Pwn2Own 2020 利用 Oracle VirtualBox 网卡、USB 设备驱动实现虚拟机逃逸的细节
导语：本文将介绍在Pwn2Own 2020中的Oracle VirtualBox逃逸漏洞，这两个漏洞会影响Oracle VirtualBox 6.1.4和更低的版本。
本文将介绍在Pwn2Own 2020中的Oracle VirtualBox逃逸漏洞，这两个漏洞会影响Oracle VirtualBox 6.1.4和更低的版本。
0x01 漏洞分析
漏洞利用链包括2个漏洞：
· 英特尔PRO 1000 MT桌面（E1000）网络适配器-越界读取漏洞
https://www.zerodayinitiative.com/advisories/ZDI-20-581/
· 开放主机控制器接口（OHCI）USB控制器-未初始化变量漏洞
https://www.zerodayinitiative.com/advisories/ZDI-20-582/
1.E1000越界读取漏洞
有关E1000网络适配器内部工作的更多信息，可以在此处阅读有关信息。
https://github.com/hongphipham95/Vulnerabilities/blob/master/VirtualBox/Oracle VirtualBox Intel PRO 1000 MT Desktop - Integer Underflow Vulnerability/Oracle VirtualBox Intel PRO 1000 MT Desktop - Integer Underflow Vulnerability.md
使用E1000网络适配器发送以太网帧时，我们可以通过设置IXSM数据描述符选项字段中的位来控制IP校验和的插入：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:5191
static bool e1kLocateTxPacket(PE1KSTATE pThis)
{
...
E1KTXDESC *pDesc = &pThis->aTxDescriptors[i];
switch (e1kGetDescType(pDesc))
{
...
case E1K_DTYP_DATA:
...
if (cbPacket == 0)
{
/*
* The first fragment: save IXSM and TXSM options
* as these are only valid in the first fragment.
*/
pThis->fIPcsum = pDesc->data.dw3.fIXSM;
pThis->fTCPcsum = pDesc->data.dw3.fTXSM;
fTSE = pDesc->data.cmd.fTSE;
...
}随着pThis->fIPcsum有效标记，IP校验将被插入到以太网帧：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:4997
static int e1kXmitDesc(PPDMDEVINS pDevIns, PE1KSTATE pThis, PE1KSTATECC pThisCC, E1KTXDESC *pDesc,
RTGCPHYS addr, bool fOnWorkerThread)
{
...
switch (e1kGetDescType(pDesc))
{
...
case E1K_DTYP_DATA:
{
STAM_COUNTER_INC(pDesc->data.cmd.fTSE?
&pThis->StatTxDescTSEData:
&pThis->StatTxDescData);
E1K_INC_ISTAT_CNT(pThis->uStatDescDat);
STAM_PROFILE_ADV_START(&pThis->CTX_SUFF_Z(StatTransmit), a);
if (pDesc->data.cmd.u20DTALEN == 0 || pDesc->data.u64BufAddr == 0)
{
...
}
else
{
...
else if (!pDesc->data.cmd.fTSE)
{
...
if (pThis->fIPcsum)
e1kInsertChecksum(pThis, (uint8_t *)pThisCC->CTX_SUFF(pTxSg)->aSegs[0].pvSeg, pThis->u16TxPktLen,
pThis->contextNormal.ip.u8CSO,
pThis->contextNormal.ip.u8CSS,
pThis->contextNormal.ip.u16CSE);函数e1kInsertChecksum()将计算校验和并将其放入框架中，u8CSO，u8CSS以及u16CSE中pThis->contextNormal可以通过上下文描述符指定：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:5158
DECLINLINE(void) e1kUpdateTxContext(PE1KSTATE pThis, E1KTXDESC *pDesc)
{
if (pDesc->context.dw2.fTSE)
{
...
}
else
{
pThis->contextNormal = pDesc->context;
STAM_COUNTER_INC(&pThis->StatTxDescCtxNormal);
}
...
