本帖最后由 楚轩 于 2015-8-18 09:56 编辑
Black Hat USA 2015正在进行，在微软安全响应中心公布的最新贡献榜单中，绿盟科技安全研究员张云海位列第6位，绿盟科技安全团队（NSFST）位列28位，绿盟科技安全团队（NSFST）常年致力于发现并解决计算机以及网络系统中存在的各种安全缺陷。这篇《Windows 10执行流保护绕过问题及修复》是团队在此次大会上分享的主要内容 0x00 Content
执行流保护（CFG)CFG原理绕过问题 CustomHeap::Heap对象绕过CFG问题修复 HeapPageAllocator::ProtectPages函数修复机制 0x01 内容摘要
Black Hat USA 2015正在进行，在微软安全响应中心公布的最新贡献榜单中，绿盟科技安全研究员张云海位列第6位，绿盟科技安全团队（NSFST）位列28位，绿盟科技安全团队（NSFST）常年致力于发现并解决计算机以及网络系统中存在的各种安全缺陷。这篇《Windows 10执行流保护绕过问题及修复》是团队在此次大会上分享的主要内容。 1. 1月22日，微软发布Windows 10技术预览版，Build号9926；2. 2月，绿盟科技安全团队（NSFST）展开对其安全机制的研究，发现并与微软一起解决了CFG绕过问题；3. 3月，微软发布补丁修复了CFG绕过问题；4. 7月21日，在绿盟科技Techworld技术大会上分享了此次研究成果；5. 8月7日，在Black Hat US 2015上进行演讲并发布分析文章。绿盟科技安全团队NSFST一直努力发现及修复计算机以及网络系统中存在的各种安全缺陷，如果您需要了解更多信息，请联系： 绿盟科技微博http://weibo.com/nsfocus绿盟科技微信号搜索公众号绿盟科技0x02 执行流保护（CFG）
攻击者常常溢出覆盖或者直接篡改寄存器EIP的值，篡改间接调用的地址，进而控制了程序的执行流程。执行流保护（CFG，Control Flow Guard）是微软从Windows 8.1 update 3及Windows 10技术预览版开始，默认启用的一项缓解技术。这项技术通过在间接跳转前插入校验代码，检查目标地址的有效性，进而可以阻止执行流跳转到预期之外的地点，最终及时并有效的进行异常处理，避免引发相关的安全问题。 这种思想及技术在业界有了较为成熟的应用，此次Windows 10将其引入，以便提高其安全性。但是绿盟科技安全团队（NSFST）在分析CFG的实现机制过程中，发现了CFG存在全面绕过的方法，随即向微软提报，并在随后的一段时间内，配合微软修复了这个问题。 0x03 CFG原理
在编译启用了CFG的模块时，编译器会分析出该模块中所有间接函数调用可达的目标地址，并将这一信息保存在Guard CF Function Table中。 :006> dds jscript9!\_load\_config\_used + 48 l562b21048 62f043fc jscript9!\_\_guard\_check\_icall\_fptr Guard CF Check Function Pointer62b2104c 00000000 Reserved62b21050 62b2105c jscript9!\_\_guard\_fids\_table Guard CF Function Table62b21054 00001d54 Guard CF Function Count62b21058 00003500 Guard Flags同时，编译器还会在所有间接函数调用之前插入一段校验代码，以确保调用的目标地址是预期中的地址。这是未启用CFG的情况： jscript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x15:66ee9558 8b03 mov eax,dword ptr [ebx]66ee955a 8bcb mov ecx,ebx66ee955c 56 push esi66ee955d ff507c call dword ptr [eax+7Ch]66ee9560 85c0 test eax,eax66ee9562 750b jne jscript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x2c (66ee956f)这是启用CFG的情况： ript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x1b:62c31e13 8b03 mov eax,dword ptr [ebx]62c31e15 8bfc mov edi,esp62c31e17 52 push edx62c31e18 8b707c mov esi,dword ptr [eax+7Ch]62c31e1b 8bce mov ecx,esi62c31e1d ff15fc43f062 call dword ptr [jscript9!\_\_guard\_check\_icall\_fptr (62f043fc)]62c31e23 8bcb mov ecx,ebx62c31e25 ffd6 call esi62c31e27 3bfc cmp edi,esp62c31e29 0f8514400c00 jne jscript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x33 (62cf5e43)操作系统在创建支持CFG的进程时，将CFG Bitmap映射到其地址空间中，并将其基址保存在ntdll!LdrSystemDllInitBlock+0x60中。 CFG Bitmap是记录了所有有效的间接函数调用目标地址的位图，出于效率方面的考虑，平均每1位对应8个地址（偶数位对应1个0x10对齐的地址，奇数位对应剩下的15个非0x10对齐的地址）。 提取目标地址对应位的过程如下： * 取目标地址的高24位作为索引i； * 将CFG Bitmap当作32位整数的数组，用索引i取出一个32位整数bits； * 取目标地址的第4至8位作为偏移量n； * 如果目标地址不是0x10对齐的，则设置n的最低位； * 取32位整数bits的第n位即为目标地址的对应位。 操作系统在加载支持CFG的模块时，根据其Guard CF Function Table来更新CFG Bitmap中该模块所对应的位。同时，将函数指针\_guard\_check\_icall\_fptr初始化为指向ntdll!LdrpValIDAteUserCallTarget。 ntdll!LdrpValidateUserCallTarget从CFG Bitmap中取出目标地址所对应的位，根据该位是否设置来判断目标地址是否有效。若目标地址有效，则该函数返回进而执行间接函数调用；否则，该函数将抛出异常而终止当前进程。 