La faille CVE-2015-3456, aussi connue sous le nom VENOM, exploite une faiblesse dans l’implémentation du contrôleur de disquettes de QEMU:

Le contrôleur de disquettes (FDC) de QEMU, tel qu’utilisé dans Xen […] et dans KVM permet aux systèmes invités de provoquer un déni de service (écriture hors limite suivie du crash du processus invité) ou éventuellement d’exécuter du code arbitraire à travers les commandes FD_CMD_READ_ID, FD_​CMD_​DRIVE_​SPECIFICATION_​COMMAND ou d’autres commandes non spécifiées.

Même lorsque QEMU a été configuré pour ne pas exposer de lecteur de disquettes, le contrôleur est toujours actif. La vulnérabilité est facile à tester1 :

#define FDC_IOPORT 0x3f5
#define FD_CMD_READ_ID 0x0a

int main() {
    ioperm(FDC_IOPORT, 1, 1);
    outb(FD_CMD_READ_ID, FDC_IOPORT);
    for (size_t i = 0;; i++)
        outb(0x42, FDC_IOPORT);
    return 0;
}

Une fois le correctif installé, tous les processus doivent être redémarrés pour que la mise à jour prenne effet. Il est possible de minimiser le temps de coupure en utilisant virsh save.

Une alternative serait de modifier le processus en cours d’exécution. Le noyau Linux a suscité beaucoup d’intérêt dans ce domaine avec des solutions telles que Ksplice, kGraft et kpatch, ainsi que par l’inclusion d’une structure commune dans le noyau. L’espace utilisateur ne dispose cependant pas de solutions aussi élaborées2.

Je présente ici une solution simple et sans dépendance pour corriger une instance de QEMU en cours d’exécution. Voici une courte démonstration :

Prototype§

Essayons d’abord de trouver une modification simple à implémenter : bien qu’il soit possible de modifier du code en cours d’exécution, il est bien plus simple de modifier une variable.

Concept§

En examinant le code du contrôleur de disquettes et le correctif, une façon d’éviter la vulnérabilité est de n’accepter aucune commande sur le port FIFO. Chaque requête aura comme réponse « Invalid command » (0x80). L’utilisateur ne pourra plus pousser aucun octet avant de lire la réponse, ce qui provoquera une remise à zéro de la queue FIFO. Bien sûr, le contrôleur de disquette deviendra alors inopérant.

La liste des commandes acceptées par le contrôleur sur le port FIFO se trouve dans le tableau handlers[] :

static const struct {
    uint8_t value;
    uint8_t mask;
    const char* name;
    int parameters;
    void (*handler)(FDCtrl *fdctrl, int direction);
    int direction;
} handlers[] = {
    { FD_CMD_READ, 0x1f, "READ", 8, fdctrl_start_transfer, FD_DIR_READ },
    { FD_CMD_WRITE, 0x3f, "WRITE", 8, fdctrl_start_transfer, FD_DIR_WRITE },
    /* [...] */
    { 0, 0, "unknown", 0, fdctrl_unimplemented }, /* default handler */
};

Pour éviter de parcourir ce tableau pour chaque commande reçue, un autre tableau associe une commande à la fonction adéquate :

/* Associate command to an index in the 'handlers' array */
static uint8_t command_to_handler[256];

static void fdctrl_realize_common(FDCtrl *fdctrl, Error **errp)
{
    int i, j;
    static int command_tables_inited = 0;

    /* Fill 'command_to_handler' lookup table */
    if (!command_tables_inited) {
        command_tables_inited = 1;
        for (i = ARRAY_SIZE(handlers) - 1; i >= 0; i--) {
            for (j = 0; j < sizeof(command_to_handler); j++) {
                if ((j & handlers[i].mask) == handlers[i].value) {
                    command_to_handler[j] = i;
                }
            }
        }
    }
    /* [...] */
}

Notre modification consiste à changer le tableau command_to_handler[] pour associer toutes les commandes à la fonction fdctrl_unimplemented() (celle en dernière position dans le tableau handlers[]).

Test avec gdb§

Pour vérifier que cette modification fonctionne correctement, nous la testons avec gdb. À moins d’avoir compilé QEMU manuellement, il est nécessaire d’installer le paquet contenant les symboles de débogage. Malheureusement, chez Debian, ils ne sont pas encore3 disponibles. Chez Ubuntu, il suffit d’installer le paquet qemu-system-x86-dbgsym après avoir activé les dépôts appropriés.

