据并没有直接发送到打印机。此时任务处于假脱机状态（spooled），最终导致系统创建一个spool文件。默认情况下，该文件位于c:\windows\system32\spool\PRINTERS目录中，但实际上对于每个系统和每个打印机，这个值都可以自定义（这是值得深入分析的一个点）。

默认情况下，对于EMF打印操作，文件名为FPnnnnn.SPL，对于RAW打印操作，文件名为nnnnn.SPL。SPL文件本质上是发送给打印机的所有数据的一个副本，换句话说，该文件中只包含Hello, printer!字符串。

还有个更有趣的“影子作业文件”（shadow job file）。由于打印作业不一定实时处理，因此系统需要用到该文件。在手动处理或者打印机出问题时，这类文件可以被出错、被调度、被暂停。在此期间，考虑到第三方打印机驱动可能存在bug、打印作业在重启后需要保留，因此作业本身相关的信息不会只保留在Spoolsv.exe的内存中。如下所示，Spooler会写入该文件，文件的数据结构多年来发生了一些变化，现在采用的是SHADOWFILE_4数据结构，详细结构可参考我们的GitHub页面。

在下文的持久化场景中，我们将详细介绍影子作业文件的作用。

随后是创建文件操作。不幸的是，Process Monitor始终显示的是主令牌，如果我们双击该事件，可以看到该操作通过模拟（impersonation）方式来完成：

这可能是Spooler服务的一项核心安全功能：如果没有该操作，我们就可以在磁盘上的任意特权位置中创建打印机端口，然后让Spooler帮我们将数据“打印”到该位置，从而实现任意文件系统读写原语。然而后面我们会提到，实际情况要更为复杂一些。从EDR角度来看，我们可以获取目标用户的某些信息。

最后，当完成写操作后，（默认情况下）spool文件和影子作业文件都会被删除，如下SetDisposition调用所示：

目前我们演示了如何通过打印功能，在Spooler服务的帮助下往磁盘上（我们能访问的）位置写入数据。此外，我们也知道文件创建操作通过模拟上下文来完成，可以获取该操作背后的原始用户。如果检查作业本身，我们也能得到用户名和主机名。基于这些信息，从数字取证角度来看，攻击者似乎很难隐藏自身踪迹。

很快我们就能打破上述结论，但首先我们来看一下利用这种行为的一种有趣方式。

 

0x03 IPC

Spooler有个最有趣（也是最有用）的一个特性：可以用来作为进程间、跨用户甚至重启后（以及潜在的网络）的通信渠道。我们实际上可以将打印机看成一个安全对象（从技术角度来看，打印机作业也是安全对象，但官方并没有公开该对象），然后可以通过两种方式在其中发起读写操作：

1、使用GDI API，然后发送ReadPrinter和WritePrinter命令。

  • 首先，我们必须成对调用StartDocPrinter和EndDocPrinter，创建打印机作业和spool数据。
  • 使用SetJob让作业一开始就处于暂停状态（JOB_CONTROL_PAUSE），这样spool文件就会保持在文件系统中。
  • 前一个API将会返回一个打印机作业ID，然后客户端可以使用特定语法，添加一个后缀（,Job n），将其作为打印机名参数来调用OpenPrinter，这样就能打开打印机作业，而不是打开打印机。

Client可以使用EnumJobs API来枚举所有打印机作业，根据某些属性找到希望读取的作业。

2、使用打印作业raw API，在获取spool文件句柄后调用WriteFile。

那么这么操作与传统的文件I/O相比有什么优势呢？我们总结了如下几点：

1、如果完全采用GDI方法，那么整个过程不会导入明显的I/O API；

2、采用ReadPrinter和WritePrinter 时的读写操作并没有在模拟上下文中进行，这意味着这些操作看上去似乎由以SYSTEM运行的Spoolsv.exe来发起。

这也可能意味着我们能够读写某个spooler文件，并且该文件位于我们通常不具备访问权限的某个位置。

3、我们怀疑到目前为止，没有多少安全产品检查过spooler文件。

并且如果采用正确的API/修改注册表，我们可以将为自己的打印机定制spooler目录。

4、取消作业后，我们的数据会立即从服务上下文中删除。

5、恢复作业后，我们能拿到目标文件副本。目前据前文分析，该行为并没有通过模拟来完成。

我们在GitHub上发布了一个简单的printclient以及printserver应用，其中实现了客户端/服务端机制，可以利用前文介绍的知识在两个进程间通信。。

来试着运行服务端，如下图所示：

与预期相符，我们可以创建spool文件，并且可以在打印队列中看到我们的作业，这显然留下不少线索，可以帮防御方定位。

在客户端，我们可以运行程序，观察输出结果，如下图所示：

顶部的输出信息来自于打印机API：我们使用EnumJob和GetJob来获取我们希望获取的信息。这里我们将更进一步，查看存储在影子作业中的信息。研究过程中，我们找到了一些有趣的差异点：

1、即使根据MSDN的说明，该API始终会返回NULL，但打印作业实际上具有安全描述符。

如果我们在影子作业中将其清零，导致Spooler无法恢复/写入数据。

2、有些数据显示的值与实际值不一致。

比如，影子作业中的Status字段具有不同的含义，并且包含未通过API公开的内部状态。

另外，API中提示StartTime和UntilTime的值为0，实际上影子文件中的值为60。

我们想更进一步澄清影子文件数据的读取方式及读取时机，以及什么时候会使用Spooler中的内部状态。大家都知道，Service Control Manager在内存中有一个服务数据库，但也会在注册表中备份了服务信息，我们认为Spooler同样采用了这种方式。