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VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

作者：progmboy、noirfate、cyg07

漏洞简介

CrowdStrike的Jason Geffner发现开源计算机仿真器QEMU中存在一个和虚拟软盘控制器相关的安全漏洞，代号VENOM，CVE编号为CVE-2015-3456。利用此漏洞攻击者可以在有问题的虚拟机中进行逃逸,并且可以在宿主机中获得代码执行的权限。更多详情见作者博客[1]

背景知识

此漏洞位于qemu的虚拟软驱控制器的模拟代码中。下面介绍几个关于软驱的几个重要的地方。

控制寄存器

软驱控制器是由9个寄存器进行控制的，这些寄存器可以通过端口0x3f0-0x3f7进行访问(0x3f6除外[2])。软驱控制器寄存器的定义如下:

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

漏洞相关的寄存器是DATA_FIFO。

同时软驱控制器的MSR标记位表明当时软驱控制器的状态。此次漏洞相关的MSR标记位的定义如下表:

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

FIFO命令

命令是向DATA_FIFO写入的一个小于32的单字节的值，每个命令后面都要跟着一些指定长度的参数。命令的ID定义如下所示:

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

更多见 OSDev wiki 上的关于软驱控制器的文章

漏洞分析

1.POC触发不了

国外一名安全研究者Marcus Meissner发布了此漏洞poc如下:

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

我们可以看到,都是向DATA_FIFO端口写入数据，笔者拿到poc先在自己的机器上测试发现poc并不能触发，先不管原因，我们先来分析下qemu对FIFO命令的处理。

2.FIFO命令处理流程

经过分析,我们可以得出其流程如下：首先qemu将FIFO的处理函数以及命令对应的参数个数等信息存放在一个表中 ,如下所示:

1. static const struct {

2. uint8_t value; 3. uint8_t mask;

4. const char * name;

5. int parameters;

6. void (*handler)(FDCtrl *fdctrl, int direction);

7. int direction;

8. } handlers[] = {

9. { FD_CMD_READ, 0x1f, "READ" , 8, fdctrl_start_transfer, FD_DI

R_READ },

10. { FD_CMD_WRITE, 0x3f, "WRITE" , 8, fdctrl_start_transfer, FD_DI

R_WRITE },

11. { FD_CMD_SEEK, 0xff, "SEEK" , 2, fdctrl_handle_seek },

12. { FD_CMD_SENSE_INTERRUPT_STATUS, 0xff, "SENSE INTERRUPT STATU S", 0, fdctrl_handle_sense_interrupt_status },

13. { FD_CMD_RECALIBRATE, 0xff, "RECALIBRATE" , 1, fdctrl_handle_re

calibrate },

14. { FD_CMD_FORMAT_TRACK, 0xbf, "FORMAT TRACK" , 5, fdctrl_handl

e_format_track },

15. { FD_CMD_READ_TRACK, 0xbf, "READ TRACK" , 8, fdctrl_start_trans

fer, FD_DIR_READ },

16. { FD_CMD_RESTORE, 0xff, "RESTORE" , 17, fdctrl_handle_restore

}, /* part of READ DELETED DATA */

17. { FD_CMD_SAVE, 0xff, "SAVE" , 0, fdctrl_handle_save }, /* part

of READ DELETED DATA */

18. { FD_CMD_READ_DELETED, 0x1f, "READ DELETED DATA" , 8, fdctrl_st

art_transfer_del, FD_DIR_READ },

19. { FD_CMD_SCAN_EQUAL, 0x1f, "SCAN EQUAL" , 8, fdctrl_start_trans

fer, FD_DIR_SCANE },

20. { FD_CMD_VERIFY, 0x1f, "VERIFY" , 8, fdctrl_start_transfer, F

D_DIR_VERIFY },

21. { FD_CMD_SCAN_LOW_OR_EQUAL, 0x1f, "SCAN LOW OR EQUAL" , 8, fdct

rl_start_transfer, FD_DIR_SCANL },

22. { FD_CMD_SCAN_HIGH_OR_EQUAL, 0x1f, "SCAN HIGH OR EQUAL" , 8, fd

ctrl_start_transfer, FD_DIR_SCANH },

23. { FD_CMD_WRITE_DELETED, 0x3f, "WRITE DELETED DATA" , 8, fdctr

l_start_transfer_del, FD_DIR_WRITE },

24. { FD_CMD_READ_ID, 0xbf, "READ ID" , 1, fdctrl_handle_readid },

25. { FD_CMD_SPECIFY, 0xff, "SPECIFY" , 2, fdctrl_handle_specify },

26. { FD_CMD_SENSE_DRIVE_STATUS, 0xff, "SENSE DRIVE STATUS" , 1, fd

ctrl_handle_sense_drive_status },

27. { FD_CMD_PERPENDICULAR_MODE, 0xff, "PERPENDICULAR MODE" , 1, fd

ctrl_handle_perpendicular_mode },

28. { FD_CMD_CONFIGURE, 0xff, "CONFIGURE" , 3, fdctrl_handle_config

ure },

29. { FD_CMD_POWERDOWN_MODE, 0xff, "POWERDOWN MODE" , 2, fdctrl_han

dle_powerdown_mode },

30. { FD_CMD_OPTION, 0xff, "OPTION" , 1, fdctrl_handle_option },

31. { FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND, 0xff, "DRIVE SPECIFICATI ON COMMAND", 5, fdctrl_handle_drive_specification_command },

