本文来自USENIX 2019，KEPLER- Facilitating Control-flow Hijacking Primitive Evaluation for Linux Kernel Vulnerabilities。源码见https://github.com/ww9210/kepler-cfhp。
摘要：
目标：漏洞利用面临的挑战有保护机制、缺陷路径和不合适的原语，很难手动构造exp。
解决：提出KEPLER，利用符号执行和特殊的gadget，自动生成"single-shot"利用链（漏洞只触发一次）。
结果：对比Q和FUZE，能生成更多有效的exp。
1.Introduction
背景：内核漏洞危害很大，修复人力有限，需根据漏洞可利用性评级来修复。内核漏洞自动利用有助于漏洞评级、CTF、验证保护机制的有效性。
自动利用步骤：一是识别利用原语，二是用约束求解求出输入。
挑战：a. 保护机制，如CFI（效率原因，Linux主版本未采用）；b. 缺陷路径，数据构造错误可能导致访存错误、死循环等；c. 不合适的利用原语：漏洞本身的缺陷，如控制的寄存器个数有限。
KEPLER流程：先静态分析，找可用gadget；再内核符号执行，基于深搜的gadget缝合算法。
贡献：a. 提出"single-shot" 利用方法，自动生成rop；b. 半自动exp生成：利用IDA SDK、QEMU/KVM、angr；c.实用性好，对16个CVE、3个CTF能够生成有效的不同利用链。
2. 背景和相关工作
利用原语：CFHP、任意内存读写。
研究点：a. 利用原语评估，甚至能利用缺陷漏洞绕过防护；b. 开发工具，自动化利用生成。
2.1 利用原语识别
相关工作：AEG、mayhem、Mechanical Phish[62]、自动堆布局[30]、栈喷射[46]。
本文：假定漏洞点已经找到。
2.2 利用原语评估
目标：找到合适的利用方法。
相关工作：a. 构造ROP链，针对DEP保护的ret2stack-shellcode、ret2libc [3,9,62]、Q[60]；b. 构造exp的技术，[48]、堆溢出[55]、内存碰撞机制[77]；c. 针对CFI防护机制，如基于块的编程BOP[35]。
本文：a. 针对缺陷漏洞，存在利用上的限制；b. 针对内核，更复杂，而非用户层；c. 生成多种EXP，非单一。
2.3 内核利用与防护
a. SMEP——代码复用。
b. SMAP——一是cr4-flipping [41]，缺点是需两次触发CFHP，且基于虚拟化的hypervisor会检测cr4是否被修改[49,51]（通过检查vmexit）；二是Ret2Dir[39]，但physmap可以设定为不可执行。
c. CFI [16,70,26]，考虑到效率，主流版本操作系统未启用，如CentOS、Ubuntu、Debian。
d. 禁止写进程凭证、页表、VDSO的防护机制[17,40,67]。
e. KASLR，侧信道攻击[34, 28]（KPTI内核页表隔离机制可防[13]），任意读写[45, 7]。
3. 假设和威胁模型
（1）防护设置
SMEP、SMAP [11]、canary [22]、禁止写进程凭证[40]和页表[17]、KASLR、KPTI [13]，基于虚拟化的hypervisor监控cr4是否被修改 [49]，设置physmap不可执行，允许STATIC_USERMODEHELPER这样就不能修改call_usermodehelper变量，未开启CFI。
（2）可利用的原语
已知漏洞能导致CFHP（可通过手动分析或动态分析如符号跟踪，但不关注这一点），即劫持控制流；假定能泄露内存布局（.text节和physmap区域），但不存在任意地址读写（不能读canary）。
4.案例分析
漏洞CVE-2017-8890源码如下：
// ip_mc_socklist结构中next_rcu不可控，因为堆喷技术中不能控制前8字节
struct ip_mc_socklist {
struct ip_mc_socklist *next_rcu;
struct ip_mreqn multi;
unsigned int sfmode;
struct ip_sf_socklist *sflist;
struct rcu_head rcu;
};
// 遍历链表，不断调用kfree_rcu()释放所有元素，kfree_rcu()会触发执行rcu_do_batch()
void ip_mc_drop_socket(struct sock *sk){
struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
struct ip_mc_socklist *iml;
// inet->mc_list is a dangling pointer
while ((iml = inet->mc_list) != NULL) {
// iml is alias of the dangling pointer
inet->mc_list = iml->next_rcu;
// queuing a rcu_head for execution in the future
