Pwn In Kernel（一）：基础知识
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Kernel Pwn In CTF 简单分析一下 CTF Kernel Pwn 题目的形式，以 2017 CISCN babydrive 为例。
先对文件包解压
➜example ls babydriver.tar
➜example file babydriver.tar
babydriver.tar: POSIX tar archive
➜example tar -xvf babydriver.tar
boot.sh
bzImage
rootfs.cpio
➜example ls
babydriver.tarboot.shbzImagerootfs.cpio
得到 boot.sh，bzImage，rootfs.cpio 三个文件
boot.sh ➜example cat -n boot.sh 1#!/bin/bash
2qemu-system-x86_64 \
3-initrd rootfs.cpio \
4-kernel bzImage \
5-append 'console=ttyS0 root=/dev/ram oops=panic panic=1' \
6-enable-kvm \
7-monitor /dev/null \
8-m 64M \
9--nographic\
10-smp cores=1,threads=1 \
11-cpu kvm64,+smep
boot.sh 文件是用来启动这个程序的，调用 qemu 来加载 rootfs.cpio 与 bzImage 运行起来
上面的参数都是 qemu 的参数
-initrd rootfs.cpio，使用 rootfs.cpio 作为内核启动的文件系统 -kernel bzImage，使用 bzImage 作为 kernel 映像
-cpu kvm64,+smep，设置 CPU 的安全选项，这里开启了 smep
-m 64M，设置虚拟 RAM 为 64M，默认为 128M
bzImage ➜example file bzImage bzImage: Linux kernel x86 boot executable bzImage, version 4.4.72 (atum@ubuntu) #1 SMP Thu Jun 15 19:52:50 PDT 2017, RO-rootFS, swap_dev 0x6, Normal VGA
bzImage 是经压缩过的 linux 内核文件
rootfs.cpio ➜example file rootfs.cpio rootfs.cpio: gzip compressed data, last modified: Tue Jul4 08:39:15 2017, max compression, from Unix
这是一个 linux 内核文件系统压缩包，我们可以对其解压并重新压缩，从而修改这个系统的文件
新建一个文件夹来解压
➜example mkdir fs && cd fs ➜fs cp ../rootfs.cpio ./rootfs.cpio.gz
➜fs gunzip ./rootfs.cpio.gz
➜fs cpio -idmv < rootfs.cpio
.
etc
etc/init.d
etc/passwd
etc/group
bin
......
linuxrc
home
home/ctf
5556 blocks
➜fs ll
total 2.8M
drwxrwxr-x 2 mask mask 4.0K 1 月20 12:16 bin
drwxrwxr-x 3 mask mask 4.0K 1 月20 12:16 etc
drwxrwxr-x 3 mask mask 4.0K 1 月20 12:16 home
-rwxrwxr-x 1 mask mask396 6 月162017 init
drwxr-xr-x 3 mask mask 4.0K 1 月20 12:16 lib
lrwxrwxrwx 1 mask mask 11 1 月20 12:16 linuxrc -> bin/busybox
drwxrwxr-x 2 mask mask 4.0K 6 月152017 proc
-rwxrwxr-x 1 mask mask 2.8M 1 月20 12:15 rootfs.cpio
drwxrwxr-x 2 mask mask 4.0K 1 月20 12:16 sbin
drwxrwxr-x 2 mask mask 4.0K 6 月152017 sys
drwxrwxr-x 2 mask mask 4.0K 6 月152017 tmp
drwxrwxr-x 4 mask mask 4.0K 1 月20 12:16 usr
这些就是运行起来后这个系统拥有的文件，查看这个 init 文件
➜fs cat -n ./init 1#!/bin/sh
2
3mount -t proc none /proc
4mount -t sysfs none /sys
5mount -t devtmpfs devtmpfs /dev
6chown root:root flag
7chmod 400 flag
8exec 0</dev/console
9exec 1>/dev/console
10exec 2>/dev/console
11
12insmod /lib/modules/4.4.72/babydriver.ko
13chmod 777 /dev/babydev
14echo -e "\nBoot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"
15setsid cttyhack setuidgid 1000 sh
16
17umount /proc
18umount /sys
19poweroff -d 0-f
看到第 12 行的 insmod /lib/modules/4.4.72/babydriver.ko，意味着要调试这个 ko 文件，使用>
对此文件系统进行打包也是要在这个目录下进行
➜fs find . | cpio -o --format=newc > rootfs.cpio cpio: File ./rootfs.cpio grew, 43008 new bytes not copied
5640 blocks
vmlinux 有些题目会给 vmlinux 这个文件，这是编译出来的最原始的内核文件，未压缩的，是个 ELF 形式，方便找 gadget
可以使用一个工具来从 bzImage 中导出 vmlinux，extract-vmlinux
➜example ./extarct-vmlinux ./bzImage > vmlinux ➜example file bzImage