La fonction suivante pour gdb implémente le correctif :

define patch
  set $handler = sizeof(handlers)/sizeof(*handlers)-1
  set $i = 0
  while ($i < 256)
   set variable command_to_handler[$i++] = $handler
  end
  printf "Done!\n"
end

Il suffit alors de s’attacher au processus vulnérable (avec attach), d’appeler cette fonction (avec patch) et de se détacher (avec detach). Cette procédure est simple à automatiser.

Limitations§

L’usage de gdb comporte principalement deux limitations :

  1. gdb doit être installé sur toutes les machines à corriger.
  2. Les paquets de débogage doivent également être présents. Il est de plus difficile de récupérer d’anciennes versions de ceux-ci.

Industrialisation§

Pour contourner ces limitations, nous allons écrire un programme utilisant l’appel système ptrace() et qui ne nécessite pas les symboles de débogage pour fonctionner.

Trouver l’emplacement mémoire§

La première étape est de localiser le tableau command_to_handler[] en mémoire. Le premier indice se trouve dans la table des symboles que l’on peut interroger avec readelf -s :

$ readelf -s /usr/lib/debug/.build-id/09/95121eb46e2a4c13747ac2bad982829365c694.debug | \
>   sed -n -e 1,3p -e /command_to_handler/p

Symbol table '.symtab' contains 27066 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
  8485: 00000000009f9d00   256 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   26 command_to_handler

Habituellement, cette table a été retirée pour économiser de l’espace disque, comme on peut le voir ci-dessous :

$ file -b /usr/bin/qemu-system-x86_64 | tr , \\n
ELF 64-bit LSB shared object
 x86-64
 version 1 (SYSV)
 dynamically linked
 interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
 for GNU/Linux 2.6.32
 BuildID[sha1]=0995121eb46e2a4c13747ac2bad982829365c694
 stripped

Si votre distribution fournit un paquet de débogage, les symboles sont alors installés dans le répertoire /usr/lib/debug. La plupart des distributions modernes utilisent désormais le build ID4 pour lier un exécutable à ses symboles de débogage, comme c’est le cas dans l’exemple ci-dessus. Sans paquet de débogage, il est nécessaire de recompiler le paquet dans un environnement minimal5 sans supprimer les symboles. Sur Debian, cela peut se faire en affectant nostrip à la variable d’environnement DEB_BUILD_OPTIONS.

Il y a ensuite deux cas possibles :

  • le cas facile,
  • le cas difficile.

Le cas facile§

Sur x86, la mémoire d’un processus Linux normal est organisée comme ceci6 :

Organisation mémoire d'un processus normal sur x86

L’espace aléatoire introduit entre les différentes zones (ASLR) permettent de rendre la tâche d’un attaquant plus difficile quand il veut référencer une fonction particulière. Sur x86-64, l’organisation est similaire. Le point important est que l’adresse de base de l’exécutable est fixe.

L’organisation mémoire d’un processus peut être consultée à travers le fichier /proc/PID/maps. Voici une version raccourcie et annotée sur x86-64 :

$ cat /proc/3609/maps
00400000-00401000         r-xp 00000000 fd:04 483  not-qemu [text segment]
00601000-00602000         r--p 00001000 fd:04 483  not-qemu [data segment]
00602000-00603000         rw-p 00002000 fd:04 483  not-qemu [BSS segment]
[random gap]
02419000-0293d000         rw-p 00000000 00:00 0    [heap]
[random gap]
7f0835543000-7f08356e2000 r-xp 00000000 fd:01 9319 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f08356e2000-7f08358e2000 ---p 0019f000 fd:01 9319 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f08358e2000-7f08358e6000 r--p 0019f000 fd:01 9319 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f08358e6000-7f08358e8000 rw-p 001a3000 fd:01 9319 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f08358e8000-7f08358ec000 rw-p 00000000 00:00 0
7f08358ec000-7f083590c000 r-xp 00000000 fd:01 5138 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f0835aca000-7f0835acd000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0835b08000-7f0835b0c000 rw-p 00000000 00:00 0
7f0835b0c000-7f0835b0d000 r--p 00020000 fd:01 5138 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f0835b0d000-7f0835b0e000 rw-p 00021000 fd:01 5138 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f0835b0e000-7f0835b0f000 rw-p 00000000 00:00 0
[random gap]
7ffdb0f85000-7ffdb0fa6000 rw-p 00000000 00:00 0    [stack]

Dans le cas d’un exécutable normal, le nombre fourni dans la table des symboles est une adresse absolue :

$ readelf -s not-qemu | \
>   sed -n -e 1,3p -e /command_to_handler/p

Symbol table '.dynsym' contains 9 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
    47: 0000000000602080   256 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   25 command_to_handler

Ainsi, dans l’exemple ci-dessus, l’adresse du tableau command_to_​handler[], est simplement 0x602080.

