Pwn2Own 2020：Oracle VirtualBox逃逸漏洞深度分析

本文详细分析了Pwn2Own 2020比赛中使用的Oracle VirtualBox逃逸漏洞链，包括E1000网卡的越界读漏洞和OHCI USB控制器的未初始化变量漏洞，涉及具体技术细节和利用方法。

Pwn2Own 2020: Oracle VirtualBox Escape | STAR Labs

September 25, 2020 · 9 min · Pham Hong Phi (@4nhdaden)

Table of Contents

  • The Vulnerabilities
  • E1000 Out-Of-Bounds Read Vulnerability
  • Information Leakage
  • OHCI Controller Uninitialized Variable
  • Code Execution
  • The Patches

The Vulnerabilities

在本篇文章中，我们将介绍在Pwn2Own 2020中用于Oracle VirtualBox逃逸的漏洞。这两个漏洞影响Oracle VirtualBox 6.1.4及更早版本。

漏洞利用链包含2个漏洞：

  1. Intel PRO 1000 MT Desktop (E1000) Network Adapter - 越界读漏洞
    https://www.zerodayinitiative.com/advisories/ZDI-20-581/

  2. Open Host Controller Interface (OHCI) USB Controller - 未初始化变量漏洞
    https://www.zerodayinitiative.com/advisories/ZDI-20-582/

E1000 Out-Of-Bounds Read Vulnerability

有关E1000网络适配器内部工作原理的更多信息，您可以在此处阅读。

在使用E1000网络适配器发送以太网帧时，我们可以通过设置数据描述符选项字段中的IXSM位来控制IP校验和的插入：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:5191
static bool e1kLocateTxPacket(PE1KSTATE pThis)
{
    ...    
    E1KTXDESC *pDesc = &pThis->aTxDescriptors[i];
    switch (e1kGetDescType(pDesc))
    {
    ...                
        case E1K_DTYP_DATA:
    	...                
            if (cbPacket == 0)
            {
                /*
                 * The first fragment: save IXSM and TXSM options
                 * as these are only valid in the first fragment.
                 */
                pThis->fIPcsum  = pDesc->data.dw3.fIXSM;
                pThis->fTCPcsum = pDesc->data.dw3.fTXSM;
                        fTSE     = pDesc->data.cmd.fTSE;
    	...                    
}

启用pThis->fIPcsum标志后，IP校验和将被插入到以太网帧中：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:4997
static int e1kXmitDesc(PPDMDEVINS pDevIns, PE1KSTATE pThis, PE1KSTATECC pThisCC, E1KTXDESC *pDesc,
                       RTGCPHYS addr, bool fOnWorkerThread)
{
    ...
    switch (e1kGetDescType(pDesc))
    {
        ...            
        case E1K_DTYP_DATA:
        {
            STAM_COUNTER_INC(pDesc->data.cmd.fTSE?
                             &pThis->StatTxDescTSEData:
                             &pThis->StatTxDescData);
            E1K_INC_ISTAT_CNT(pThis->uStatDescDat);
            STAM_PROFILE_ADV_START(&pThis->CTX_SUFF_Z(StatTransmit), a);
            if (pDesc->data.cmd.u20DTALEN == 0 || pDesc->data.u64BufAddr == 0)
            {
        	...                
            }
            else
            {
        	...                
                else if (!pDesc->data.cmd.fTSE)
                {
                    ...
                    if (pThis->fIPcsum)
                        e1kInsertChecksum(pThis, (uint8_t *)pThisCC->CTX_SUFF(pTxSg)->aSegs[0].pvSeg, pThis->u16TxPktLen,
                                          pThis->contextNormal.ip.u8CSO,
                                          pThis->contextNormal.ip.u8CSS,
                                          pThis->contextNormal.ip.u16CSE);

函数e1kInsertChecksum()将计算校验和并将其放入帧体中。pThis->contextNormal的三个字段u8CSO、u8CSS和u16CSE可以通过上下文描述符指定：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:5158
DECLINLINE(void) e1kUpdateTxContext(PE1KSTATE pThis, E1KTXDESC *pDesc)
{
    if (pDesc->context.dw2.fTSE)
    {
        ...        
    }
    else
    {
        pThis->contextNormal = pDesc->context;
        STAM_COUNTER_INC(&pThis->StatTxDescCtxNormal);
    }
...    
}

