Chakra漏洞调试笔记2——OpCode Side Effect-安全客

（距《Chakra漏洞调试笔记1——ImplicitCall》的发布有一个多月了，期间有一些同学私信我第二篇的更新时间。因为这些case的分析主要是业余时间完成的，也是看一个case学一部分Chakra的源码，所以比较难保证更新速度，不过我还是会坚持把这个坑填完的XD。

另外我最近写了一个IE浏览器的0day的exploit，可以在最新的Win10系统中稳定利用，等微软修复这个漏洞后会公布具体技术细节，感兴趣的同学可以在我的推特@elli0tn0phacker上观看demo。）

0x0 DynamicObject

Javascript是一种动态弱类型的脚本语言。Javascript中同一变量可以指向不同数据类型，而一些数据类型的结构也可以被动态修改。但并非所有的数据结构都可以被动态修改，Chakra中存在两种数据类型：static type和dynamic type。其中static type是基本数据类型，对应了Javascript中的原始数据类型（Primitive），比如String，Number，Boolean等。static type不能动态修改属性，以String为例：

而dynamic type可以动态修改属性，比如：

Javascript中Object是一个动态数据类型，Object在Chakra中通过DynamicObject实现，DynamicObject.h中给出了DynamicObject的Memory Layout:

DynamicObject中比较重要的两个成员变量是auxSlots和inline slots. 那么什么是slots呢？Chakra又是如何通过slots来实现对象属性的访问呢？

我们知道，Javascript的Object是由若干key (property name) -value (property value)组成的数据结构。一个Object的实现一般需要key, value等成员变量来保存相应的数据。这样的实现是比较简单的，但是带来的问题就是每个Object的实例化对象都需要相应的Memory Layout来保存这些key-value。然而同一个Object在属性不被动态修改的前提下Memory Layout是相同的，key也是一样的，这样的设计无疑增加了内存空间的占用，降低了属性的访问效率。

那么Chakra是如何高效的读写一个类不同对象的不同属性呢？

看这样一个例子：

上面的脚本创建了两个Point对象one和two，属性分别为x和y。Chakra需要在runtime中保存相关信息：

Object one和two包含属性x和y
Object one属性x的值是10，y的值是20
Object two属性x的值是40，y的值是50

通过记录以上信息就可以实现Object属性的访问。可以看到对象one和two保存的(1)的信息是相同的，（2）（3）的信息则因对象的属性值不同而不同。因此Chakra通过建立一个property map和一个 slots array的对应关系来实现属性的读写功能：

property map用来映射属性名（实际上是PropertyId）和slots array的索引，比如属性x存储在slots array的索引 = 0
slots array用来存储具体的属性值，比如one->slots[0]=10, one->slots[1]=20, two->slots[0]=40，two->slots[1]=50

Chakra中slots array存放在DynamicObject中（auxSlots或者inline slots），property map存放在Type中（准确的说是保存在Type的TypeHandler对象中）。当访问one.x时，Chakra通过one->Type->TypeHandler（->TypePath）取得property map，找到属性x在slots array中的索引为0，然后通过one->slots[0]取得属性x的值10：

观察对象one，two在内存中的布局：

可以看到他们的Type是一样的，TypeHandler也是一样的，他们有同样的property map。所以通过Type，Chakra可以更加高效地访问对象属性，并降低对象本身的内存占用。

理解了Chakra是如何通过Type和slots实现属性访问后，我们再回到DynamicObject的3种Memory Layout就比较容易理解了，其中auxSlots存放的是slots array的指针，指向了slots array的首地址，inline slots则是直接将slots array存放在DynamicObject中。比如：

let o = {a:1, b:2};

o.c = 3;

o.c = 3语句向Object动态添加了新的属性c，Object的Type发生变化，inline slots被auxSlots替代。

0x1 JIT Object Check Optimize

在笔记1中笔者简单地介绍了Chakra JIT的过程。考虑如下一段代码片段函数opt被JIT后的结果：

假设第一次opt()后，函数opt被JIT，Lowerer阶段后的dump如下：

可以看到obj.a = 2语句前有两次Bailout机制的类型检查，而obj.b = 1语句则没有进行相关类型检查，直接赋值到inline slots（obj+0x18）。这里obj.b = 1语句中obj的类型检查被优化了，显然这种优化是合理的，因为刚对obj做过类型检查没有必要再检查一次（obj在当前block还是活跃的）。但是并不是任何情况都会把第二次对象的类型检查优化掉，比如：