Le cas difficile§

Pour améliorer la sécurité, il est possible de placer certains exécutables à un emplacement aléatoire en mémoire, comme c’est le cas pour une bibliothèque. Un tel exécutable est appelé un Position Independent Executable (PIE). Un attaquant ne pourra pas se baser sur une adresse fixe pour rebondir sur une fonction particulière. Voici à quoi ressemble l’organisation mémoire d’un processus dans ce cas :

Organisation mémoire d'un processus PIE sur x86

Dans le cas d’un processus PIE, le nombre indiqué dans la table des symboles est relatif à l’adresse de base du processus.

$ readelf -s not-qemu-pie | sed -n -e 1,3p -e /command_to_handler/p

Symbol table '.dynsym' contains 17 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
    47: 0000000000202080   256 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   25 command_to_handler

En regardant le contenu de /proc/PID/maps, il est possible de calculer l’emplacement mémoire du tableau :

$ cat /proc/12593/maps
7f6c13565000-7f6c13704000 r-xp 00000000 fd:01 9319  /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f6c13704000-7f6c13904000 ---p 0019f000 fd:01 9319  /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f6c13904000-7f6c13908000 r--p 0019f000 fd:01 9319  /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f6c13908000-7f6c1390a000 rw-p 001a3000 fd:01 9319  /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so
7f6c1390a000-7f6c1390e000 rw-p 00000000 00:00 0
7f6c1390e000-7f6c1392e000 r-xp 00000000 fd:01 5138  /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f6c13b2e000-7f6c13b2f000 r--p 00020000 fd:01 5138  /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f6c13b2f000-7f6c13b30000 rw-p 00021000 fd:01 5138  /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.19.so
7f6c13b30000-7f6c13b31000 rw-p 00000000 00:00 0
7f6c13b31000-7f6c13b33000 r-xp 00000000 fd:04 4594  not-qemu-pie [text segment]
7f6c13cf0000-7f6c13cf3000 rw-p 00000000 00:00 0
7f6c13d2e000-7f6c13d32000 rw-p 00000000 00:00 0
7f6c13d32000-7f6c13d33000 r--p 00001000 fd:04 4594  not-qemu-pie [data segment]
7f6c13d33000-7f6c13d34000 rw-p 00002000 fd:04 4594  not-qemu-pie [BSS segment]
[random gap]
7f6c15c46000-7f6c15c67000 rw-p 00000000 00:00 0     [heap]
[random gap]
7ffe823b0000-7ffe823d1000 rw-p 00000000 00:00 0     [stack]

L’adresse de base est 0x7f6c13b31000, le décalage relatif est 0x202080 et donc le tableau se trouve à l’adresse mémoire 0x7f6c13d33080. Il est possible de vérifier cette valeur avec gdb : with gdb:

$ print &command_to_handler
$1 = (uint8_t (*)[256]) 0x7f6c13d33080 <command_to_handler>

Modifier un emplacement mémoire§

Une fois l’emplacement du tableau command_to_handler[] connu, le modifier est relativement simple. Il convient d’abord de s’attacher au processus cible :

/* Attach to the running process */
static int
patch_attach(pid_t pid)
{
    int status;

    printf("[.] Attaching to PID %d...\n", pid);
    if (ptrace(PTRACE_ATTACH, pid, NULL, NULL) == -1) {
        fprintf(stderr, "[!] Unable to attach to PID %d: %m\n", pid);
        return -1;
    }

    if (waitpid(pid, &status, 0) == -1) {
        fprintf(stderr, "[!] Error while attaching to PID %d: %m\n", pid);
        return -1;
    }
    assert(WIFSTOPPED(status)); /* Tracee may have died */

    if (ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, pid, NULL, &si) == -1) {
        fprintf(stderr, "[!] Unable to read siginfo for PID %d: %m\n", pid);
        return -1;
    }
    assert(si.si_signo == SIGSTOP); /* Other signals may have been received */

    printf("[*] Successfully attached to PID %d\n", pid);
    return 0;
}

Ensuite, récupérons le tableau command_to_handler[], modifions le et réécrivons le en mémoire7.

static int
patch_doit(pid_t pid, unsigned char *target)
{
    int ret = -1;
    unsigned char *command_to_handler = NULL;
    size_t i;