}执行函数e1kInsertChecksum()：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:4155
static void e1kInsertChecksum(PE1KSTATE pThis, uint8_t *pPkt, uint16_t u16PktLen, uint8_t cso, uint8_t css, uint16_t cse)
{
RT_NOREF1(pThis);
if (css >= u16PktLen) // [1]
{
E1kLog2(("%s css(%X) is greater than packet length-1(%X), checksum is not inserted\n",
pThis->szPrf, cso, u16PktLen));
return;
}
if (cso >= u16PktLen - 1) // [2]
{
E1kLog2(("%s cso(%X) is greater than packet length-2(%X), checksum is not inserted\n",
pThis->szPrf, cso, u16PktLen));
return;
}
if (cse == 0) // [3]
cse = u16PktLen - 1;
else if (cse < css) // [4]
{
E1kLog2(("%s css(%X) is greater than cse(%X), checksum is not inserted\n",
pThis->szPrf, css, cse));
return;
}
uint16_t u16ChkSum = e1kCSum16(pPkt + css, cse - css + 1);
E1kLog2(("%s Inserting csum: %04X at %02X, old value: %04X\n", pThis->szPrf,
u16ChkSum, cso, *(uint16_t*)(pPkt + cso)));
*(uint16_t*)(pPkt + cso) = u16ChkSum;
}· css是要开始计算校验和的数据包中的偏移量，它必须小于u16PktLen当前数据包的总大小（check [1]）。
· cse是数据包中的偏移量，用于停止计算校验和。
· 将cse字段设置为0表示校验和将覆盖css到数据包的末尾（校验[3]）。
· cse需要大于css（检查[4]）。
· cso是要写入校验和的数据包中的偏移量，它必须小于u16PktLen - 1（check [2]）。
由于不检查cse的最大值，我们可以将此字段设置为大于当前数据包的总大小，从而导致越界访问，并导致e1kCSum16()在数据包之后立即计算数据的校验和pPkt。
“ overread”校验和将被插入以太网帧中，稍后可以由接收器读取。
信息泄漏利用
因此，如果我们想从过校验和中泄漏一些信息，我们需要一种可靠的方法来知道哪些数据与过缓冲器相邻。在仿真的E1000设备中，发送缓冲区由以下e1kXmitAllocBuf()函数分配：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:3833
DECLINLINE(int) e1kXmitAllocBuf(PE1KSTATE pThis, PE1KSTATECC pThisCC, bool fGso)
{
...
PPDMSCATTERGATHER pSg;
if (RT_LIKELY(GET_BITS(RCTL, LBM) != RCTL_LBM_TCVR)) // [1]
{
...
int rc = pDrv->pfnAllocBuf(pDrv, pThis->cbTxAlloc, fGso ? &pThis->GsoCtx : NULL, &pSg);
...
}
else
{
/* Create a loopback using the fallback buffer and preallocated SG. */
AssertCompileMemberSize(E1KSTATE, uTxFallback.Sg, 8 * sizeof(size_t));
pSg = &pThis->uTxFallback.Sg;
pSg->fFlags = PDMSCATTERGATHER_FLAGS_MAGIC | PDMSCATTERGATHER_FLAGS_OWNER_3;
pSg->cbUsed = 0;
pSg->cbAvailable = sizeof(pThis->aTxPacketFallback);
pSg->pvAllocator = pThis;
pSg->pvUser = NULL; /* No GSO here. */
pSg->cSegs = 1;
pSg->aSegs[0].pvSeg = pThis->aTxPacketFallback; // [2]
pSg->aSegs[0].cbSeg = sizeof(pThis->aTxPacketFallback);
}
pThis->cbTxAlloc = 0;
pThisCC->CTX_SUFF(pTxSg) = pSg;
return VINF_SUCCESS;
}寄存器中的LBM（环回模式）字段RCTL控制以太网控制器的环回模式，它会影响数据包缓冲区的分配方式（请参阅参考资料[1]）：
· 没有回送模式：e1kXmitAllocBuf()使用pDrv->pfnAllocBuf()回调分配数据包缓冲区，此回调将使用OS分配器或VirtualBox的自定义分配器。
· 使用回送模式：数据包缓冲区是aTxPacketFallback数组（请参阅参考资料[2]）。
aTxPacketFallback是一个PE1KSTATE pThis属性对象：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:1024
typedef struct E1KSTATE
{
...