32. { FD_CMD_RELATIVE_SEEK_OUT, 0xff, "RELATIVE SEEK OUT" , 2, fdct

rl_handle_relative_seek_out },

33. { FD_CMD_FORMAT_AND_WRITE, 0xff, "FORMAT AND WRITE" , 10, fdctr

l_unimplemented },

34. { FD_CMD_RELATIVE_SEEK_IN, 0xff, "RELATIVE SEEK IN" , 2, fdctr

l_handle_relative_seek_in },

35. { FD_CMD_LOCK, 0x7f, "LOCK" , 0, fdctrl_handle_lock },

36. { FD_CMD_DUMPREG, 0xff, "DUMPREG" , 0, fdctrl_handle_dumpreg },

37. { FD_CMD_VERSION, 0xff, "VERSION" , 0, fdctrl_handle_version },

38. { FD_CMD_PART_ID, 0xff, "PART ID" , 0, fdctrl_handle_partid },

39. { FD_CMD_WRITE, 0x1f, "WRITE (BeOS)" , 8, fdctrl_start_transfe

r, FD_DIR_WRITE }, /* not in specification ; BeOS 4.5 bug */

40. { 0, 0, "unknown" , 0, fdctrl_unimplemented }, /* default handl

er */ 41. };

表的每一项都定义了相应命令的一些信息，这里我们将被一项称为一个Handler下同。当qemu接收到FIFO命令之后，通过命令的ID找到这个命令的Handler，然后再根据这个Handler中保存的参数的个数来继续接收参数。并将命令ID和参数放在一个buffer中。在接受完参数后调用相应的处理函数。整个FIFO写操作派发流程都是在函数fdctrl_write_data里。

1. static void fdctrl_write_data(FDCtrl *fdctrl, uint32_t value)

2. { 3. ... 4.

5. //

6. // 这里对msr的状态进行检查.见背景知识中的msr一段.

7. // 这里必须FD_MSR_RQM置位，就是说控制器已经准备好交换数据了

8. // FD_MSR_DIO必须置0，说明控制器不能处在要被读的状态

9. //

10.

11. if (!(fdctrl‐>msr & FD_MSR_RQM) || (fdctrl‐>msr & FD_MSR_DIO))

{

12. FLOPPY_DPRINTF("error: controller not ready for writin

g/n");

13. return ;

14. } 15.

16. //

17. // 如果参数为0说明此次为命令字节。这里通过命令ID找到相应的

18. // Handler.获取参数的个数

19. //

20.

21. if (fdctrl‐>data_pos == 0) {

22. pos = command_to_handler[value & 0xff];

23. FLOPPY_DPRINTF( "%s command/n" , handlers[pos].name);

24.

25. //

26. // 获取参数个数

27. // +1是为了加上command id

28. //

29. 30. fdctrl‐>data_len = handlers[pos].parameters + 1; 31. fdctrl‐>msr |= FD_MSR_CMDBUSY; 32. } 33. ... 34.

35. //

36. // 将传入字节保存到fdctrl‐>fifo这个buffer中.

37. //

38. 39. fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos++] = value; 40.

41. //

42. // 判断参数是否已经保存完成，如果参数保存完成就调用相应的处理函数

43. //

44.

45. if (fdctrl‐>data_pos == fdctrl‐>data_len) {

46. pos = command_to_handler[fdctrl‐>fifo[0] & 0xff]; 47. (*handlers[pos].handler)(fdctrl, handlers[pos].direction); 48. } 49. }

在处理函数中如果有返回的数据。控制器模拟代码则调用fdctrl_set_fifo这个函数来设置MSR的状态为FD_MSR_DIO,已表示控制器处在可被读状态。注意：设置完以后控制器是不可读的见fdctrl_write_data开始的那个检查。fdctrl_set_fifo代码如下：

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

如果没有要返回的数据或者返回的数据已经被客户机通过IN指令读取完了，则会调用fdctrl_reset_fifo来重置FIFO。即将FIFO置为可写状态。fdctrl_reset_fifo：

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

3.为什么不能触发

通过以上流程的分析，我们再来看Marcus Meissner公布的poc的流程：

首先发送一个id为0xa的控制命令。我们可以看到id为0xa的命令为FD_CMD_READ_ID,其对应的处理函数为fdctrl_handle_readid,参数个数为1个。

{ FD_CMD_READ_ID, 0xbf, “READ ID”, 1, fdctrl_handle_readid },

之后又会写入一个0x42作为READ_ID命令的参数。接下来进入到fdctrl_handle_readid函数内。经过笔者调试fdctrl_handle_readid这个函数启动了一个定时器。在定时器被触发的时候程序调用了fdctrl_set_fifo来生成返回数据。所以接下来的向FIFO写0x42的操作完全没有用，被fdctrl_write_data开始的fdctrl->msr & FD_MSR_DIO这个检查给拦下了。所以这个poc在笔者的机器上并不能触发。

