“噩梦公式”二代 –2018年微软修复的首个Office 0day漏洞（CVE-2018-0802）分析

简介

2018年1月的微软安全补丁中修复了360核心安全高级威胁应对团队捕获的office 0day漏洞（CVE-2018-0802），该漏洞几乎影响微软目前所支持的所有office版本。这是继360在全球范围内首家截获Office 0day漏洞（CVE-2017-11826）在野攻击以来，发现的第二起利用零日漏洞的在野高级威胁攻击。360核心安全团队一直与微软保持积极沟通，一起推进该0day漏洞的修复，让漏洞得到妥善解决后再披露漏洞信息。该漏洞的技术原理类似于潜伏了17年的“噩梦公式”漏洞(CVE-2017-11882），是黑客利用office内嵌的公式编辑器EQNEDT32.EXE再次发起的攻击，我们将其命名为“噩梦公式二代”（CVE-2018-0802）。

攻击流程分析

我们捕获了多个“噩梦公式二代”的在野攻击，在野样本嵌入了利用Nday漏洞和0day漏洞的2个公式对象同时进行攻击，Nday漏洞可以攻击未打补丁的系统，0day漏洞则攻击全补丁系统，绕过了CVE-2017-11882补丁的ASLR（地址随机化）安全保护措施，攻击最终将在用户电脑中植入恶意的远程控制程序。

图：“噩梦公式二代”在野样本攻击流程

漏洞细节分析

“噩梦公式二代”为CVE-2017-11882的补丁绕过漏洞，类型为栈溢出，根本原因为微软在“噩梦公式一代”的补丁中没有修复另一处拷贝字体FaceName时的栈溢出。本次漏洞在未打补丁的版本上只会造成crash，但在打补丁的版本上可以被完美利用。下面我们通过poc样本来分析CVE-2018-0802漏洞。

静态分析

与CVE-2017-11882一样，本次漏洞的触发数据位于所提取OLE对象的“Equation Native”流内。图1中红线圈出部分为核心数据，共0x99=153字节。0x08代表font tag，紧随其后的00 01分别代表字体的typeface和style，从33开始直到25 00的区域为Font名称，为栈溢出时拷贝的数据。这部分数据里面包含了shellcode、bypass ASLR的技巧，进程命令行以及相关用于填充的数据，我们将在后面分析它们。

图1

Equation Native 数据结构

据网上公开的资料，整个“Equation Native”的数据构成为：

Equation Native Stream Data = EQNOLEFILEHDR + MTEFData

其中MTEFData = MTEF header + MTEF Byte Stream。

QNOLEFILEHDR的结构如图2所示：

图2

MTEF header的结构如表1所示，关于这个结构，我们观察到的实际数据和格式规范存在差异，下表中以实际观察到的为主：

表1

在攻击样本中，MTEF Byte Stream结构如表2所示：

表2

FONT记录及FONT内容结构如表3所示：

表3

补丁绕过分析

CVE-2018-0802的漏洞触发点位于sub_21E39(在IDA中将模块基址设为0)，如图3所示，可以看出该函数的功能为根据公式中的字体数据来初始化一个LOGFONT结构体：

图3

我们来看一下微软对于LOGFONT结构体的说明(图4)。可以看到这个结构体的最后一个成员为lfFaceName，

图4：LOGFONT结构体

我们再看一下微软对lfFaceName成员的说明(图5)。可以看到lfFaceName代表了字体的typeface名称，在所分析的版本上，它是一个以空结尾的char型字符串，最大长度为32，其中包含终止符NULL。

图5

问题很明显：图3红框内的代码在拷贝字体FaceName时并没有限制拷贝长度，而拷贝的源数据为用户提供的字体名称，目的地址为父函数传递进来的一个LOGFONT结构体地址。我们回溯到sub_21E39的父函数来看一下(图6)，可以看到这个地址位于父函数开辟的栈上，是父函数的一个局部变量。攻击者通过构造恶意数据，覆盖了父函数(sub_21774)的返回地址的后两个字节，然后将控制流导向了位于栈上的shellcode。