函数e1kInsertChecksum()的实现：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:4155
static void e1kInsertChecksum(PE1KSTATE pThis, uint8_t *pPkt, uint16_t u16PktLen, uint8_t cso, uint8_t css, uint16_t cse)
{
    RT_NOREF1(pThis);

    if (css >= u16PktLen)							// [1]
    {
        E1kLog2(("%s css(%X) is greater than packet length-1(%X), checksum is not inserted\n",
                 pThis->szPrf, cso, u16PktLen));
        return;
    }

    if (cso >= u16PktLen - 1)						// [2]
    {
        E1kLog2(("%s cso(%X) is greater than packet length-2(%X), checksum is not inserted\n",
                 pThis->szPrf, cso, u16PktLen));
        return;
    }

    if (cse == 0)									// [3]
        cse = u16PktLen - 1;
    else if (cse < css)								// [4]
    {
        E1kLog2(("%s css(%X) is greater than cse(%X), checksum is not inserted\n",
                 pThis->szPrf, css, cse));
        return;
    }

    uint16_t u16ChkSum = e1kCSum16(pPkt + css, cse - css + 1);
    E1kLog2(("%s Inserting csum: %04X at %02X, old value: %04X\n", pThis->szPrf,
             u16ChkSum, cso, *(uint16_t*)(pPkt + cso)));
    *(uint16_t*)(pPkt + cso) = u16ChkSum;
}

css是数据包中开始计算校验和的偏移量，它需要小于u16PktLen（即当前数据包的总大小）（检查[1]）。
cse是数据包中停止计算校验和的偏移量。

将cse字段设置为0表示校验和将从css覆盖到数据包的末尾（检查[3]）。
cse需要大于css（检查[4]）。

cso是数据包中写入校验和的偏移量，它需要小于u16PktLen - 1（检查[2]）。

由于没有对cse的最大值进行检查，我们可以将此字段设置为大于当前数据包的总大小，导致越界访问，并使e1kCSum16()计算数据包体pPkt之后数据的校验和。“过度读取"的校验和将被插入到以太网帧中，并可以被接收方 later 读取。

Information Leakage

因此，如果我们想通过过度读取的校验和泄漏某些信息，我们需要一种可靠的方法来知道哪些数据与过度读取的缓冲区相邻。在模拟的E1000设备中，发送缓冲区由e1kXmitAllocBuf()函数分配：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:3833
DECLINLINE(int) e1kXmitAllocBuf(PE1KSTATE pThis, PE1KSTATECC pThisCC, bool fGso)
{
    ...    
    PPDMSCATTERGATHER pSg;
    if (RT_LIKELY(GET_BITS(RCTL, LBM) != RCTL_LBM_TCVR))			// [1]
    {
        ...        
        int rc = pDrv->pfnAllocBuf(pDrv, pThis->cbTxAlloc, fGso ? &pThis->GsoCtx : NULL, &pSg);
        ...        
    }
    else
    {
        /* Create a loopback using the fallback buffer and preallocated SG. */
        AssertCompileMemberSize(E1KSTATE, uTxFallback.Sg, 8 * sizeof(size_t));
        pSg = &pThis->uTxFallback.Sg;
        pSg->fFlags      = PDMSCATTERGATHER_FLAGS_MAGIC | PDMSCATTERGATHER_FLAGS_OWNER_3;
        pSg->cbUsed      = 0;
        pSg->cbAvailable = sizeof(pThis->aTxPacketFallback);
        pSg->pvAllocator = pThis;
        pSg->pvUser      = NULL; /* No GSO here. */
        pSg->cSegs       = 1;
        pSg->aSegs[0].pvSeg = pThis->aTxPacketFallback;				// [2]				
        pSg->aSegs[0].cbSeg = sizeof(pThis->aTxPacketFallback);
    }
    pThis->cbTxAlloc = 0;

    pThisCC->CTX_SUFF(pTxSg) = pSg;
    return VINF_SUCCESS;
}

RCTL寄存器中的LBM（环回模式）字段控制以太网控制器的环回模式，它影响数据包缓冲区的分配方式（参见[1]）：

  • 无环回模式：e1kXmitAllocBuf()使用pDrv->pfnAllocBuf()回调分配数据包缓冲区，此回调将使用操作系统分配器或VirtualBox的自定义分配器。
  • 启用环回模式：数据包缓冲区是aTxPacketFallback数组（参见[2]）。

aTxPacketFallback数组是PE1KSTATE pThis对象的一个属性：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\Network\DevE1000.cpp:1024
typedef struct E1KSTATE
{
    ...
    /** TX: Transmit packet buffer use for TSE fallback and loopback. */
    uint8_t     aTxPacketFallback[E1K_MAX_TX_PKT_SIZE];
    /** TX: Number of bytes assembled in TX packet buffer. */
    uint16_t    u16TxPktLen;
    ...    
} E1KSTATE;

/* Pointer to the E1000 device state. */
typedef E1KSTATE *PE1KSTATE;

