利用Oracle VirtualBox实现虚拟机逃逸

 

在这篇文章中，我们将讨论在Pwn2Own 2020中使用的Oracle VirtualBox escape漏洞。这两个漏洞影响Oracle VirtualBox 6.1.4和更早的版本。

 

漏洞

我们利用了两个漏洞完成了这次逃逸：

CVE-2020-2894
CVE-2020-2575

CVE-2020-2894 E1000 越界读取漏洞

有关E1000网络适配器内部工作原理的更多信息，可以在这里阅读。

当使E1000网络适配器发送一个以太网帧时，我们可以通过设置IXSM位控制插入的IP校验和：

// 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校验和插入到以太网帧中：

// 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框架主体中。pThis->contextNormal的三个字段u8CSO、u8CSS和u16CSE可以通过上下文描述符（Context Descriptor）指定：

// 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);
    }
...    
}

e1kInsertChecksum()函数的实现：

// 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，它是当前数据包的总大小（代码中[1]）。

cse是数据包中用来停止校验和计算的偏移量。

将cse字段设置为0表示校验和将覆盖从css到包的末尾（代码中[3]）。

cse需要比css大（代码中[4]）。

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

由于没有检查cse的最大值，我们可以将该字段设置为大于当前数据包的总大小，从而导致越界访问，并导致e1kCSum16()在pPkt之后计算数据的校验和。

“overread”校验和将被插入以太网帧中，稍后可以被接收器读取。

信息泄漏

因此，如果我们想从一个溢出校验和中泄漏一些信息，我们需要一种可靠的方法来知道哪些数据与溢出缓冲区相邻。在仿真的E1000设备中，传输缓冲区由e1kXmitAllocBuf()函数分配:

// 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寄存器的LBM（环回模式）字段控制以太网控制器的环回模式，它影响包缓冲区（packet buffer）的分配（代码中[1]）：

没有环回模式：e1kXmitAllocBuf()使用pDrv->pfnAllocBuf()回调来分配数据包缓冲区，这个回调将使用OS分配器或VirtualBox的自定义分配器。
环回模式：数据包缓冲区是aTxPacketFallback数组（代码中[2]）。

aTxPacketFallback数组是PE1KSTATE pThis对象的属性：

// 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，通过启用环回模式可以做到：

数据包接收方是我们，我们不需要另一个主机来读取overread校验和
数据包缓冲区驻留在pThis结构中，因此被覆盖的数据是pThis`对象的其他字段

现在我们知道了哪些数据是与数据包缓冲区相邻的，我们可以通过以下步骤泄露信息：

发送包含E1K_MAX_TX_PKT_SIZE字节的CRC-16校验和的帧，称其为crc0。
发送包含E1K_MAX_TX_PKT_SIZE + 2字节校验和的第二帧，称为crc1。
由于校验和算法是CRC-16，通过计算crc0和crc1之间的差异，我们可以知道紧跟在aTxPacketFallback数组之后的两个字节的值。

每次增加2字节的大小，直到我们得到一些有趣的数据。幸运的是，在pThis对象之后，我们可以在VBoxDD.dll模块的E1K_MAX_TX_PKT_SIZE+ 0x1f7处找到一个指向全局变量的指针。

一个小问题是,在pThis对象中，aTxPacketFallback数组后，还有其他设备的计数器寄存器，每次发送帧都会增加。即使我们发送两个帧大小相同，它也导致了两种不同的校验和。但由于每次的增加是可以预测的，我们可以添加0x5a到第二个校验和中使得两个校验和一致。

OHCI控制器没有初始化变量

你可以在这里阅读更多关于VirtualBox OHCI设备的信息。

当发送一个控制消息URB到USB设备中时，我们可以在其中夹带一个设置包来更新消息URB：

// 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;

// 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（代码中[1]处），pExtra将重新分配一个更大的大小（代码中[2]）。

下面的代码演示了在vusbMsgAllocExtraData()中分配初始化的pExtra：

// 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，因此产生的缓冲区将包含两部分：

A部分：旧的小的pExtra。
B部分:新分配的pExtra。

在重新分配后：

pExtra->Urb.pVUsb对象将被更新为新的pVUsb，它驻留在B部分（代码中[3]）
但是新的pVUsb驻留在未初始化的数据中，只有pVUsb->pUrb在代码中[4]的地方更新。

此时pExtra->Urb.pVUsb对象仍然未初始化，包括pExtra->Urb.pVUsb->pDev对象（代码中[5]）。

pExtra->Urb对象将在vusbMsgDoTransfer()函数中使用：

// 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);
    ...    
}

// 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主机进程间接引用未初始化的 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（heap spraying），然后希望pDev对象已经驻留在我们的数据中。

由于存在一个虚拟表调用，并且VirtualBox使用了CFG。我们可以结合漏洞、堆喷射和伪造的pDev对象来控制主机进程的指令指针（RIP）。

代码执行

我们之前的文章描述了如何执行堆喷射来获得主机进程中的VRAM缓冲区的地址范围。我们将在这个范围内选择一个地址作为伪造的pDEv指针。

那么完整的利用过程将如下：

1.使用E1000漏洞获取VBoxDD.dll模块基地址，然后收集一些ROP gadgets
2.我们伪造的pDEv指针指向VRAM中的某个地方，所以我们在VRAM中喷射block，每个block包含：
1)用包含stack pivot的假的虚函数对齐PVUSBDEV对象，以指向堆栈指针主机的VRAM缓冲区
2)包含WinExecROP链的伪堆栈
3.用我们选择的VRAM地址填充未初始化的内存完成堆喷射，这将使pExtra->Urb.pVUsb->pDev对象指向一个伪造的PVUSBDEV对象。
4.触发OHCI漏洞，进而执行ROP

 

补丁

https://www.virtualbox.org/changeset/83613/vbox/trunk/src/VBox/Devices/Network/DevE1000.cpp
https://www.virtualbox.org/changeset/83617/vbox/trunk/src/VBox/Devices/USB/VUSBUrb.cpp