/** TX: Transmit packet buffer use for TSE fallback and loopback. */
uint8_t aTxPacketFallback[E1K_MAX_TX_PKT_SIZE];
/** TX: Number of bytes assembled in TX packet buffer. */
uint16_t u16TxPktLen;
...
} E1KSTATE;
/* Pointer to the E1000 device state. */
typedef E1KSTATE *PE1KSTATE;因此，通过启用环回模式：
· 数据包的接收者是我们，我们不需要其他主机来读取校验和
· 数据包缓冲区驻留在pThis结构中，因此，数据是pThis对象的其他字段
现在我们知道哪些数据与数据包缓冲区相邻，我们可以通过以下步骤逐字泄漏：
· 发送包含E1K_MAX_TX_PKT_SIZE字节的CRC-16校验和的帧，将其称为crc0。
· 发送包含E1K_MAX_TX_PKT_SIZE + 2字节校验和的第二帧，将其称为crc1。
· 由于校验算法是CRC-16，通过计算之间的区别crc0和crc1，我们会知道的右后两个值的字节aTxPacketFallback数组。
每次都将过读大小增加2个字节，直到获得一些有趣的数据为止。幸运的是，在pThis对象之后，我们可以在offset处找到指向全局变量VBoxDD.dll的指针E1K_MAX_TX_PKT_SIZE + 0x1f7。
在pThis对象之后，aTxPacketFallback数组之后，每发送一帧，其他设备的计数器寄存器就会不断增加，因此，如果我们发送两个具有相同大小的帧，也会导致两个不同的校验和，但是每次计数器的增量都是相似的，因此这种差异是可以预测的，可以通过加到0x5a第二个校验和上来使之相等。
2.OHCI控制器未初始化的变量漏洞
可以在此处阅读有关VirtualBox OHCI设备的更多信息。
https://github.com/hongphipham95/Vulnerabilities/blob/master/VirtualBox/Oracle VirtualBox OHCI Use-After-Free Vulnerability/Oracle VirtualBox OHCI Use-After-Free.md
在向USB设备发送控制消息URB时，我们可以包含一个设置包来更新URB消息：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:834
static int vusbUrbSubmitCtrl(PVUSBURB pUrb)
{
...
if (pUrb->enmDir == VUSBDIRECTION_SETUP)
{
LogFlow(("%s: vusbUrbSubmitCtrl: pPipe=%p state %s->SETUP\n",
pUrb->pszDesc, pPipe, g_apszCtlStates[pExtra->enmStage]));
pExtra->enmStage = CTLSTAGE_SETUP;
}
...
switch (pExtra->enmStage)
{
case CTLSTAGE_SETUP:
...
if (!vusbMsgSetup(pPipe, pUrb->abData, pUrb->cbData))
{
pUrb->enmState = VUSBURBSTATE_REAPED;
pUrb->enmStatus = VUSBSTATUS_DNR;
vusbUrbCompletionRh(pUrb);
break;
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:664
static bool vusbMsgSetup(PVUSBPIPE pPipe, const void *pvBuf, uint32_t cbBuf)
{
PVUSBCTRLEXTRA pExtra = pPipe->pCtrl;
const VUSBSETUP *pSetupIn = (PVUSBSETUP)pvBuf;
...