bzImage: Linux kernel x86 boot executable bzImage, version 4.4.72 (atum@ubuntu) #1 SMP Thu Jun 15 19:52:50 PDT 2017, RO-rootFS, swap_dev 0x6, Normal VGA
➜example file vmlinux
vmlinux: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), statically linked, BuildID=e993ea9809ee28d059537a0d5e866794f27e33b4, stripped
exploit Kernel Pwn 就是找出内核模块中的漏洞，然后写一个 C 语言程序，放入文件系统中打包，重新运行取来，此时用户一般都是普通用户，运行程序调用此模块的功能利用漏洞，从而提升权限到 root 用户，读取 flag
/ $ ls bin exp lib root sys
dev home linuxrc rootfs.cpiotmp
etc init proc sbin usr
/ $ whoami
ctf
/ $ ./exp
[ 18.277799] device open
[ 18.278768] device open
[ 18.279760] alloc done
[ 18.280706] device>
/ # whoami
root
比赛时一般是上传 C 语言程序的 base64 编码到服务器，然后运行
Kernel Pwn Debug 要对内核模块进行调试，在启动脚本中加入
-gdb tcp::1234
然后使用 gdb 连接
gdb -q -ex "target remote localhost:1234"
如果显示 Remote ‘g’ packet reply is too long 一长串数字，要设置一下架构
gdb -q -ex "set architecture i386:x86-64:intel" -ex "target remote localhost:1234"
要调试内核模块，可以先查看内核加载地址，在/sys/module/中是加载的各个模块的信息
/ $ cd sys/module/ /sys/module $ ls
8250 ipv6 scsi_mod
acpi kdb sg
acpi_cpufreq kernel spurious
acpiphp keyboard sr_mod
apparmor kgdb_nmi suspend
ata_generic kgdboc sysrq
ata_piix libata tcp_cubic
babydriver loop thermal
battery md_mod tpm
block module tpm_tis
core mousedev uhci_hcd
cpuidle netpoll uinput
debug_core pata_sis usbcore
dm_mod pcc_cpufreq virtio_balloon
dns_resolver pci_hotplug virtio_blk
dynamic_debug pci_slot virtio_mmio
edd pcie_aspm virtio_net
efivars pciehp virtio_pci
ehci_hcd ppp_generic vt
elants_i2c printk workqueue
ext4 processor xen_acpi_processor
firmware_class pstore xen_blkfront
fuse rcupdate xen_netfront
i8042 rcutree xhci_hcd
ima rfkill xz_dec
intel_idle rng_core zswap
获取 babydrive 模块的加载地址
/sys/module $ cd babydriver/ /sys/module/babydriver $ ls
coresize initsize notes sections taint
holders initstate refcnt srcversionuevent
/sys/module/babydriver $ cd sections/
/sys/module/babydriver/sections $ grep 0 .text
0xffffffffc0000000
在 gdb 中载入符号信息，就可以对内核模块进行下断调试
pwndbg> add-symbol-file ./fs/lib/modules/4.4.72/babydriver.ko 0xffffffffc00000 00
add symbol table from file "./fs/lib/modules/4.4.72/babydriver.ko" at
.text_addr = 0xffffffffc0000000
Reading symbols from ./fs/lib/modules/4.4.72/babydriver.ko...done.
pwndbg> b*babyopen
Breakpoint 1 at 0xffffffffc0000030: file /home/atum/PWN/my/babydriver/kernelmo
dule/babydriver.c, line 28.
Basic KnowledgeKernel Kernel 是一个程序，是操作系统底层用来管理上层软件发出的各种请求的程序，Kernel 将各种请求转换为指令，交给硬件去处理，简而言之，Kernel 是连接软件与硬件的中间层
Kernel 主要提供两个功能，与硬件交互，提供应用运行环境
在 intel 的 CPU 中，会将 CPU 的权限分为 Ring 0，Ring 1，Ring 2，Ring 3，四个等级，权限依次递减，高权限等级可以调用低权限等级的资源
在常见的系统（Windows，Linux，MacOS）中，内核处于 Ring 0 级别，应用程序处于 Ring 3 级别
LKM 内核模块是 Linux Kernel 向外部提供的一个插口，叫做动态可加载内核模块（Loadable Kernel Module，LKM），LKM 弥补了 Linux Kernel 的可拓展性与可维护性，类似搭积木一样，可以往 Kernel 中接入各种 LKM，也可以卸载，常见的外设驱动就是一个 LKM
LKM 文件与用户态的可执行文件一样，在 Linux 中就是 ELF 文件，可以利用>
LKM 是单独编译的，但是不能单独运行，他只能作为 OS Kernel 的一部分
与 LKM 相关的指令有如下几个
insmod：接入指定模块
rmmod：移除指定模块
lsmod：列出已加载模块
这些都是 shell 指令，可以在 shell 中运行查看
➜~ lsmod Module >
rfcomm 778242
vmw_vsock_vmci_transport 327682
vsock 368643 vmw_vsock_vmci_transport
......