kfree_rcu(iml, rcu);
}
}
// CFHP
void rcu_reclaim(struct rcu_head *head){
head->func(head); // 控制流劫持点
}
void rcu_do_batch(...){
struct rcu_head *next, *list;
while (list) {
next = list->next; // next_rcu不可控
rcu_reclaim(list);
list = next;
}
}
4.1 漏洞和利用原语
漏洞分析：漏洞根源是对ip_mc_socklist对象的UAF漏洞，导致悬垂指针inet->mc_list与其别名*iml的产生。kfree_rcu(iml)触发rcu_do_batch()回调函数，若iml->rcu_head非空，则进一步调用rcu_reclaim()。
利用：利用堆喷伪造rcu_head，触发CFHP，劫持rip；此时rdi指向可控区域。
4.2 构造exp的挑战
（1）保护机制
SMEP/SMAP限制ret2user/pivot2usr；physmap不可执行限制ret2dir；进程凭证和页表不可写限制覆盖cred；cr4-flipping需触发漏洞两次，第一次翻转cr4，第二次进行ret2user/pivot2usr，但基于虚拟化的hypervisor可检测cr4是否被修改，且2次触发漏洞难度很大。
（2）路径缺陷
cr4-flipping需触发漏洞两次，第1次利用native_write_cr4()关闭SMAP后，但访问链表下一个元素iml->next_rcu->rcu却不在控制之中，导致访存错误。原因是堆喷无法控制前8字节。见图Figure 1。
解决：避免访存错误，可用约束求解求出正确输入，但开销过大。理想方法是绕过缺陷路径，但堆喷不能控前8字节是硬伤。即便能劫持控制流，还是很难突破hypervisor保护下的SMAP。
（3）不合适的漏洞原语
一般利用栈迁移去执行用户空间的ROP链，但是有难点。一是利用xchg eax,esp; ret绕不开SMAP保护；二是有效gadget不足，如xchg r**,rsp; ret, mov rsp,[r**]; jmp rxx 和 mov rsp,r**; ret；三是可控的寄存器太少，只有rdi可控，而rsi、rdx不可控。
5. Overview
5.1 设计需求
总要求：输入CFHP状态，找到提权的利用路径，输出exp。
利用技术的要求：a. 绕过假设中的保护机制；b. 绕过缺陷路径，避免崩溃；c. 有效性，对于不好的CFHP，没有栈迁移gadget，也能完成利用；d. 便于自动化。
5.2 顶层设计
总体：输入内核Image，静态分析找到可用gadget，利用"single-shot"利用方法，构造利用链，将函数指针破坏漏洞（CFHP）转化为栈溢出漏洞（CFHP'），执行接下来的任意ROP链。见Figure2。
对比：见Figure3。常用的利用方法需触发漏洞2次，不可避免的触发缺陷路径中的访存错误，"single-shot"利用方法只触发漏洞1次即可执行接下来的ROP chain。
6. 设计
核心思路：
（1）breaking isolation with I/O functions
利用I/O函数绕过SMAP，copy_from_user和copy_to_user。见Figure4，先拷贝栈上数据出来，泄露canary，再向栈上拷贝rop chain进去。
（2）improving exploit success ratio with a single CFHP
利用两类gadget，blooming gadget—控制寄存器，bridging-gadget—绕过缺陷路径。
6.1 构造栈溢出
（1）stack-smashing gadget
直接跳转到这类gadget，构造栈溢出。例如copy_from_user(void* dst, void* src, unsigned long length)，若满足以下条件，则会导致内核栈溢出：
a. dst(rdi)指向当前内核栈；b. src(rsi指向用户空间地址，使得拷贝内容可控；c. length(rdx)大于当前栈帧的size。
Linux编程风格1：91%的copy_from_user调用点，rdi指向内核栈，但rsi/rdx大小不确定。
（2）选择较短的返回路径（错误路径）
Linux编程风格2：99%的copy_from_user调用都含有错误处理，即返回值非0则返回错误，这样可以快速退出，执行下一个gadget。见Table2。
目标：使copy_from_user返回非0值。
方法：拷贝完一段数据后触发页错误，使得返回值非0，就能成功将数据拷贝到内核。
（3）触发页错误
方法：设置用户页1和页2相邻，页1放ROP，页2触发页错误；rsi=p1+PAGE_SIZE-n，rdx=n+1；copy_from_user将返回1，表示有1字节未拷贝成功。见Figure5。
6.2 绕过Canary
（1）Stack-disclosure Gadget 栈泄露gadget 和 Auxiliary Function 辅助函数
