转：利用一个堆溢出漏洞实现VMware虚拟机逃逸
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利用一个堆溢出漏洞实现VMware虚拟机逃逸
[作者：李小龙（acez），中文翻译：kelwin]
1. 介绍
2017年3月，长亭安全研究实验室（Chaitin Security Research Lab）参加了Pwn2Own黑客大赛，我作为团队的一员，一直专注于VMware Workstation Pro的破解，并成功在赛前完成了一个虚拟机逃逸的漏洞利用。（很不）幸运的是，就在Pwn2Own比赛的前一天（3月14日），VMware发布了一个新的版本，其中修复了我们所利用的漏洞。在本文中，我会介绍我们从发现漏洞到完成利用的整个过程。感谢@kelwin在实现漏洞利用过程中给予的帮助，也感谢ZDI的朋友，他们近期也发布了一篇相关博客，正是这篇博文促使我们完成本篇writeup。
本文主要由三部分组成：首先我们会简要介绍VMware中的RPCI机制，其次我们会描述本文使用的漏洞，最后讲解我们是如何利用这一个漏洞来绕过ASLR并实现代码执行的。
2. VMware RPCI机制
VMware实现了多种虚拟机（下文称为guest）与宿主机（下文称文host）之间的通信方式。其中一种方式是通过一个叫做Backdoor的接口，这种方式的设计很有趣，guest只需在用户态就可以通过该接口发送命令。VMware Tools也部分使用了这种接口来和host通信。我们来看部分相关代码（摘自open-vm-tools中的lib/backdoor/backdoorGcc64.c）：
void
Backdoor_InOut(Backdoor_proto *myBp) // IN/OUT
{
uint64 dummy;
__asm__ __volatile__(
#ifdef __APPLE__
/*
* Save %rbx on the stack because the Mac OS GCC doesn‘t want us to
* clobber it - it erroneously thinks %rbx is the PIC register.
* (Radar bug 7304232)
*/
"pushq %%rbx" "\n\t"
#endif
"pushq %%rax" "\n\t"
"movq 40(%%rax), %%rdi" "\n\t"
"movq 32(%%rax), %%rsi" "\n\t"
"movq 24(%%rax), %%rdx" "\n\t"
"movq 16(%%rax), %%rcx" "\n\t"
"movq 8(%%rax), %%rbx" "\n\t"
"movq (%%rax), %%rax" "\n\t"
"inl %%dx, %%eax" "\n\t" /* NB: There is no inq instruction */
"xchgq %%rax, (%%rsp)" "\n\t"
"movq %%rdi, 40(%%rax)" "\n\t"
"movq %%rsi, 32(%%rax)" "\n\t"
"movq %%rdx, 24(%%rax)" "\n\t"
"movq %%rcx, 16(%%rax)" "\n\t"
"movq %%rbx, 8(%%rax)" "\n\t"
"popq (%%rax)" "\n\t"
#ifdef __APPLE__
"popq %%rbx" "\n\t"
#endif
: "=a" (dummy)
: "0" (myBp)
/*
* vmware can modify the whole VM state without the compiler knowing
* it. So far it does not modify EFLAGS. --hpreg
*/
:
#ifndef __APPLE__
/* %rbx is unchanged at the end of the function on Mac OS. */
"rbx",
#endif
"rcx", "rdx", "rsi", "rdi", "memory"
);
}
上面的代码中出现了一个很奇怪的指令inl。在通常环境下（例如Linux下默认的I/O权限设置），用户态程序是无法执行I/O指令的，因为这条指令只会让用户态程序出错并产生崩溃。而此处这条指令产生的权限错误会被host上的hypervisor捕捉，从而实现通信。Backdoor所引入的这种从guest上的用户态程序直接和host通信的能力，带来了一个有趣的攻击面，这个攻击面正好满足Pwn2Own的要求：“在这个类型（指虚拟机逃逸这一类挑战）中，攻击必须从guest的非管理员帐号发起，并实现在host操作系统中执行任意代码”。guest将0x564D5868存入$eax，I/O端口号0x5658或0x5659存储在$dx中，分别对应低带宽和高带宽通信。其它寄存器被用于传递参数，例如$ecx的低16位被用来存储命令号。对于RPCI通信，命令号会被设为BDOOR_CMD_MESSAGE（=30）。文件lib/include/backdoor_def.h中包含了一些支持的backdoor命令列表。host捕捉到错误后，会读取命令号并分发至相应的处理函数。此处我省略了很多细节，如果你有兴趣可以阅读相关源码。