ioctl ioctl 是设备驱动程序中对设备的 I/O 通道进行管理的函数
所谓对 I/O 通道进行管理，就是对设备的一些特性进行控制，例如串口的传输波特率、马达的转速等等。它的调用个数如下： int ioctl(int fd, ind cmd, …)；
其中 fd 是用户程序打开设备时使用 open 函数返回的文件标示符，cmd 是用户程序对设备的控制命令，至于后面的省略号，那是一些补充参数，一般最多一个，这个参数的有无和 cmd 的意义相关
ioctl 函数是文件结构中的一个属性分量，就是说如果你的驱动程序提供了对 ioctl 的支持，用户就可以在用户程序中使用 ioctl 函数来控制设备的 I/O 通道。
意思就是说如果一个 LKM 中提供了 iotcl 功能，并且实现了对应指令的操作，那么在用户态中，通过这个驱动程序，我们可以调用 ioctl 来直接调用模块中的操作
Land Switch 在程序运行时，总是会经历 user space 与 kernel space 之前的切换，因为用户态应用程序在执行某些功能时，是由 Kernel 来执行的，这就涉及到两个 space 之前的切换
user land -> kernel land
当用户态程序执行系统调用，异常处理，外设终端时，会从用户态切换到内核态，切换过程如下：
1.swapgs 指令修改 GS 寄存器切换到内核态
2.将当前栈顶（sp）记录在 CPU 独占变量区域，然后将此区域里的内核栈顶赋给 sp
3.push 各寄存器的值
4.通过汇编指令判断是否为 32 位
5.通过系统调用号，利用函数表 sys_call_table 执行响应操作
ENTRY(entry_SYSCALL_64) /* SWAPGS_UNSAFE_STACK 是一个宏，x86 直接定义为 swapgs 指令 */
SWAPGS_UNSAFE_STACK
/* 保存栈值，并设置内核栈 */
movq %rsp, PER_CPU_VAR(rsp_scratch)
movq PER_CPU_VAR(cpu_current_top_of_stack), %rsp
/* 通过 push 保存寄存器值，形成一个 pt_regs 结构 */
/* Construct struct pt_regs on stack */
pushq$__USER_DS /* pt_regs->ss */
pushqPER_CPU_VAR(rsp_scratch)/* pt_regs->sp */
pushq%r11 /* pt_regs->flags */
pushq$__USER_CS /* pt_regs->cs */
pushq%rcx /* pt_regs->ip */
pushq%rax /* pt_regs->orig_ax */
pushq%rdi /* pt_regs->di */
pushq%rsi /* pt_regs->si */
pushq%rdx /* pt_regs->dx */
pushq%rcx tuichu /* pt_regs->cx */
pushq$-ENOSYS /* pt_regs->ax */
pushq%r8 /* pt_regs->r8 */
pushq%r9 /* pt_regs->r9 */
pushq%r10 /* pt_regs->r10 */
pushq%r11 /* pt_regs->r11 */
sub $(6*8), %rsp /* pt_regs->bp, bx, r12-15 not saved */
kernel land -> user land
内核态返回用户态流程：
1.swapgs 指令恢复用户态 GS 寄存器
2.sysretq 或者 iretq 恢复到用户空间
Kernel Functions 内核态与用户态的函数有一些区别
printk：类似与 printf，但是内容不一定会在终端显示起来，但是会在内核缓冲区里，可以用 dmsg 命令查看
copy_from_user：实现了将用户空间的数据传送到内核空间
copy_to_user：实现了将内核空间的数据传送到用户空间
kmalloc：内核态内存分配函数
kfree：内核态内存释放函数
用来改变权限的函数：
int commit_creds(struct cred *new)
struct cred prepare_kernel_cred(struct task_struct daemon)
执行 commit_creds(prepare_kernel_cred(0)) 即可获得 root 权限
Expoit Mitigations 内核态与用户态的保护方式有所区别
相同的保护措施：DEP，Canary，ASLR，PIE，RELRO
不同的保护措施：MMAP_MIN_ADDR，KALLSYMS，RANDSTACK，STACKLEAK，SMEP，SMAP
MMAP_MIN_ADDR
MMAP_MIN_ADDR 保护机制不允许程序分配低内存地址，可以用来防御 null pointer dereferences
如果没有这个保护，可以进行如下的攻击行为：
1.函数指针指针为 0，程序可以分配内存到 0×000000 处。
2.程序在内存 0×000000 写入恶意代码。
3.程序触发 kernel BUG（）。这里说的 BUG() 其实是 linux kernel 中用于拦截内核程序超出预期的行为，属于软件主动汇报异常的一种机制。
4.内核执行恶意代码。
KALLSYMS
/proc/kallsyms 给出内核中所有 symbol 的地址，通过 grep/proc/kallsyms 就可以得到对应函数的地址，我们需要这个信息来写可靠的 exploit，否则需要自己去泄露这个信息。在低版本的内核中所有用户都可读取其中的内容，高版本的内核中缺少权限的用户读取时会返回 0。
SMEP
管理模式执行保护，保护内核是其不允许执行用户空间代码。在 SMEP 保护关闭的情况下，若存在 kernel stack overfolw，可以将内核栈的返回地址覆盖为用户空间的代码片段执行。在开启了 SMEP 保护下，当前 cpu 处于 ring 0 模式，当返回到用户态执行时会触发页错误。