    /* Get the table */
    printf("[.] Retrieving command_to_handler table...\n");
    command_to_handler = ptrace_read(pid,
                                     target,
                                     QEMU_COMMAND_TO_HANDLER_SIZE);
    if (command_to_handler == NULL) {
        fprintf(stderr, "[!] Unable to read command_to_handler table: %m\n");
        goto out;
    }

    /* Check if the table has already been patched. */
    /* [...] */

    /* Patch it */
    printf("[.] Patching QEMU...\n");
    for (i = 0; i < QEMU_COMMAND_TO_HANDLER_SIZE; i++) {
        command_to_handler[i] = QEMU_NOT_IMPLEMENTED_HANDLER;
    }
    if (ptrace_write(pid, target, command_to_handler,
           QEMU_COMMAND_TO_HANDLER_SIZE) == -1) {
        fprintf(stderr, "[!] Unable to patch command_to_handler table: %m\n");
        goto out;
    }
    printf("[*] QEMU successfully patched!\n");
    ret = 0;

out:
    free(command_to_handler);
    return ret;
}

Comme ptrace() ne permet de lire et d’écrire qu’un mot à la fois, ptrace_read() et ptrace_write() sont des enrobages pour lire et écrire une quantité arbitraire de mémoire. Voici par exemple le code de ptrace_read() :

/* Read memory of the given process */
static void *
ptrace_read(pid_t pid, void *address, size_t size)
{
    /* Allocate the buffer */
    uword_t *buffer = malloc((size/sizeof(uword_t) + 1)*sizeof(uword_t));
    if (!buffer) return NULL;

    /* Read word by word */
    size_t readsz = 0;
    do {
        errno = 0;
        if ((buffer[readsz/sizeof(uword_t)] =
                ptrace(PTRACE_PEEKTEXT, pid,
                       (unsigned char*)address + readsz,
                       0)) && errno) {
            fprintf(stderr, "[!] Unable to peek one word at address %p: %m\n",
                    (unsigned char *)address + readsz);
            free(buffer);
            return NULL;
        }
        readsz += sizeof(uword_t);
    } while (readsz < size);
    return (unsigned char *)buffer;
}

Assembler les morceaux§

Le programme prend en paramètre :

  • le PID du processus à modifier,
  • le décalage issu de la table des symboles pour le tableau command_to_handler[],
  • le build ID de l’exécutable utilisé pour obtenir ce décalage (à des fins de sécurité).

Les principales étapes sont alors les suivantes :

  1. S’Attacher au processus avec ptrace().
  2. Obtenir le nom de l’exécutable depuis /proc/PID/exe.
  3. Lire le fichier /proc/PID/maps afin de trouver l’adresse de base.
  4. Effectuer certaines vérifications supplémentaires:
    • vérifier qu’il y a bien un entête ELF à l’adresse de base (via quatre octets magiques),
    • vérifier le type de l’exécutable (ET_EXEC pour les exécutables normaux, ET_DYN pour les PIE),
    • récupérer et comparer le build ID avec celui attendu.
  5. À partir de l’adresse de base et du décalage fourni, calculer l’emplacement du tableau command_to_handler[].
  6. Modifier le tableau.

Les sources du programme sont disponibles sur GitHub.

$ ./patch --build-id 0995121eb46e2a4c13747ac2bad982829365c694 \
>         --offset 9f9d00 \
>         --pid 16833
[.] Attaching to PID 16833...
[*] Successfully attached to PID 16833
[*] Executable name is /usr/bin/qemu-system-x86_64
[*] Base address is 0x7f7eea912000
[*] Both build IDs match
[.] Retrieving command_to_handler table...
[.] Patching QEMU...
[*] QEMU successfully patched!

  1. Le code complet pour ce test est disponible sur GitHub

  2. Un projet qui semble intéressant est Katana. Mais il existe aussi un quelques papiers perspicaces sur le sujet. 

  3. Certains paquets fournissent également un paquet -dbg contenant les symboles de débogage. D’autres non. Une initiative pour produire automatiquement des paquets de débogage est actuellement en cours. 

  4. Le wiki de Fedora explique les raisons derrière cette décision

  5. Si la construction ne se fait pas à l’identique du paquet original, les build ID seront différents. L’information fournie par les symboles de débogage peut alors être ou non correcte. Une initiative pour s’assurer de la reproductabilité de la construction de tous les paquets est en cours. 

  6. « Anatomy of a program in memory » explique plus en détail cette organisation. 

  7. En étant une variable statique non initialisée, la variable se situe dans la section BSS qui se retrouve accessible en écriture en mémoire. Si ce n’était pas le cas, sous Linux, l’appel système ptrace() permet tout de même d’écrire dessus. Linux va copier la page correspondante et la marquer comme privée.