Linux内核eBPF verifier边界计算错误漏洞分析与利用（CVE-2021-31440）
发布时间 2021-05-31漏洞背景
近日，ZDI官网披露一个Linux内核eBPF verifier边界计算错误漏洞，该漏洞源于eBPF验证器在Linux内核中没有正确计算64位转32位操作的寄存器边界，导致本地攻击者可以利用此缺陷进行内核信息泄露或特权提升，该漏洞编号为CVE-2021-31440。
影响范围与防护措施
（1）影响范围Linux-5.7 ~ Linux- 5.11.15Ubuntu 20.10
（2）防护措施
及时更新升级内核将kernel.unprivileged_bpf_disabled.sysctl设置为1，临时限制普通用户权限
漏洞原理与调试分析
（1）漏洞原理
该漏洞和CVE-2020-8835，CVE-2020-27194这两个漏洞的原理类似，均是在32位和64位之间进行转换操作时，错误计算了寄存器的约束边界，导致可以绕过验证器检查实现越界读写。缺陷代码出现在kernel/bpf/verifier.c的__reg_combine_64_into_32()函数中，该函数是在commit_id：3f50f132d840中引入的，该功能实现了用64位寄存器上的已知范围来推断该寄存器低32位的范围，但是同样出现了类似的计算错误，该函数实现如下：
行1316，如果smin_value和smax_value都在带符号的32位整数范围内，则将相应地更新32位的带符号范围大小，对于有符号范围来说，这种操作是正确的。接着看，在无符号范围的相应逻辑中，对umin_value和umax_value分别在行1320和行1322进行了检查。这里逻辑不正确，例如设置dreg->umin_value=1，dreg->umax_value=1<<32，即0x100000000，当进行如上操作后，reg->u32_min_value设置为1，这个是正确的，但是reg->u32_max_value却变成了0，高位被截断。这时reg寄存器的低32位范围已经混乱。对于验证器来说是混乱的，但是运行态时，reg的范围是正常的。其实对于有符号边界的情况，已经进行了修改。补丁commit为：b02709587ea3，关键补丁代码如下所示：
而未对无符号边界的情况进行解决。该漏洞补丁中，修改为同时对umin_value和umax_value进行了判断，如下所示：
（2）调试分析
首先将BPF_REG_7寄存器设置为1<<32，即0x10000000，并通过两个连续的NEG指令使验证器无法跟踪寄存器的范围，同时可以保证寄存器的值在运行时不变。可以通过如下BPF指令实现：
执行到LSH指令时，如下所示：
此时BPF_REG_7寄存器的状态如下所示：
执行完LSH后，此时BPF_REG_7寄存器的状态如下图所示：
但是此时umin_value也是0x100000000，还需将umin_value设置成0x1，可以通过如下eBPF指令实现：
断点命中后，调用栈如下所示：
对BPF_JGE和BPF_JGT指令进行处理，这里不是32位指令操作，执行如下代码：
如果R7 >= 0x1，则验证器正确分支上，true_reg->umin_value设置为true_reg->umin_value和true_umin之间的最大值，这里设置成true_umin，为0x1。然后调用__reg_combine_64_into_32()函数更新一下true_reg的范围。如下代码所示：
进入该函数后，首先判断有符号范围的情况，如下代码所示：
这里同时判断有符号大小值，结果不为真，不进入if语句，因此不会修改32位的有符号大小值，打印true_reg的状态如下所示：
然后开始判断无符号最小值的情况，结果为真，然后修改32位无符号最小值，如下代码：
由于这里分开进行判断，可以成功设置reg->u32_min_value为0x1。接下来判断无符号最大值，reg->umax_value为0xffffffffffffffff，大于0xffffffff。因此条件不为真，不修改reg->u32_max_value。最后true_reg的状态如下所示：
将寄存器的umin_value和u32_min_value都设置为0x1。接下来通过如下eBPF指令组合将u32_max_value也设置为0x1。如下所示：
该指令为W7<=0x1，W7为32位寄存器。命中断点后，调用栈如下所示：
如果W7<=0x1，接下来设置正确分支下的true_reg->u32_max_value，如下图所示：
行7200，将true_reg->u32_max_value设置为true_umax，为0x1。此时true_reg的状态如下所示：
然后调用__reg_combine_32_into_64()函数更新true_reg的范围，如下所示：
更新范围后，最后true_reg的状态如下所示：
此时在验证器的视角中，R7寄存器的32位范围是固定值，为常数0x1。接下来通过如下eBPF组合将R7变换成0，如下所示：
首先通过MOV32将R7的64位范围也设置常数0x1。执行完MOV32指令后，在验证器的视角下R7寄存器的状态如下所示：
而在运行时，R7的值为1<<32，即0x100000000，低32为0，即R7的32位范围为常数0，然后通过MUL和ADD两次操作，将R7寄存器的状态转换成在验证器的视角下为0x0，在运行时为0x1，最终便可以实现越界读写。
漏洞复现
在Linux-5.11.0内核版本的特定测试环境中进行漏洞利用测试，成功提权。
参考链接
1.https://www.zerodayinitiative.com/blog/2021/5/26/cve-2021-31440-an-incorrect-bounds-calculation-in-the-linux-kernel-ebpf-verifier
2.https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=10bf4e83167cc68595b85fd73bb91e8f2c086e36
3.https://github.com/torvalds/linux/commit/b02709587ea3d699a608568ee8157d8db4fd8cae
4.https://cve.mitre.org/cgi-bin/cvename.cgi?name=CVE-2021-31440
启明星辰积极防御实验室（ADLab）
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