如果some statements可能改变Object的Memory Layout，那么第二次对obj的类型检查就不应该被优化掉。

some statements改变Object Memory Layout的方式有多种，笔记1中介绍了通过脚本回调的方式改变Object Memory Layout，笔记2中会介绍另一种不需要脚本回调的方式：OpCode Side Effect。

0x2 Case Study: CVE-2018-8617

这里的some statements为b.push(0)。根据case的描述可以知道，当向一个有inline slots的Object添加一个数字属性时，Object的Type会发生改变，从而memory layout也会发生改变，原来保存inline slots被替换为auxSlots指针。

补丁前Lowerer阶段的dump:

因为ForwardPass阶段在分析a.b = 2语句后，对象a被认为是活跃的，并且补丁前JIT不知道OpCode::InlineArrayPush存在Side Effect会改变对象a的Type。因此分析a.a = 0x1234语句时会认为对象a已经经过了类型检查，从而直接使用已经保存的对象a的Type来访问属性a，最终直接将常量0x1234写入对象a原来的inline slots处。

实际上OpCode::InlineArrayPush存在Side Effect：

b.push(0);会调用JavascriptArray::Push，JavascriptArray::Push中如果push的Object不是JavascriptArray则进入EntryPushNonJavascriptArray：

进一步会调用DynamicObject::SetItem，因为当前的DynamicObject没有objectArray属性，会调用DynamicObject::SetObjectArray为DynamicObject添加objectArray属性:

SetObjectArray内部会调用DeoptimizeObjectHeaderInlining() 删除原来DynamicObject的inline slots:

最终通过DynamicTypeHandler::AdjustSlots将原来保存的inline slots替换为auxSlots指针：

由于JIT不知道obj2.push(0)语句存在side effect，对象a的类型检查被优化，从而auxSlots指针被常量0x1234当作inline slots覆盖，最终在Interpreter中print(o.a);语句触发auxSlots指针解引用异常：

0x3 Patch Analysis

因为漏洞产生的原因是OpCode::InlineArrayPush存在Side Effect，因此通过：

KillObjectHeaderInlinedTypeSyms(this->currentBlock, false)；删除当前block已经ObjectHeaderInlined的Object的Symbol。具体过程：

KillObjectHeaderInlinedTypeSyms内部调用MapObjectHeaderInlinedTypeSymsUntil：

MapObjectHeaderInlinedTypeSymsUntil内部从当前block的objectTypeSyms中逐一取出Object的Symbol ID，根据Symbol ID再从globOptData中取出该Object的Value，如果当前Object的Type是DynamicType并且IsObjectHeaderInlinedTypeHandler()为true，则调用从KillObjectHeaderInlinedTypeSyms传入的函数指针从活跃变量列表中删除该Object的Symbol：

当ForwardPass分析到IR：

s16(s5<s19>[LikelyObject]->a) [CanBeTaggedValue_Int].var! = StFld 0x1000000001234.var #001d

在OptDst时，因为这里是一个Object的属性操作，因此会从活跃变量列表中查找是否存在该Object，如果存在则标记该目标操作数已经经过类型检查，否则需要重新进行类型检查：

补丁后Lowerer阶段的dump:

可以看到这里对对象a生成了两次类型检查，分别是Type和InlineCache，如果发现类型检查失败则调用Op_PatchPutValueNoLocalFastPath重新获取对象属性并更新InlineCache。

0x4 Thinking

对于这种OpCode存在Side Effect的情况可以看到微软目前的修复方法是case by case。观察GlobOpt::ProcessFieldKills函数可以发现有很多类似的Kill情况。实际上GPZ的bug列表中还有一些漏洞原理类似的case，笔者将不再详细说明，感兴趣的同学可以自行分析：