if (pExtra->cbMax < cbBuf + pSetupIn->wLength + sizeof(VUSBURBVUSBINT)) // [1]
{
uint32_t cbReq = RT_ALIGN_32(cbBuf + pSetupIn->wLength + sizeof(VUSBURBVUSBINT), 1024);
PVUSBCTRLEXTRA pNew = (PVUSBCTRLEXTRA)RTMemRealloc(pExtra, RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbReq])); // [2]
if (!pNew)
{
Log(("vusbMsgSetup: out of memory!!! cbReq=%u %zu\n",
cbReq, RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbReq])));
return false;
}
if (pExtra != pNew)
{
pNew->pMsg = (PVUSBSETUP)pNew->Urb.abData;
pExtra = pNew;
pPipe->pCtrl = pExtra;
}
pExtra->Urb.pVUsb = (PVUSBURBVUSB)&pExtra->Urb.abData[cbBuf + pSetupIn->wLength]; // [3]
pExtra->Urb.pVUsb->pUrb = &pExtra->Urb; // [4]
pExtra->cbMax = cbReq;
}
Assert(pExtra->Urb.enmState == VUSBURBSTATE_ALLOCATED);
/*
* Copy the setup data and prepare for data.
*/
PVUSBSETUP pSetup = pExtra->pMsg;
pExtra->fSubmitted = false;
pExtra->Urb.enmState = VUSBURBSTATE_IN_FLIGHT;
pExtra->pbCur = (uint8_t *)(pSetup + 1);
pSetup->bmRequestType = pSetupIn->bmRequestType;
pSetup->bRequest = pSetupIn->bRequest;
pSetup->wValue = RT_LE2H_U16(pSetupIn->wValue);
pSetup->wIndex = RT_LE2H_U16(pSetupIn->wIndex);
pSetup->wLength = RT_LE2H_U16(pSetupIn->wLength);
...
return true;
}pSetupIn是我们的URB数据包，pExtra是控制管道的当前额外数据，如果设置请求的大小大于当前控制管道的额外数据（检查[1]）的大小，则会在pExtra处以更大的大小重新分配[2]。
原始文件pExtra已在vusbMsgAllocExtraData()以下位置分配和初始化：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:609
static PVUSBCTRLEXTRA vusbMsgAllocExtraData(PVUSBURB pUrb)
{
/** @todo reuse these? */
PVUSBCTRLEXTRA pExtra;
const size_t cbMax = sizeof(VUSBURBVUSBINT) + sizeof(pExtra->Urb.abData) + sizeof(VUSBSETUP);
pExtra = (PVUSBCTRLEXTRA)RTMemAllocZ(RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbMax]));
if (pExtra)
{
...
pExtra->Urb.pVUsb = (PVUSBURBVUSB)&pExtra->Urb.abData[sizeof(pExtra->Urb.abData) + sizeof(VUSBSETUP)];
//pExtra->Urb.pVUsb->pCtrlUrb = NULL;
//pExtra->Urb.pVUsb->pNext = NULL;
//pExtra->Urb.pVUsb->ppPrev = NULL;
pExtra->Urb.pVUsb->pUrb = &pExtra->Urb;
pExtra->Urb.pVUsb->pDev = pUrb->pVUsb->pDev; // [5]
pExtra->Urb.pVUsb->pfnFree = vusbMsgFreeUrb;
pExtra->Urb.pVUsb->pvFreeCtx = &pExtra->Urb;
...
}
return pExtra;
}函数RTMemRealloc()不执行任何初始化，因此生成的缓冲区将包含两部分：
· A部分：pExtra。
· B部分：新分配的未初始化数据。
重新分配后：
· pExtra->Urb.pVUsb对象将用新的更新pVUsb，它驻留在B部分（在[3]）
· 但是新内容pVUsb驻留在未初始化的数据中，并且仅pVUsb->pUrb在更新[4]，
因此，pExtra->Urb.pVUsb对象的其他属性保持未初始化，包括pExtra->Urb.pVUsb->pDev对象（请参阅参考资料[5]）。
pExtra->Urb对象将在以后的vusbMsgDoTransfer()函数中使用：
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:752
static void vusbMsgDoTransfer(PVUSBURB pUrb, PVUSBSETUP pSetup, PVUSBCTRLEXTRA pExtra, PVUSBPIPE pPipe)
{
...
int rc = vusbUrbQueueAsyncRh(&pExtra->Urb);
...
}
// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:439
int vusbUrbQueueAsyncRh(PVUSBURB pUrb)
{
...
