Linux内核AF_VSOCK套接字条件竞争漏洞（CVE-2021-26708）分析
发布时间 2021-03-10漏洞背景
近期，国外安全研究人员在oss-security上披露了一个AF_VSOCK套接字条件竞争高危漏洞CVE-2021-26708（CNVD-2021-10822、CNNVD-202102-529）。根据披露细节，该漏洞是由于错误加锁导致，可以在低权限下触发并自动加载易受攻击驱动模块创建AF_VSOCK套接字，进而导致本地权限提升。该漏洞补丁已经合并到Linux内核主线中。
VSOCK介绍和架构
VSOCK介绍
VM套接字最早是由Vmware开发并提交到Linux内核主线中。VM套接字允许虚拟机与虚拟机管理程序之间进行通信。虚拟机和主机上的用户级应用程序都可以使用VM 套接字API，从而促进guest虚拟机与其host之间的快速有效通信。该机制提供了一个vsock套接字地址系列及其vmci传输，旨在与接口级别的UDP和TCP兼容。VSOCK机制随即得到Linux社区的响应，Redhat在VSOCK中为vsock添加了virtio传输，QEMU/KVM虚拟机管理提供支持，Microsoft添加了HyperV传输。
VSOCK架构
VM套接字与其他套接字类型类似，例如Berkeley UNIX套接字接口。VM套接字模块支持面向连接的流套接字（例如TCP）和无连接数据报套接字（例如UDP）。VM套接字协议系列定义为“AF_VSOCK”，并且套接字操作分为SOCK_DGRAM和SOCK_STREAM。如下图所示：
VSOCK支持socket API。AF_SOCK地址簇包含两个要素：CID和port。CID为ContextIdentifier，上下文标识符；port为端口。TCP/IP应用程序几乎不需要更改就可以适配，每一个地址表示为
Transport根据传输方向分为两种（以SOCK_STREAM类型为例），一种为G2H transport，表示guest到host的传输类型，运行在guest中。另一种为H2G transport，表示host到guest的传输类型。以QEMU/KVM传输为例，如下图所示：
该传输提供套接字层接口的驱动分为两个部分：一个是运行在guest中的virtio-transport，用于配合guest进行数据传输；另一个是运行在host中的vhost-transport，用于配合host进行数据传输。VSOCK transport还提供多传输通道模式，该功能是为了支持嵌套虚拟机中的VSOCK功能。如下图所示：
支持L1虚拟机同时加载H2G和G2H两个传输通道，此时L1虚拟机即是host也是guest，通过H2G传输通道和L2嵌套虚拟机通信，通过G2H传输通道和L0 host通信。VSOCK transport还支持本地环回传输通道模式，不需要有虚拟机。如下图所示：
该模式用于测试和调试，由vsock-loopback提供支持，并对地址簇中的CID进行了分类，包含两种类型：一种是VMADDR_CID_LOCAL，表示本地环回；一种为VMADDR_CID_HOST，表示H2G传输通道加载，G2H传输通道未加载。
漏洞分析与触发过程
漏洞分析
该漏洞触发原因是错误加锁导致条件竞争，根据补丁可知，存在多处错误加锁，这里以vsock_stream_setsockopt()函数补丁为例，如下图所示：
补丁很简洁，将第1564行代码移动到第1571行，中间就隔着第1569行代码：lock_sock(sk)。加锁前，vsk->transport已经赋值到transport变量中，这里产生了一个引用，然后才进行lock_sock(sk)将sk锁定。但是vsk->transport会在多处被调用甚至被释放，这就有可能通过条件竞争造成Use After Free。
触发过程
首先找到修改或释放vsk->transport的调用路径，来看关键函数vsock_assign_transport()的实现。对于多传输模式，该函数用于根据不同CID分配不同的传输通道。实现代码如下图所示：
根据sk->sk_type分为SOCK_DGRAM和SOCK_STREAM，在SOCK_STREAM中，分为三种传输通道。这里可以通过将CID设置为本地环回模式，得到transport_local传输通道。接下来如下图所示：
如果vsk->transport不为空，则进入if语句。先判断vsk->transport是否等于new_transport，如果等于直接返回，在触发过程中，要保证能走到vsock_deassign_transport()函数，该函数是析构函数，用于释放transport。如下代码所示：
行411，调用vsk->transport->destruct()，要明确使用transport类型，前文已经确定使用transport_local。Transport_local为全局变量，会在vsock_core_register()函数中被初始化。该函数被调用情况如下图所示：
*_init()函数用来初始化transport的回调函数，根据第二部分介绍，vhost_vsock_init()、virtio_vsock_init()和vsock_loopback_init()函数为QEMU/KVM环境下的支持函数。我们发现transport->destruct()函数的最后实现都是同一个函数。如下图所示：
该destruct()函数释放vsk->trans，如下图所示：
而vsk->trans指针是指向transport的。结构体vsock_sock定义如下所示：
最终可以构造一个释放transport的函数路径为：vsock_stream_connect-> vsock_assign_transport->virtio_transport_destrcut。
找到了释放路径，下一步找使用路径，virtio_transport_notify_buffer_size()函数会使用transport。如下图所示：
第492行，通过vsk->trans获取指向transport的指针，第497行，解引用vvs指针，对vvs->buf_alloc进行赋值。而调用virtio_transport_notify_buffer_size()函数最终会被vsock_stream_setsockopt()函数调用。最终可以构造一个使用transport的函数路径为：vsock_stream_setsockopt-> vsock_update_buffer_size->virtio_transport_notify_buffer_size。
接下来就是营造一个抢锁的条件竞争环境，很明显必须是connect()系统调用先抢到锁对transport进行释放，然后再调用setsockopt()才能触发漏洞。有开发人员提出使用userfaultfd机制先将lock_sock锁定，然后在去释放锁，进行条件竞争。漏洞触发过程如下图所示：
蓝框中是connect()调用过程，最后调用virtio_transport_destruct()函数释放vsk->trans。红框中是setsockopt()调用过程，调用virtio_transport_notify_buffer_size()函数使用vvs，该值是0xffff888107a74500，在0xffff888107a74500+0x28处会写入4字节。
参考链接：
[1]https://github.com/torvalds/linux/commit/d021c344051af91f42c5ba9fdedc176740cbd238
[2]https://static.sched.com/hosted_files/devconfcz2020a/b1/DevConf.CZ_2020_vsock_v1.1.pdf
[3]https://github.com/jordan9001/vsock_poc
[4]https://terenceli.github.io/%E6%8A%80%E6%9C%AF/2020/04/18/vsock-internals
启明星辰积极防御实验室（ADLab）
ADLab成立于1999年，是中国安全行业最早成立的攻防技术研究实验室之一，微软MAPP计划核心成员，“黑雀攻击”概念首推者。截止目前，ADLab已通过CVE累计发布安全漏洞近1100个，通过 CNVD/CNNVD累计发布安全漏洞1000余个，持续保持国际网络安全领域一流水准。实验室研究方向涵盖操作系统与应用系统安全研究、智能终端安全研究、物联网智能设备安全研究、Web安全研究、工控系统安全研究、云安全研究。研究成果应用于产品核心技术研究、国家重点科技项目攻关、专业安全服务等。
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