linux “大脏牛”漏洞分析(CVE-2017-1000405)
一、背景简介
脏牛漏洞(CVE-2016–5195)是公开后影响范围最广和最深的漏洞之一，这十年来的每一个Linux版本，包括Android、桌面版和服务器版都受到其影响。恶意攻击者通过该漏洞可以轻易地绕过常用的漏洞防御方法，对几百万的用户进行攻击。尽管已针对该漏洞进行了补丁修复，但国外安全公司Bindecy对该补丁和内容做出深入研究后发现，脏牛漏洞的修复补丁仍存在缺陷，由此产生了“大脏牛”漏洞。基于多年以来针对移动端漏洞的技术积累和安全对抗，安天移动安全对“大脏牛”漏洞进行了详细的技术分析，并提供了验证方案，全文如下。
二、漏洞原理分析
2.1 脏牛漏洞回顾
在分析大脏牛漏洞前，我们需要对原始的脏牛漏洞利用方式进行完整的分析理解： 之前的漏洞是在get_user_pages函数中，这个函数能够获取用户进程调用的虚拟地址之后的物理地址，调用者需要声明它想要执行的具体操作(例如写/锁等操作)，所以内存管理可以准备相对应的内存页。具体来说，也就是当进行写入私有映射的内存页时，会经过一个COW(写时拷贝)的过程，即复制只读页生成一个带有写权限的新页，原始页可能是私有保护不可写的，但它可以被其他进程映射使用。用户也可以在COW后的新页中修改内容之后重新写入到磁盘中。
现在我们来具体看下get_user_pages函数的相关代码：
整个while循环的目的是获取请求页队列中的每个页，反复操作直到满足构建所有内存映射的需求，这也是retry标签的作用。
follow_page_mask读取页表来获取指定地址的物理页(同时通过PTE允许)或获取不满足需求的请求内容。在follow_page_mask操作中会获取PTE的spinlock，用来保护试图获取内容的物理页不会被释放掉。
faultin_page函数申请内存管理的权限(同样有PTE的spinlock保护)来处理目标地址中的错误信息。在成功调用faultin_page后，锁会自动释放，从而保证follow_page_mask能够成功进行下一次尝试，以下是涉及到的代码。
原始的漏洞代码在faultin_page底部：
上面这个判断语句想要表示的是，如果当前VMA中的标志显示当前页不可写，但是用户又执行了页的写操作，那么内核会执行COW操作，并且在处理中会有VM_FAULT_WRITE标志。换句话说在执行了COW操作后，上面的if判断为真，这时就移除了FOLL_WRITE标志。
一般情况下在COW操作后移除FOLL_WRITE标志是没有问题的，因为这时VMA指向的页是刚经过写时拷贝复制的新页，我们是有写权限的，后续不进行写权限检查并不会有问题。 但是，考虑这样一种情况，如果在这个时候用户通过madvise(MADV_DONTNEED)将刚刚申请的新页丢弃掉，那这时本来在faultin_page后应该成功的follow_page_mask会再次失败，又会进入faultin_page的逻辑，但是这个时候已经没有FOLL_WRITE的权限检查了，只会检查可读性。这时内核就会将只读页面直接映射到我们的进程空间里，这时VMA指向的页不再是通过COW获得的页，而是文件的原始页，这就获得了任意写文件的能力。
基本来看，上述的过程流也就是脏牛漏洞的利用过程。
在faultin_page中有对应的修复补丁：
同时也加入了另一个新的follow_page_mask函数：
与减少权限请求数不同，get_user_pages现在记住了经过COW循环的过程。之后只需要有FOLL_FORCE和FOLL_COW标志声明过且PTE标记为污染，就可以获取只读页的写入操作。
2.2 大脏牛漏洞分析
THP通过PMD(Pages Medium目录，PTE文件下一级)的_PAGE_PSE设置来打开,PMD指向一个2MB的内存页而非PTEs目录。PMDs在每一次扫描到页表时都会通过pmd_trans_huge函数进行检查,所以我们可以通过观察PMD指向pfn还是PTEs目录来判断是否可以聚合。在一些结构中，大PUDs(上一级目录)同样存在，这会导致产生1GB的页。 仔细查看脏牛补丁中关于THP的部分，我们可以发现大PMDs中用了和can_follow_write_pte同样的逻辑，其添加的对应函数can_follow_write_pmd：
然而在大PMD中，一个页可以通过touch_pmd函数，无需COW循环就标记为dirty：
这个函数在每次get_user_pages调用follow_page_mask试图访问大页面时被调用，很明显这个注释有问题，而现在dirty bit并非无意义的，尤其是在使用get_user_pages来读取大页时，这个页会无需经过COW循环而标记为dirty，使得can_follow_write_pmd的逻辑发生错误。
在此时, 如何利用该漏洞就很明显了，我们可以使用类似脏牛的方法。这次在我们丢弃复制的内存页后，必须触发两次page fault，第一次创建它，第二次写入dirty bit。
调用链：
经过这个过程可以获得一个标记为脏的页面，并且是未COW的，剩下的就是要获取FOLL_FORCE和FOLL_COW标志了。这个过程可以采取类似dirtyCOW的利用方式。
总结这个漏洞利用的思路如下：
- 首先经过COW循环，获取到FOLL_COW标志
- 用madvise干掉脏页
- 再次获取页将直接标记为脏
- 写入
三、影响范围
3.1 漏洞影响范围
由于从2.6.38内核后才开始支持THP，所以漏洞影响所有内核在2.6.38以上并且开启THP的Linux系统。万幸的是在大多数Android系统的内核中没有开启THP，所以对于Android系统几乎没有影响。
3.2 如何在系统上查看是否受到影响
如果是开发者,有内核源码可以查看编译的config文件，看CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE是否打开
如果没有源码,在shell中可以查看/sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled,如果输出结果为[always]表示透明大页被启用、[never]表示透明大页被禁用、[madvise]表示只在MADV_HUGEPAGE标志的VMA中启用THP，例如：
如果以上两者都没有，可以查看/proc/meminfo，如果连HugePage*都没有，那就说明没有开启大页面，也不会受到漏洞影响。
四、验证代码
验证POC请参照：https://github.com/bindecy/HugeDirtyCowPOC
五、修复建议
截止到文章发布时间，Linux各发行版本还未公布针对该漏洞的补丁信息，软件开发人员可通过：https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux-stable.git/commit/?h=linux-4.9.y&id=7031ae2ab37d3df53c4a4e9903329a5d38c745ec 新编译Linux修复该漏洞。如果开发人员暂时无法编译和替换内核，可以通过关闭透明大页（THP）来缓解。
六、总结
“脏牛”漏洞是Linux内核之父Linus亲自修复的，他提交的补丁单独针对“脏牛”而言并没有问题。从我们的分析过程中发现，内核的开发者希望将“脏牛”的修复方法引用到PMD的逻辑中，但是由于PMD的逻辑和PTE并不完全一致才最终导致了“大脏牛”漏洞。连内核的开发者都会犯错，更何况普通的开发者。
“大脏牛”漏洞再一次提示我们，即便是官方修复过的漏洞仍有可能由修复补丁引入新的严重漏洞，漏洞在修复后需要我们像对待原始漏洞一样继续跟踪其修复补丁。
七、参考资料
- https://medium.com/bindecy/huge-dirty-cow-cve-2017-1000405-110eca132de0
- https://bbs.pediy.com/thread-223056.htm
- https://cve.mitre.org/cgi-bin/cvename.cgi?name=CVE-2017-1000405