因此，通过启用环回模式：

  • 数据包接收者是我们自己，不需要另一台主机来读取过度读取的校验和
  • 数据包缓冲区位于pThis结构中，因此过度读取的数据是pThis对象的其他字段

现在我们知道了哪些数据与数据包缓冲区相邻，我们可以通过以下步骤逐字泄漏：

  1. 发送一个包含E1K_MAX_TX_PKT_SIZE字节的CRC-16校验和的帧，称为crc0。
  2. 发送第二个包含E1K_MAX_TX_PKT_SIZE + 2字节的校验和的帧，称为crc1。
  3. 由于校验和算法是CRC-16，通过计算crc0和crc1之间的差异，我们可以知道aTxPacketFallback数组之后的两个字节的值。

每次将过度读取大小增加2字节，并重复此操作，直到获取到一些有趣的数据。幸运的是，在pThis对象之后，我们可以在偏移量E1K_MAX_TX_PKT_SIZE + 0x1f7处找到指向VBoxDD.dll模块中全局变量的指针。

一个小问题是，在pThis对象中，aTxPacketFallback数组之后还有其他设备的计数器寄存器，这些寄存器在每次发送帧时都会增加，因此如果我们发送两个具有相同过度读取大小的帧，也会导致两个不同的校验和，但计数器增量每次相似，因此这种差异是可预测的，可以通过向第二个校验和添加0x5a来均衡。

OHCI Controller Uninitialized Variable

您可以在此处阅读有关VirtualBox OHCI设备的更多信息。

在向USB设备发送控制消息URB时，我们可以包含一个设置数据包来更新消息URB：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:834
static int vusbUrbSubmitCtrl(PVUSBURB pUrb)
{
    ...    
    if (pUrb->enmDir == VUSBDIRECTION_SETUP)
    {
        LogFlow(("%s: vusbUrbSubmitCtrl: pPipe=%p state %s->SETUP\n",
                 pUrb->pszDesc, pPipe, g_apszCtlStates[pExtra->enmStage]));
        pExtra->enmStage = CTLSTAGE_SETUP;
    }

    ...    

    switch (pExtra->enmStage)
    {
        case CTLSTAGE_SETUP:
            ...            
            if (!vusbMsgSetup(pPipe, pUrb->abData, pUrb->cbData))
            {
                pUrb->enmState = VUSBURBSTATE_REAPED;
                pUrb->enmStatus = VUSBSTATUS_DNR;
                vusbUrbCompletionRh(pUrb);
                break;

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:664
static bool vusbMsgSetup(PVUSBPIPE pPipe, const void *pvBuf, uint32_t cbBuf)
{
    PVUSBCTRLEXTRA  pExtra = pPipe->pCtrl;
    const VUSBSETUP *pSetupIn = (PVUSBSETUP)pvBuf;

        ...

    if (pExtra->cbMax < cbBuf + pSetupIn->wLength + sizeof(VUSBURBVUSBINT))		// [1]
    {
        uint32_t cbReq = RT_ALIGN_32(cbBuf + pSetupIn->wLength + sizeof(VUSBURBVUSBINT), 1024);
        PVUSBCTRLEXTRA pNew = (PVUSBCTRLEXTRA)RTMemRealloc(pExtra, RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbReq]));							// [2]
        if (!pNew)
        {
            Log(("vusbMsgSetup: out of memory!!! cbReq=%u %zu\n",
                 cbReq, RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbReq])));
            return false;
        }
        if (pExtra != pNew)
        {
            pNew->pMsg = (PVUSBSETUP)pNew->Urb.abData;
            pExtra = pNew;
            pPipe->pCtrl = pExtra;
        }
        pExtra->Urb.pVUsb = (PVUSBURBVUSB)&pExtra->Urb.abData[cbBuf + pSetupIn->wLength]; // [3]
        pExtra->Urb.pVUsb->pUrb = &pExtra->Urb;										  // [4]
        pExtra->cbMax = cbReq;
    }
    Assert(pExtra->Urb.enmState == VUSBURBSTATE_ALLOCATED);

    /*
     * Copy the setup data and prepare for data.
     */
    PVUSBSETUP pSetup = pExtra->pMsg;
    pExtra->fSubmitted      = false;
    pExtra->Urb.enmState    = VUSBURBSTATE_IN_FLIGHT;
    pExtra->pbCur           = (uint8_t *)(pSetup + 1);
    pSetup->bmRequestType   = pSetupIn->bmRequestType;
    pSetup->bRequest        = pSetupIn->bRequest;
    pSetup->wValue          = RT_LE2H_U16(pSetupIn->wValue);
    pSetup->wIndex          = RT_LE2H_U16(pSetupIn->wIndex);
    pSetup->wLength         = RT_LE2H_U16(pSetupIn->wLength);