PVUSBDEV pDev = pUrb->pVUsb->pDev;
...
int rc = pDev->pUsbIns->pReg->pfnUrbQueue(pDev->pUsbIns, pUrb);
...
}当VM主机进程取消引用未初始化的时，将发生pDev访问冲突。
为了利用未初始化的对象，我们可以在重新分配之前执行堆喷，然后希望该pDev对象已驻留在我们的数据中。
由于存在虚表调用，而VirtualBox尚未通过CFG缓解，因此我们可以将漏洞和伪造pDev对象的堆喷射结合起来，以控制主机进程的指令指针（RIP）。
代码执行利用
我们之前的文章描述了如何执行堆喷涂以在主机进程中获取VRAM缓冲区的地址范围，我们将在此范围内选择一个地址作为伪造的pDEv指针。
https://starlabs.sg/blog/2020/04/adventures-in-hypervisor-oracle-virtualbox-research/
然后，完整的利用流程将如下所示：
· VBoxDD.dll使用E1000漏洞泄漏模块基地址，然后收集一些ROP gadget
· 我们伪造的pDEv指针指向VRAM中的某个地方，因此我们在VRAM中喷射了多个块，每个块包含：
· PVUSBDEV使用包含堆栈gadget的假vtable对齐对象，以将堆栈指针指向主机的VRAM缓冲区
· 包含WinExecROP链的假堆栈
· 堆喷，用我们选择的VRAM地址填充未初始化的内存，这将使pExtra->Urb.pVUsb->pDev对象指向伪造的PVUSBDEV对象之一。
· 触发OHCI漏洞，进而执行ROP链
0x02 漏洞补丁
· https://www.virtualbox.org/changeset/83613/vbox/trunk/src/VBox/Devices/Network/DevE1000.cpp
trunk/src/VBox/Devices/Network/DevE1000.cpp r82968 r83613 4171 4171 } 4172 4172 4173 if (cse == 0) 4173 if (cse == 0 || cse >= u16PktLen) 4174 4174 cse = u16PktLen - 1; 4175 4175 else if (cse < css)
· https://www.virtualbox.org/changeset/83617/vbox/trunk/src/VBox/Devices/USB/VUSBUrb.cpp
trunk/src/VBox/Devices/USB/VUSBUrb.cpp
r83592 r83617
703 703 if (pExtra->cbMax < cbBuf + pSetupIn->wLength + sizeof(VUSBURBVUSBINT))
704 704 {
705 #if 1
706 LogRelMax(10, ("VUSB: Control URB too large (wLength=%u)!\n", pSetupIn->wLength));
707 return false;
708 #else
705 709 uint32_t cbReq = RT_ALIGN_32(cbBuf + pSetupIn->wLength + sizeof(VUSBURBVUSBINT), 1024);
706 710 PVUSBCTRLEXTRA pNew = (PVUSBCTRLEXTRA)RTMemRealloc(pExtra, RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbReq]));
… …
717 721 pPipe->pCtrl = pExtra;
718 722 }
723
724 PVUSBURBVUSB pOldVUsb = (PVUSBURBVUSB)&pExtra->Urb.abData[pExtra->cbMax - sizeof(VUSBURBVUSBINT)];
719 725 pExtra->Urb.pVUsb = (PVUSBURBVUSB)&pExtra->Urb.abData[cbBuf + pSetupIn->wLength];
726 memmove(pExtra->Urb.pVUsb, pOldVUsb, sizeof(VUSBURBVUSBINT));
727 memset(pOldVUsb, 0, (uint8_t *)pExtra->Urb.pVUsb - (uint8_t *)pOldVUsb);
720 728 pExtra->Urb.pVUsb->pUrb = &pExtra->Urb;
729 pExtra->Urb.pVUsb->pvFreeCtx = &pExtra->Urb;
721 730 pExtra->cbMax = cbReq;
731
732 #endif
722 733 }
723 734 Assert(pExtra->Urb.enmState == VUSBURBSTATE_ALLOCATED);
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