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kheap

难度：中等

内核版本：linux-6.2.16，smap/smep/pti/kaslr 全开

并且设置了如下编译选项：

出题思路：在 cve-2021-22555 中，给出了一种针对大对象 [>= kmalloc-512] double free 的利用方式，即 msg_msg + sk_buff 劫持 pipe_buffer，但是由于 sk_buff 对象最小为 512 字节，所以该方法对于小于 512 字节的对象 double free 无法适用。当然这里也许可以用 setxattr 去替换 sk_buff，但这是不便的，因为其无法控制堆块释放的时间，当然你可以选择利用 fuse 去进行稳定控制。但是 setxattr 申请对象使用的是 GFP_KERNEL，所以如果这里存在 cg 隔离，则 setxattr 也将变得束手无策。于是笔者对小于 512 字节的对象的 double free 漏洞进行利用思考，总结出了 DCO 利用方式，于是出现了此次题目。

题目给了一次 0x40 [GFP_KERNEL] 大小对象 double free 的机会，源码如下：

本题 GFP_KERNEL 与 GFP_KERNEL_ACCOUNT 分配的对象存在隔离，而在漏洞利用中，对于 0x40 大小并且由 GFP_KERNEL 分配的对象并不多，对于常用的可适配的对象 msg_msg、pipe_buffer 都是通过 GFP_KERNEL_ACCOUNT 分配的。所以这里我们得先进行 cross cache attack 去突破 GFP_KERNEL 和 GFP_KERNEL_ACCOUNT 之间的隔离。并且 0x40 大小的由 GFP_KERNEL_ACCOUNT 分配的对象对于 double free 漏洞也不好进行利用。所以经过探索，笔者总结了一种针对 kmalloc-8~kmalloc-256 小堆块 double free 漏洞利用方式。这里命名为 DCO，即 Double free + Cross cache attack + Overlap object。

DCO 能够成功利用的原因：

• cross cache attack
• kfree 未对释放地址进行地址对齐检查

cross cache attack 突破 GFP_KERNEL/GFP_KERNEL_ACCOUT 和堆块大小的限制

由于是 CTF 环境，系统噪声影响不大，所以这里的 cross cache attack 利用方式比较简单粗暴，即：

• 先堆喷大量的 0x40 [GFP_KERNEL] 大小的对象，并分配 vuln obj [就是 double free 的对象]，然后在将其全部释放

这里笔者选择堆喷的对象是 poll_list，最开始本来想用 user_key_payload 的，但是发现其释放回收不太稳定

kmalloc-8~kmalloc-256 的 pagesperslab 都为 1，所以这里是有很大的机会使得 empty slab 被伙伴系统回收的。

其实上述的 cross cache attack 并不稳定，因为对于 empty slab 的处理并不是简单粗暴的被伙伴系统回收。当然比较稳定的方式请参考 CVE-2022-29582，但对于 CTF 题目环境而言，简单粗暴的方式就够了。

在完成 corss cache attack 后就比较简单了。

overlap object 劫持 pipe_buffer 打 dirty pipe

在上面我们说了 kmalloc-8~kmalloc-256 的 pagesperslab 都为 1[在我本机是这样的，但是在 qemu 虚拟机中， kmalloc-256 的 pagesperslab = 2]，所以此时我们在堆喷大量的 192 [GFP_KERNEL_ACCOUNT] 大小的 msg_msg，此时很大概率形成如下布局：

然后这里利用 kfree 的一个缺陷：

• 通过查看 kfree 源码可以发现：kfree 在释放对象时，并不会对传入的地址进行对齐检查

所以此时我们可以利用 double free，在此释放 vuln ptr 指向的地址，然后形成如下布局：

可以看到此时我们已经完成了 overlap object，此时我们在堆喷大量的 192 [GFP_KERNEL_ACCOUNT] 大小的pipe_buffer，此时形成如下布局：

此时我们利用 msg_msg 的带 MSG_COPY 标志读即可读取 pipe_buffer 的内容从而泄漏 kernel base [当然这里其实根本不用泄漏任意地址，因为后面我们直接打的 dirty pipe，这里读取的原因主要是为了确认是否命中，因为这里会将下一个 msg_msg2 破坏，直接释放所有的 msg_msg 会导致 kernel panic]。