      ...
    
    return true;
}

pSetupIn是我们的URB数据包，pExtra是控制管道的当前额外数据，如果设置请求的大小大于当前控制管道额外数据的大小（检查[1]），pExtra将在[2]处重新分配为更大的大小。

原始的pExtra在vusbMsgAllocExtraData()中分配和初始化：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:609
static PVUSBCTRLEXTRA vusbMsgAllocExtraData(PVUSBURB pUrb)
{
/** @todo reuse these? */
    PVUSBCTRLEXTRA pExtra;
    const size_t cbMax = sizeof(VUSBURBVUSBINT) + sizeof(pExtra->Urb.abData) + sizeof(VUSBSETUP);
    pExtra = (PVUSBCTRLEXTRA)RTMemAllocZ(RT_UOFFSETOF_DYN(VUSBCTRLEXTRA, Urb.abData[cbMax]));
    if (pExtra)
    {
        ...        
        pExtra->Urb.pVUsb = (PVUSBURBVUSB)&pExtra->Urb.abData[sizeof(pExtra->Urb.abData) + sizeof(VUSBSETUP)];
        //pExtra->Urb.pVUsb->pCtrlUrb = NULL;
        //pExtra->Urb.pVUsb->pNext = NULL;
        //pExtra->Urb.pVUsb->ppPrev = NULL;
        pExtra->Urb.pVUsb->pUrb = &pExtra->Urb;
        pExtra->Urb.pVUsb->pDev = pUrb->pVUsb->pDev;		// [5]
        pExtra->Urb.pVUsb->pfnFree = vusbMsgFreeUrb;
        pExtra->Urb.pVUsb->pvFreeCtx = &pExtra->Urb;
        ...        
    }
    return pExtra;
}

函数RTMemRealloc()不执行任何初始化，因此结果缓冲区将包含两个部分：

  • 部分A：旧的小pExtra主体。
  • 部分B：新分配的未初始化数据。

重新分配后：

  • pExtra->Urb.pVUsb对象将使用新的pVUsb更新，该pVUsb位于部分B中（在[3]处）
  • 但是新的pVUsb位于未初始化的数据中，并且只有pVUsb->pUrb在[4]处更新，

因此pExtra->Urb.pVUsb对象的其他属性保持未初始化，包括pExtra->Urb.pVUsb->pDev对象（参见[5]）。

pExtra->Urb对象稍后将在vusbMsgDoTransfer()函数中使用：

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:752
static void vusbMsgDoTransfer(PVUSBURB pUrb, PVUSBSETUP pSetup, PVUSBCTRLEXTRA pExtra, PVUSBPIPE pPipe)
{
    ...    
    int rc = vusbUrbQueueAsyncRh(&pExtra->Urb);
    ...    
}

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// VirtualBox-6.1.4\src\VBox\Devices\USB\VUSBUrb.cpp:439
int vusbUrbQueueAsyncRh(PVUSBURB pUrb)
{
    ...    
    PVUSBDEV pDev = pUrb->pVUsb->pDev;
    ...    
    int rc = pDev->pUsbIns->pReg->pfnUrbQueue(pDev->pUsbIns, pUrb);
    ...    
}

当VM主机进程解引用未初始化的pDev时，将发生访问冲突。

为了利用未初始化的对象，我们可以在重新分配之前执行堆喷射，然后希望pDev对象位于我们的数据中。

由于存在虚拟表调用，并且VirtualBox尚未使用CFG进行缓解，因此我们可以结合漏洞和堆喷射与伪造的pDev对象来控制主机进程的指令指针（RIP）。

Code Execution

我们之前的文章描述了如何执行堆喷射以获取主机进程中VRAM缓冲区的地址范围。我们将选择此范围内的一个地址作为我们的伪造pDev指针。

然后完整的漏洞利用流程如下：

  1. 使用E1000漏洞泄漏VBoxDD.dll模块基地址，然后收集一些ROP小工具
  2. 我们的伪造pDev指针指向VRAM中的某个位置，因此我们使用块喷洒VRAM，每个块包含：
    • 对齐的PVUSBDEV对象，其中包含虚假的vtable，其中包含堆栈旋转小工具，以将堆栈指针指向主机的VRAM缓冲区
    • 包含WinExec ROP链的虚假堆栈
  3. 喷洒堆，用我们选择的VRAM地址填充未初始化的内存，这将使pExtra->Urb.pVUsb->pDev对象指向我们伪造的PVUSBDEV对象之一
  4. 触发OHCI漏洞，进而执行ROP链

The Patches

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