2.1 RPCI
远程过程调用接口RPCI（Remote Procedure Call Interface）是基于前面提到的Backdoor机制实现的。依赖这个机制，guest能够向host发送请求来完成某些操作，例如，拖放（Drag n Drop）/复制粘贴（Copy Paste）操作、发送或获取信息等等。RPCI请求的格式非常简单：<命令> <参数>。例如RPCI请求info-get guestinfo.ip可以用来获取guest的IP地址。对于每个RPCI命令，在vmware-vmx进程中都有相关注册和处理操作。
需要注意的是有些RPCI命令是基于VMCI套接字实现的，但此内容已超出本文讨论的范畴。
3. 漏洞
花了一些时间逆向各种不同的RPCI处理函数之后，我决定专注于分析拖放（Drag n Drop，下面简称为DnD）和复制粘贴（Copy Paste，下面简称为CP）功能。这部分可能是最复杂的RPCI命令，也是最可能找到漏洞的地方。在深入理解的DnD/CP内部工作机理后，可以很容易发现，在没有用户交互的情况下，这些处理函数中的许多功能是无法调用的。DnD/CP的核心功能维护了一个状态机，在无用户交互（例如拖动鼠标从host到guest中）情况下，许多状态是无法达到的。
我决定看一看Pwnfest 2016上被利用的漏洞，该漏洞在这个VMware安全公告中有所提及。此时我的idb已经标上了很多符号，所以很容易就通过bindiff找到了补丁的位置。下面的代码是修补之前存在漏洞的函数（可以看出services/plugins/dndcp/dnddndCPMsgV4.c中有对应源码，漏洞依然存在于open-vm-tools的git仓库的master分支当中）：
static Bool DnDCPMsgV4IsPacketValid(const uint8 *packet,
size_t packetSize)
{
DnDCPMsgHdrV4 *msgHdr = NULL;
ASSERT(packet);
if (packetSize < DND_CP_MSG_HEADERSIZE_V4) {
return FALSE;
}
msgHdr = (DnDCPMsgHdrV4 *)packet;
/* Payload size is not valid. */
if (msgHdr->payloadSize > DND_CP_PACKET_MAX_PAYLOAD_SIZE_V4) {
return FALSE;
}
/* Binary size is not valid. */
if (msgHdr->binarySize > DND_CP_MSG_MAX_BINARY_SIZE_V4) {
return FALSE;
}
/* Payload size is more than binary size. */
if (msgHdr->payloadOffset + msgHdr->payloadSize > msgHdr->binarySize) { // [1]每个包的binarySize可以手动设置，但是程序默认为不修改。
return FALSE;
}
return TRUE;
}
Bool
DnDCPMsgV4_UnserializeMultiple(DnDCPMsgV4 *msg,
const uint8 *packet,
size_t packetSize)
{
DnDCPMsgHdrV4 *msgHdr = NULL;
ASSERT(msg);
ASSERT(packet);
if (!DnDCPMsgV4IsPacketValid(packet, packetSize)) {//检查长度
return FALSE;
}
msgHdr = (DnDCPMsgHdrV4 *)packet;
/*
* For each session, there is at most 1 big message. If the received
* sessionId is different with buffered one, the received packet is for
* another another new message. Destroy old buffered message.
*/
if (msg->binary &&
msg->hdr.sessionId != msgHdr->sessionId) {
DnDCPMsgV4_Destroy(msg);
}
/* Offset should be 0 for new message. */
if (NULL == msg->binary && msgHdr->payloadOffset != 0) {
return FALSE;
}
/* For existing buffered message, the payload offset should match. */
if (msg->binary &&
msg->hdr.sessionId == msgHdr->sessionId &&