然后我们在利用 msg_msg 的不带 MSG_COPY 标志读释放掉该 msg_msg，即可形成如下局部：

此时我们再堆喷 192 [GFP_KERNEL_ACCOUNT] 大小的 msg_msg，此时我们就可以篡改 pipe_buffer 的内容了，既然都可以篡改 pipe_buffer，那么自然就是打 dirty pipe 了。

dirty pipe 出来后，很多利用都变得比较简单了，在之前劫持 pipe_buffer 后，一般就是伪造 ops 进行 rop 布置提权。

注：以上方案，在 cross cache attack 稳定的情况下，成功率是 2/3，为啥呢？很简单，我们知道 192 = 0x40 * 3，如果 vuln ptr 指向的是 192 堆块的头部呢？即如下布局：

这时，当我们第二次释放 vuln ptr 时，就不会导致 overlap object

最后效果如下：

DCO kmalloc-32/96/128/192/256 double free 测试

笔者针对 kmalloc-32/96/128/192/256 [GFP_KERNEL] double free 进行了 DCO 利用，所有的 exp 和 LKM 可在我的 github 上获取。对于 kmalloc-8/16 需要 fuse + setxattr 去配合堆喷，所以这里就不再演示。

注：如果读者测试发现成功率比较低，则是堆喷策略导致的，读者可以自行更换堆喷策略

kmalloc-32 [GFP_KERNEL]：

理论成功率 2/3：由于笔者堆喷策略比较垃圾，实际成功率比较低

kmalloc-96 [GFP_KERNEL]：

理论成功率 1/2：

kmalloc-128 [GFP_KERNEL]：

理论成功率 2/3：

kmalloc-192 [GFP_KERNEL]：

这里由于页级堆风水不稳定导致 cross cache attack 几乎无法成功，所以最后漏洞利用失败，但是理论上是可行的。

最初想法，利用 kmalloc-512 进行利用，理论成功率 7/8：

这里之所以是理论成功率是因为，kmalloc-cg-512 的 pagesperslab = 4，而 kmalloc-192 的 pagesperslab = 1 ，然后我尝试利用页级堆风水，但是发现效果还是不好。

再思考：

其实这里我们非得找一个比 vuln obj 更大的对象吗？其实未必，我们需要的其实是一个对象被另一个对象包含，所以考虑如下布局：

是不是很熟悉，之前的 kmalloc-128 double free 就是这个布局，这次漏洞对象转换到了 kmalloc-192，但是我们可以发现这里是有概率发生 overlap object 的，只不过概率变成了 1/3，但是很可惜的是 pipe_buffer 并不适配 kmalloc-128。

我们知道 pipe_buffer 只能适配以下大小：

kmalloc-256 [GFP_KERNEL]：

经过上述再思考，对于 kmalloc-256 double free 的利用应该就很清晰了，这里我们为了避免页级堆布局，所以还是在 kmalloc-64/96/192 中适配 pipe_buffer，其中 kmalloc-64 是不可行的，因为 256 / 64 = 4，而在 kmalloc-96/192 中，笔者选择的是 kmalloc-192。

理论成功率 2/3：

当然在我本机是 kmalloc-256's pagesperslab = 1，但是在 CTF 环境中 kmalloc-256's pagesperslab = 2。但是这里比较好的是适配 kmalloc-cg-192 pipe_buffer's pagesperslab = 1，所以这里的页级堆布局比较容易。我们只需要在堆喷 kmalloc-cg-192 pipe_buffer 时，提前消耗掉 buddy system order-0 page 即可，最后效果如下：

总结

这里笔者成功完成了 kmalloc-32/96/128/256 double free 的利用，对于 kmalloc-192 理论上是可行的，但是笔者的页级堆布局策略很烂，所以 corss cache attack 失败，然后笔者由于有其它事情，所以就不再深入下去。

这里得简单说下 kmalloc-192 与 kmalloc-256 double free 利用的区别，以此来说下为啥 kmalloc-256 的页级堆布局比较简单：

• kmalloc-192：适配 pipe_buffer 大小为 kmalloc-cg-512
  • 其中 kmalloc-192's pagesperslab = 1，而 kmalloc-cg-512's pagesperslab = 4。所以如果想让最后适配的 pipe_buffer 拿到 empty slab page，就得提前消耗掉 buddy system order-0/1 的页面，并且最后得申请 4 张连续的 page，然后得让这 4 张连续的 page 全部被 buddy system 回收，这样最好堆喷适配的 pipe_buffer 时，才有可能从 order-2 中拿到目标 empty slab page。当然页不一定申请 4 张连续的 page，只有最后能够让目标 empty slab page 回到 order->=2 即可。
  • 所以经过上述分析，你会发现这种方式理论上可行，但是成功率极低【主要是自己的堆喷策略不行，还是太菜了】
• kmalloc-256：适配 pipe_buffer 大小为 kmalloc-cg-192
  • 其中 kmalloc-256's pagesperslab = 2，而 kmalloc-cg-192's pagesperslab = 1。所以如果想让最后适配的 pipe_buffer 拿到 empty slab page 就很简单：只需要在堆喷前消耗掉一定的 order-0 页面即可。因为当 order-0 被消耗完时，自然会拿到 order-1 的页面