栈泄露gadget：copy_to_user。Linux编程风格3：594处copy_to_user调用中，81%是将内核栈数据拷贝到用户空间。
辅助函数：用于创建相似的栈帧结构+canary，再call调用栈泄露gadget，使栈泄露gadget能正确返回并正常执行之后的gadget。
（2）泄露canary
要求：a. 正确构造copy_to_user的参数；b. copy_to_user返回值为非0；c. copy_to_user返回时会检查canary；d. 栈上需正确布置返回地址以继续利用。
解决：a. 使用6.3节介绍的blooming gadget控制rsi/rdx；b. 同copy_from_user一样，利用userfaultfd触发页错误，返回非0值；c/d. 采用栈泄露gadget和辅助函数。
泄露canary原理：栈泄露gadget和辅助函数需满足，保存相同数量的寄存器、相同的canary位置、栈大小相差8字节（即返回地址）。利用CFHP执行到辅助函数，辅助函数先保存寄存器、创建栈帧，利用call rax跳转到栈泄露gadget->1，copy_to_user完成后触发页错误->2，走最短返回路径，返回前会检查canary->3，恰好用到辅助函数布置的canary。见Figure6。
6.3 整合->Single shot利用
目标：利用blooming gadget控制寄存器rsi/rdx；利用bridging gadget去组合链接gadget。
（1）blooming gadget—控制rsi/rdx寄存器
启发：COOP[59]，利用C++程序中的类型混乱，对象指针self通过rdi传递（函数地址和参数都通过这一个指针指向的对象传递）。
示例：见Table3。通过vma指针调用clear_range()，参数也由vma控制，所以只要rdi可控，就能控制rdi/rsi/rdx。
条件：blooming gadget起作用的前提是rdi可控，而CFHP通常可控rdi；否则若寄存器都不可控，只能劫持控制流，可利用gadget add rsp, 0x68; pop rdi; ret，需满足栈上有连续2个8字节可控（rsp+0x68和rsp+0x70）。
（2）bridging gadget——链接栈泄露+栈溢出
示例：见Table 4。regcache_mark_dirty含2个间接调用map->lock和map->unlock。调用目标和参数都由rdi(map对象)控制。
// Table 4:
void regcache_mark_dirty(struct regmap *map) {
map->lock(map->lock_arg); // the 1st control-flow hijack
map->cache_dirty = true;
map->no_sync_defaults = true;
map->unlock(map->lock_arg); // the 2nd control-flow hijack
}
方法：先利用ret2dir[39]分配physmap页，并伪造数据对象；再设置好rdi后跳转到bridging gadget。见Figure 7，A表示辅助函数+泄露gadget(copy_to_user)，B表示栈溢出(copy_from_user)。
7.实现
代码量：8000行python，使用IDA Pro SDK[20] + angr[64]。
gadget布置方式：见Figure 8。
问题：CFHP上下文不同，导致对寄存器的控制情况不同，使得利用方式也不同。
方法：利用符号执行和深搜尝试所有可能的利用链组合。遇到以下情况则判断为不可用，以节省计算资源，一是内存访问到不可控内存；二是判断关键点的寄存器是否可控，泄露点的rdi/rdx，溢出点的rsi/rdx。
技术点：a. 处理路径爆炸，一是限制KEPLER最多执行20个基本块，二是扩展angr的ControlledData—符号地址的具体化策略；b. 约束求解payload，angr的Z3消耗太多内存，KEPLER可以在约束求解完成后帮助释放内存；c. 构造栈溢出后需执行的ROP链，提权。
8. 案例分析与评估
8.1 setup
漏洞选取：16个真实漏洞+3个CTF题目，插入到kernel 4.15.0，含UAF/OOB。
配置：32-core Intel(R) Xeon(R) Platinum 8124M CPU and 256GB of memory 。对每个漏洞跑28个并发worker，符号化探索利用链。
8.2 single-shot方法的有效性
实验结果见Table5。
对比：10个有公开exp，只有5个能绕过威胁模型提到的保护机制；KEPLER能生成17个绕过威胁模型。Q、FUZE不行。
失败案例：CVE-2017-17053 和 CVE-2016-9793 均需访问用户数据才能控制rip，受SMAP限制。
8.3 工具的有效性
结论：a. 能生成多种利用链，丰富了利用方式；b. 不同的漏洞利用链个数不同，因为漏洞的状态机和上下文不同；c. 很高效，生成第1个利用链的时间很短。