操作系统是通过 CR4 寄存器的第 20 位的值来判断 SMEP 是否开启，1 开启，0 关闭，检查 SMEP 是否开启
cat /proc/cpuinfo | grep smep
可通过 mov 指令给 CR4 寄存器赋值从而达到关闭 SMEP 的目的，相关的 mov 指令可以通过 ropper，ROPgadget 等工具查找
SMAP
管理模式访问保护，禁止内核访问用户空间的数据
KASLR
内核地址空间布局随机化，并不默认开启，需要在内核命令行中添加指定指令。
qemu 增加启动参数 -append “kaslr” 即可开启
Privilege Escalation 提取，越狱，就是要以 root 用户拿到 shell，获取 root 的方式有几种
在内核态调用 commit_creds(prepare_kernel_cred(0))，返回用户态执行起 shell
void get_r00t() { commit_creds(prepare_kernel_cred(0));
}
int main(int argc, char *argv) {
...
trigger_fp_overwrite(&get_r00t);
...
// trigger fp use
trigger_vuln_fp();
// Kernel Executes get_r00t()
...
// Now we have root
system("/bin/sh");
}
SMEP 防预这种类型的攻击的方法是：如果处理器处于 ring0 模式，并试图执行有 user 数据的内存时，就会触发一个页错误。
也可以修改 cred 结构体，cred 结构体记录了进程的权限，每个进程都有一个 cred 结构体，保存了进程的权限等信息（uid，gid），如果修改某个进程的 cred 结构体（uid = gid = 0），就得到了 root 权限
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>
struct user_namespace *user_ns; /* user_ns the caps and keyrings are>
struct group_info *group_info; /* supplementary groups for euid/fsgid */
struct rcu_head rcu; /* RCU deletion hook */
} __randomize_layout;
Build Linux KernelSource Code 先下载一份 Kernel 源码，我用的是 2.6.32，由于我的机子是 ubuntu 16.04，预装的 make 与 gcc 版本过高，编译 2.6 的 kernel 会失败，所以需要降级
# 4.7 gcc sudo apt install gcc-4.7 g++-4.7
sudo rm /usr/bin/gcc /usr/bin/g++
sudo ln -s /usr/bin/gcc-4.7 /usr/bin/gcc
sudo ln -s /usr/bin/g++-4.7 /usr/bin/g++
# 3.80 make
wget https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/gnu/make/make-3.80.tar.gz
tar -xvf make-3.80.tar.gz
cd make-3.80/
./configure
make
sudo make install
3.80 的 make 生成在源码目录里，稍后需要用这个 make 文件
修改三处 2.6 源码文件
1.arch/x86/vdso/Makefile 中第 28 行的 -m elf_x86_64 改成 -m64，第 72 行的-m elf_i386 改成-m32
2.drivers/net/igbvf/igbvf.h 中注释第 128 行
3.kernel/timeconst.pl 中第 373 行 defined(@val) 改成 @val
4.（可选）关闭 canary 保护需要编辑源码中的.config 文件 349 行，注释掉 CONFIG_CC_STACKPROTECTOR=y 这一项
bzImage 安装必备依赖
sudo apt-get install build-essential libncurses5-dev
解压后进入源码目录，使用刚安装的 make
~/MAKE/make-3.80/make menuconfig
进入 kernel hacking，勾选 Kernel debugging，Compile-time checks and compiler options–>Compile the kernel with debug info，Compile the kernel with frame pointers 和 KGDB，然后开始编译
~/MAKE/make-3.80/make bzImage
大概 10 分钟的样子，出现这个信息就说明编译成功了
Setup is 15036 bytes (padded to 15360 bytes). System is 3754 kB
CRC 4505d1c3
Kernel: arch/x86/boot/bzImage is ready(#1)
vmlinux 在源码根目录下，bzImage 在/arch/x86/boot/里
rootfs.cpio 编译 busybox
wget https://busybox.net/downloads/busybox-1.27.2.tar.bz2 tar -jxvf busybox-1.27.2.tar.bz2
cd busybox-1.27.2
make menuconfig
勾选 Busybox Settings -> Build Options -> Build Busybox as a static binary