当然你可能会问为什么 kmalloc-192 不使用 kmallc-64/96 去适配 pipe_buffer 呢？很简单，192 整除 64/96，所以不存在 overlap object

总结

这是得说明一下：笔者接触内核利用不久，不知道以上方式是否已经被命名，这里命名为 DCO 仅仅只是为了方便讨论，如果该方式已经被命名希望读者可以告知笔者，笔者将对上述 DCO 名称作相应的修改。

由于笔者的页级布局策略比较烂，所以DCO 目前无法完美解决 kmalloc-192 double free。而 DCO 之所以能够完成利用的主要原因在于 cross cache attack 和 kfree 的地址对齐未检查缺陷。

当然 DCO 其实也是可以用于 kmalloc-512 ~ kmalloc-2k 对象 double free 的利用的，但之所以没有将其归纳进 DCO，是因为在没有 cg 隔离时，大对象的 double free 利用 msg_msg + sk_buff 就可以了。当然主要的原因其实是因为大对象 pagesperslab 不同，所以这里得利用页级堆风水去进行页面布局，当然如果你对页级堆风水比较熟悉也是可以的。

比如在 d3ctf d3kheap 这个题目中，作者给了一个 kmalloc-1024 的 double free，且不存在 GFP_KERNEL 和 GFP_KERNEL_ACCOUT 之间的隔离，所以可以很方便的利用 msg_msg + sk_buff 进行利用。如果这里想利用 DCO，理论上也是可行的，通过堆风水，可以形成如下布局：

但是 kmalloc-1k 的 pagesperslab = 4，而 kmalloc-4k 的 pagesperslab = 8，所以如果想让最后堆喷 kmalloc-4k 的 pipe_buffer 占据该页面，就得让上述页面来自 order-3，所以就得提前消耗掉 order-2 的页面。当然这里 msgrcv 时还涉及到跨页，所以在开启 CONFIG_HARDENED_USERCOPY 时，又会存在一定的问题。所以综上所述，利用 msg_msg + sk_buff 更优。

当然 DCO 并不局限于 kmalloc-xx 通用缓存池小对象 double free 的利用，针对特定的缓存池小对象 double free 也可以完成利用，因为在完成 cross cache attack 后其实就跟漏洞对象在通用缓存池还是特定缓存池没啥关系了，因为此时漏洞对象所在的 slab page 已经被伙伴系统回收了。

corss cache attack 是一种非常有用且重要的利用技巧，通过 corss cache attack，我们可以突破 GFP_KERNEL 和 GFP_KERNEL_ACCOUNT 的隔离，可以突破漏洞堆块大小的限制，可以突破特定缓存对象的限制。当然了，据说 ATUOSLAB 可以防止 cross cache attack 的利用，但攻防本是一体，也希望未来能够看到更多的利用方式。

总的来说，目前针对 kmallc-512 ~ kmalloc-2k 的 double free 可以利用 msg_msg + sk_buff 完成利用，而针对 kmalloc-8 ~ kmalloc-256 的 double free 可以利用 DCO 完成利用。而针对 kmalloc-192 的 double free，笔者目前还未发现稳定的利用方式。对于 kmalloc-4k 大小的 double free，笔者认为可以利用 Dirty PageTable 完成利用，但是笔者没有进行验证。

当然这里的 kmalloc-192 double free 其实也因为 kmalloc-192's pagesperslab 与 kmalloc-512's pagesperslab 不同而导致没有完全解决。

最后如果有读者针对以上 kmalloc-192/4k 大小对象的 double free 利用或对 kmalloc-192 double free 稳定 corss cache attack 存在一定思路，欢迎联系讨论，企鹅号：MjM1MzU2NzA3MQ==。

后续

在之前说过对于 kmalloc-8/16 double free DCO 利用技术不适用是因为没有合适的堆喷 kmalloc-8/16 的策略，因为 poll_list 能够控制的堆块最小为 32。

但是其实这里还是有堆喷 kmalloc-8/16 的策略的，那就是 setxattr + userfaultfd/fuse，当然感兴趣的可以自行尝试，对于该题目而言 userfaultfd 普通用户是不可用的。但是在真实环境中我们可以利用 fuse 去配合 setxattr 进行 kmalloc-8/16 的堆喷。

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