4.新的触发方式

我们先来看下补丁的代码：

1. ‐‐‐ a/hw/block/fdc.c 2. +++ b/hw/block/fdc.c

3. @@ ‐1497,7 +1497,7 @@ static uint32_t fdctrl_read_data(FDCtrl *fdc

trl) 4. { 5. FDrive *cur_drv; 6. uint32_t retval = 0;

7. ‐ int pos;

8. + uint32_t pos; 9. 10. cur_drv = get_cur_drv(fdctrl); 11. fdctrl‐>dsr &= ~FD_DSR_PWRDOWN;

12. @@ ‐1506,8 +1506,8 @@ static uint32_t fdctrl_read_data(FDCtrl *fdc

trl)

13. return 0;

14. } 15. pos = fdctrl‐>data_pos; 16. + pos %= FD_SECTOR_LEN;

17. if (fdctrl‐>msr & FD_MSR_NONDMA) {

18. ‐ pos %= FD_SECTOR_LEN;

19. if (pos == 0) {

20. if (fdctrl‐>data_pos != 0)

21. if (!fdctrl_seek_to_next_sect(fdctrl, cur_drv)) {

22. @@ ‐1852,10 +1852,13 @@ static void fdctrl_handle_option(FDCtrl *f

dctrl, int direction)

23. static void fdctrl_handle_drive_specification_command(FDCtrl *fdc

trl, int direction)

24. { 25. FDrive *cur_drv = get_cur_drv(fdctrl); 26. + uint32_t pos; 27.

28. ‐ if (fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos ‐ 1] & 0x80) {

29. + pos = fdctrl‐>data_pos ‐ 1; 30. + pos %= FD_SECTOR_LEN;

31. + if (fdctrl‐>fifo[pos] & 0x80) {

32. /* Command parameters done */

33. ‐ if (fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos ‐ 1] & 0x40) {

34. + if (fdctrl‐>fifo[pos] & 0x40) {

35. fdctrl‐>fifo[0] = fdctrl‐>fifo[1]; 36. fdctrl‐>fifo[2] = 0; 37. fdctrl‐>fifo[3] = 0;

38. @@ ‐1955,7 +1958,7 @@ static uint8_t command_to_handler[256];

39. static void fdctrl_write_data(FDCtrl *fdctrl, uint32_t value)

40. { 41. FDrive *cur_drv;

42. ‐ int pos;

43. + uint32_t pos; 44.

45. /* Reset mode */

46. if (!(fdctrl‐>dor & FD_DOR_nRESET)) {

47. @@ ‐2004,7 +2007,9 @@ static void fdctrl_write_data(FDCtrl *fdctr

l, uint32_t value) 48. } 49.

50. FLOPPY_DPRINTF( "%s: %02x/n" , __func__, value);

51. ‐ fdctrl‐>fifo[fdctrl‐>data_pos++] = value; 52. + pos = fdctrl‐>data_pos++; 53. + pos %= FD_SECTOR_LEN; 54. + fdctrl‐>fifo[pos] = value;

55. if (fdctrl‐>data_pos == fdctrl‐>data_len) {

56. /* We now have all parameters 57. * and will be able to treat the command

可以看到基本上就是补了一些对fdctrl->fifo这个buffer下标的一些防止越界的操作。我们可以肯定这个肯定是个写越界操作了。按照这个思路我们查看了所有命令的处理函数，发现FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND的处理函数有问题。先看下FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND命令的Handler,如下:

{ FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND, 0xff, “DRIVE SPECIFICATION COMMAND”, 5, fdctrl_handle_drive_specification_command }

命令处理函数为fdctrl_handle_drive_specification_command，参数个数为5。再来看下fdctrl_handle_drive_specification_command函数的实现：

VENOM “毒液”漏洞分析（qemu kvm CVE‐2015‐3456）

我们找到fdctrl->data_len > 7这个判断是有问题的。我们从fdctrl_write_data这个函数开始，首先传进命令字节FD_CMD_DRIVE_SPECIFICATION_COMMAND，然后依次传进5个参数。按照fdctrl_write_data的流程进入处理函数fdctrl_handle_drive_specification_command时fdctrl->data_len 应该是6，所以我们让fdctrl_handle_drive_specification_command的第一个判断里fdctrl->fifo[fdctrl->data_pos – 1]是我们可控的再加上下面的这个fdctrl->data_len > 7这个判断也为否，就绕过了所有调用fdctrl_set_fifo和fdctrl_reset_fifo的地方就是控制器的状态还是可写，而且buffer没有被清空。然后我们就可以无限次向fdctrl->fifo里写入数据，从而超出fdctrl->fifo的边界造成越界写。

fdctrl->fifo的初始化是在fdctrl_realize_common里面:

static void fdctrl_realize_common(FDCtrl *fdctrl, Error **errp){

//

// qemu_memalign最终会调用malloc分配内存

//

fdctrl‐>fifo = qemu_memalign(512, FD_SECTOR_LEN);

fdctrl‐>fifo_size = 512;

}