图6

分析过程中我们发现一处疑似递归的地方，图7为sub_21774的反汇编代码，可以看到sub_21774先是调用了漏洞函数sub_21E39去初始化一个LOGFONT结构体，然后调用相关API，传入这个结构体，从系统获取到一个字体名称保存到Name。随后，它将获取到的Name和用户提供的lpLogFont作对比，如果不一致(并且sub_115A7函数需要返回False)，会再根据a3指定的条件来继续调用或者不调用自身，而a3为sub_21E39函数的第3个参数。

图7

我们来看一下第3个参数的传参，否则可能存在多次递归，不能有效利用本次溢出。根据之前CVE-2017-11882的调试结果(图8)，我们可以看到，在解析用户提供的font数据时，调用sub_21774的函数为sub_214C6。我们回溯到sub_214C6看一下(图9)，sub_214C6调用sub_21774前给第三个参数传的值为1，所以图7中的if(a3)为真。我们再来看一下图7，sub_21774递归调用自己时对第3个参数传的值为0，这意味着sub_21774不会再次调用自己，递归层级只会有1级。分析到这里，递归的疑惑解决了。

图8：CVE-2017-11882触发执行流

图9

分析到这里还有一个问题，那就是在_strcmpi(lpLogfont, &Name)不成立的情况下(如果font数据为用户伪造，此处肯定不成立)，sub_115A7会被调用，这意味着会走到CVE-2017-11882的溢出点。在未打11月补丁的版本上，如果要成功利用CVE-2017-11882，CVE-2018-0802的点就不会发生溢出，因为前者需要的溢出长度比后者小很多，且拷贝最后有一个NULL符截断(我们知道溢出到CVE-2017-11882的可控eip只需要0x2C个字节，而通过下文(图11)的分析我们可以知道溢出到CVE-2018-0802的可控eip需要0x94字节)。另一方面，在未打11月补丁的版本上，想要触发CVE-2018-0802，就必然会先触发CVE-2017-11882。总之，CVE-2018-0802在11补丁前的版本上无法利用。

可是，从图10可以看到，在11月的补丁中，微软在CVE-2017-11882溢出点的拷贝前，对拷贝长度进行了0x20的长度限制，并且拷贝完成后，在拷贝最后手动加了一个NULL，从而使CVE-2017-11882失效。这直接导致打补丁前无法被利用的CVE-2018-0802可以被利用了！现在，只要sub_115A7返回False，漏洞就可以得到完美利用，而实际调试发现，sub_115A7返回False。

图10

动态分析

溢出点的数据拷贝

有了上面的分析，动态分析就变得很简单了。既然本次溢出点会拷贝数据，我们来监控一下每次拷贝时的源字符串和相应的栈回溯，我们先进入OLE数据相关的Load函数(sub_6881)，然后在拷贝数据前下断点并进行输出，结果如代码1所示：