make install
编译完成后源码目录下会有一个_install 文件夹，进入
mkdir -pv {bin,sbin,etc,proc,sys,usr/{bin,sbin}} mkdir etc/init.d
touch etc/init.d/init
编辑 etc/inittab 文件，加入以下内容（貌似这一步可以省略）
::sysinit:/etc/init.d/rcS ::askfirst:/bin/ash
::ctrlaltdel:/sbin/reboot
::shutdown:/sbin/swapoff -a
::shutdown:/bin/umount -a -r
::restart:/sbin/init
编辑 etc/init.d/init 文件，加入以下内容
#!/bin/sh mount -t proc none /proc
mount -t sys none /sys
/bin/mount -n -t sysfs none /sys
/bin/mount -t ramfs none /dev
/sbin/mdev -s
接着就可以打包成 rootfs.cpio
chmod +x ./etc/init.d/rcS find . | cpio -o --format=newc > ../rootfs.cpio
boot 得到三个文件后，可以利用 qemu 运行起来，启动脚本 boot.sh
#!/bin/sh qemu-system-x86_64 \
-initrd rootfs.cpio \
-kernel bzImage \
-nographic \
-append "console=ttyS0 root=/dev/ram rdinit=/sbin/init" \
-m 64M \
-monitor /dev/null \
/ # uname -a Linux (none) 2.6.32 #1 SMP Sun Jan 26 21:51:02 CST 2020 x86_64 GNU/Linux
Run LKMbuild 简单写一个 hello 的程序，hello.c 内容如下
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/proc_fs.h>
int hello_write(struct file *file, const char *buf, unsigned long len)
{
printk("You write something.");
return len;
}
static int __init hello_init(void)
{
printk(KERN_ALERT "hello driver init!\n");
create_proc_entry("hello", 0666, 0)->write_proc = hello_write;
return 0;
}
static void __exit hello_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT "hello driver exit\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
Makefile 内容如下，注意 xxx.c 与 xxx.o 文件名一致，KERNELDR 目录是内核源代码
obj-m := hello.o KERNELDR := /home/mask/kernel/linux-2.6.32
PWD := $(shell pwd)
modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDR) M=$(PWD) modules
modules_install:
$(MAKE) -C $(KERNELDR) M=$(PWD) modules_install
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDR) M=$(PWD) clean
make 出来后得到.ko 文件
➜helloworld ls helloc.c helloc.mod.chelloc.omodules.order
helloc.kohelloc.mod.oMakefileModule.symvers
➜helloworld file helloc.ko
helloc.ko: ELF 64-bit LSB>
9073cddf3043e52b28107, not stripped
➜helloworld checksec helloc.ko
[*] '/home/mask/kernel/test/linux4.4/module/helloworld/helloc.ko'
Arch: amd64-64-little
RELRO: No>
Stack: No canary found
NX: NX enabled
PIE: No PIE (0x0)
再写一个调用程序 call.c
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
int main()
{
int fd = open("/proc/hello", O_WRONLY);
write(fd, "Mask", 4);
return 0;
}
run 将 helloc.ko 文件与 call 文件复制.
进文件系统，也就是 busybox 目录里的_install 文件夹，重新打包 rootfs.cpio，运行起来即可看见模块
/ # insmod hello.ko [ 11.743066] hello driver init!
/ # ./call
[ 25.860294] You write something.
Reference qemu+gdb 调试 kernel
Linux Kernel Pwn ABC(Ⅰ)
Linux Syscall
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