进入Load函数后的字体拷贝过程

0:000> bp eqnedt32+6881 //   Load函数
0:000> g
...
Tue Dec 26 15:56:30.360 2017   (GMT+8): Breakpoint 0 hit
eax=01356881 ebx=00000006   ecx=00000000 edx=00000000 esi=0019f144 edi=0019ef40
eip=01356881 esp=0019ef40   ebp=0019ef58 iopl=0         nv up ei pl   nz na po nc
cs=001b  ss=0023    ds=0023  es=0023  fs=003b    gs=0000             efl=00000202
EqnEdt32!AboutMathType+0x5881:
01356881 55              push    ebp
0:000> bp eqnedt32+21e5b   ".printf   "-------------------------------------------------------------------------------n";   db esi lecx; k; g"
0:000> g
代码1
-------------------------------------------------------------------------------
0019ed10  33 c0 50 8d 44 24 52 50-eb 1d 63 61 6c 63 2e 65  3.P.D$RP..calc.e
0019ed20  78 65 20 20 20 20 20 20-20 20 20 20 20 20 20 20  xe             
0019ed30  20 20 20 20 20 20 26 90-90 90 8b 44 24 2c 66 2d        &....D$,f-
0019ed40  51 a8 ff e0 a5 23 79 ec-b1 2e 2a e2 74 e3 de 4f  Q....#y...*.t..O
0019ed50  31 76 4e e9 44 2d 1d ca-eb 87 21 39 a1 22 2e 3a  1vN.D-....!9.".:
0019ed60  27 40 fb 5f db 43 a0 10-92 54 6d cd 8c 18 f4 90  '@._.C...Tm.....
0019ed70  8b ce 5f ca fe ee 52 71-7d 93 ba 59 2d ef 60 98  .._...Rq}..Y-.`.
0019ed80  9e f5 cd 3f 74 47 4a 6a-e3 59 7e 66 52 7c c9 30  ...?tGJj.Y~fR|.0
0019ed90  c3 9d 91 e8 98 c2 4d a5-47 65 31 1f e6 e7 de 53  ......M.Ge1....S
0019eda0  c7 8a 2b d3 25 00                                ..+.%.
ChildEBP RetAddr 
WARNING: Stack unwind   information not available. Following frames may be wrong.
0019ebc8 013717c8   EqnEdt32!FMDFontListEnum+0xbc7
0019ecc0 013714e2   EqnEdt32!FMDFontListEnum+0x534
0019ecec 0138b463   EqnEdt32!FMDFontListEnum+0x24e
0019ee14 0138a8a0 EqnEdt32!MFEnumFunc+0xcc66
代码2
0019ee2c 0138a72f   EqnEdt32!MFEnumFunc+0xc0a3
0019ee44 013875da   EqnEdt32!MFEnumFunc+0xbf32
0019eea8 0137f926   EqnEdt32!MFEnumFunc+0x8ddd
0019eed8 01356a98   EqnEdt32!MFEnumFunc+0x1129
0019ef3c 755a04e8   EqnEdt32!AboutMathType+0x5a98
0019ef58 75605311   RPCRT4!Invoke+0x2a
0019f360 75ddd7e6   RPCRT4!NdrStubCall2+0x2d6
00

代码5

从日志中可以看到存在两次拷贝，通过栈回溯我们可以知道这两次拷贝正是静态分析中对sub_21174的两次调用。第一次是sub_214c6对sub_21174的调用，第二次是sub_21174对自身的调用。可以看到第一次拷贝时明显发生了栈溢出。这里稍微提一下，cb ce cc e5代表的是宋体。

我们来详细计算一下需要溢出多少长度才能控制父函数(sub_21174)的返回地址(这个问题的结论在“补丁绕过分析”一节已被提及)，由图11可知，从lfFaceName(-0x90)溢出到ret_addr(+0x4)，一共需要0x94字节，超出0x94部分的字节会逐个从低地址开始覆盖返回地址。

图11

我们对照poc里面的数据来看一下，如图12所示，蓝色部分为溢出的前0x94字节，25 00 为溢出的最后两个字节，00为终止符，拷贝时遇到00就停止。按照小端地址布局，poc运行时，EIP只会被覆盖低位的2个字节。为什么这样做？答案是为了绕过ASLR。

图12

Bypass ASLR

我们来看一下为什么区区两个字节就可以绕过 ASLR。

首先我们要清楚，补丁文件是开启了ASLR的，如图13所示。这样一来每次加载EQNEDT32.EXE时的基址都是随机的，所以溢出时需要考虑的第一个问题就是如何绕过ASLR。(至于DEP，由图14可以看到，补丁文件的EQNEDT32.EXE未开启DEP，所以正常情况下无需考虑DEP)

不幸的是，攻击者显然对Windows系统机制和防御措施非常了解。因为在Windows平台上，32位进程的ASLR每次只随机化地址的高2个字节，而低2个字节保持不变。假如能在被覆盖的地址的同一片低0xFFFF空间内找到一个ret指令，并且满足形如0xABCD00XY的这种地址(其中ABCD及XY为6个任意16进制数，地址中倒数第二个字节必须为0x00，因为复制完后需要精确截断)，就可以直接利用这个ret跳转到栈上。由于无需绕过DEP，所以可以在栈上直接执行shellcode。

图13：EQNEDT32.EXE的ASLR状态为启用，DEP为非永久DEP

图14: EQNEDT32.EXE的DEP状态为停用

更加不幸的是，在EQNEDT32.EXE模块内，微软还真给且仅给了这样一个地址(图15)，满足条件的地址有且仅有一个，即20025，eip中被覆盖的两个字节25 00是唯一的，没有第二个满足条件的ret。

图15

我们来思考一下sub_21174原来的返回地址是什么？当然是sub_214C6调用sub_21174的下一条指令的地址，由图16可以看到这个地址的偏移为214E2，按照图12的覆盖方式，覆盖后的偏移变成了20025，由上面的分析及图17中可以看到，这个地址是一条ret指令。这条指令会弹出sub_214C6给sub_21174的第1个参数，并且将控制流切换到这个值去执行。雪上加霜的是，这第1个参数恰好为lpLogFont，正是用户所提供的FontName。所以ret执行后，控制流会被转移到栈上，并且恰好开始执行用户提供的FontName的第一个字节。

图16

图17

样本A的Shellcode分析

在针对样本A改造的poc中，控制流劫持及shellcode部分的执行如图18所示：

图18：由于递归的存在，从sub_21774函数中需要返回两次，这解释了前两个ret

jmp eax指令后会马上调用WinExec，而命令行参数恰好为calc.exe，如图19所示：

图19

样本B的Shellcode分析

样本B绕过ASLR的方式和样本A一致，但shellcode部分与样本A不一样。样本B的shellcode会通过PEB找到kernel32.dll的导出表(图20和图21)，然后通过特定的hash算法(图21)在导出表中搜索比较所需函数的哈希值，所需函数的哈希值在shellcode中所给出。随后，shellcode会将查找到的函数地址保存到之前存放hash值的地方(图22)。

图20：样本B的shellcode中所给出的hash值及拷贝的路径名称

图21：通过hash值在kernel32.dll的导出表中查找所需函数

图22：查找函数地址前后栈上数据的对比

在成功查找到函数并且将地址保存到栈上后，先调用ExpandEnvironmentStringsA函数展开短路径(短路径保存在shellcode中)，再调用CopyFileA将payload拷贝到word插件目录下，从而让payload随着word下次启动自动加载到内存。最后调用ExitProcess退出公式编辑器进程(图23)。整个过程并不影响文档的正常打开。

图23：展开短路径，拷贝文件，退出进程

总结

“噩梦公式二代”（CVE-2018-0802）所使用的0day漏洞堪称CVE-2017-11882的双胞胎漏洞，攻击样本中的一个漏洞针对未打补丁前的系统，另外一个漏洞针对打补丁后的系统，利用两个OLE同时进行攻击，黑客精心构造的攻击完美兼容了系统漏洞补丁环境的不同情况。这个漏洞的利用技巧和Bypass ASLR的方式都带有一定的巧合性，假如EQNEDT32.EXE模块内没有一条满足条件的ret指令可以用来绕过ASLR，假如lpLogFont不是sub_21774的第一个参数，假如CVE-2017-11882的补丁修复方式强制开启了DEP保护，“噩梦公式二代”将没有可乘之机。

最新的360安全产品已可以检测并防止此0day漏洞的攻击，同时我们建议用户及时更新2018年1月的微软安全补丁。

参考

https://portal.msrc.microsoft.com/en-US/security-guidance/advisory/CVE-2018-0802