ll!LdrpValidateUserCallTarget:774bd970 8b1570e15377 mov edx,dword ptr [ntdll!LdrSystemDllInitBlock+0x60 (7753e170)]774bd976 8bc1 mov eax,ecx774bd978 c1e808 shr eax,8774bd97b 8b1482 mov edx,dword ptr [edx+eax\*4]774bd97e 8bc1 mov eax,ecx774bd980 c1e803 shr eax,3774bd983 f6c10f test cl,0Fh774bd986 7506 jne ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x1 (774bd98e)ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapCheck+0xd:774bd988 0fa3c2 bt edx,eax774bd98b 730a jae ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0xa (774bd997)ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet:774bd98d c3 retntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x1:774bd98e 83c801 or eax,1774bd991 0fa3c2 bt edx,eax774bd994 7301 jae ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0xa (774bd997)ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x9:774bd996 c3 ret0x04 绕过问题
通过上面的原理分析，我们发现CFG的实现中存在一个隐患，校验函数ntdll!LdrpValidateUserCallTarget是通过函数指针\_guard\_check\_icall\_fptr来调用的。 如果我们修改\_guard\_check\_icall\_fptr，将其指向一个合适的函数，就可以使任意目标地址通过校验，从而全面的绕过CFG。通常情况下，\_guard\_check\_icall\_fptr是只读的： 06> x jscript9!___guard_check_icall_fptr62f043fc jscript9!__guard_check_icall_fptr = <no type information>0:006> !address 62f043fcUsage: ImageBase Address: 62f04000End Address: 62f06000Region Size: 00002000State: 00001000 MEM_COMMITProtect: 00000002 PAGE_READONLYType: 01000000 MEM_IMAGEAllocation Base: 62b20000Allocation Protect: 00000080 (null)Image Path: C:\Windows\System32\jscript9.dllModule Name: jscript9Loaded Image Name: C:\Windows\System32\jscript9.dllMapped Image Name:但如果利用jscript9中的CustomHeap::Heap对象将其变成可读写的，那么就会出现问题了。 0x05 CustomHeap::Heap对象
CustomHeap::Heap是jscript9中用于管理私有堆的类，其结构如下： stomHeap::Heap+0x000 HeapPageAllocator : PageAllocator+0x060 HeapArenaAllocator : Ptr32 ArenaAllocator+0x064 PartialPageBuckets : [7] DListBase<CustomHeap::Page>+0x09c FullPageBuckets : [7] DListBase<CustomHeap::Page> +0x0d4 LargeObjects : DListBase<CustomHeap::Page>+0x0dc DecommittedBuckets : DListBase<CustomHeap::Page>+0x0e4 DecommittedLargeObjects : DListBase<CustomHeap::Page>+0x0ec CriticalSection : LPCRITICAL_SECTION当CustomHeap::Heap对象析构时，其析构函数会调用CustomHeap::Heap::FreeAll来释放所有分配的内存。 __thiscall CustomHeap::Heap::~Heap(CustomHeap::Heap *this){ CustomHeap::Heap *v1; // esi@1 v1 = this; CustomHeap::Heap::FreeAll(this); DeleteCriticalSection((LPCRITICAL_SECTION)((char *)v1 + 0xEC)); \'eh vector destructor iterator\'((int)((char *)v1 + 0x9C), 8u, 7, sub_10010390); \'eh vector destructor iterator\'((int)((char *)v1 + 0x64), 8u, 7, sub_10010390); return PageAllocator::~PageAllocator(v1);}CustomHeap::Heap::FreeAll 为每个Bucket对象调用CustomHeap::Heap::FreeBucket。 d __thiscall CustomHeap::Heap::FreeAll(CustomHeap::Heap *this){ CustomHeap::Heap *v1; // esi@1 signed int v2; // ebx@1 int v3; // edi@1 int v4; // ecx@2 v1 = this; v2 = 7; v3 = (int)((char *)this + 0x9C); do { CustomHeap::Heap::FreeBucket(v1, v3 - 0x38, (int)this); CustomHeap::Heap::FreeBucket(v1, v3, v4); v3 += 8; --v2; } while ( v2 ); CustomHeap::Heap::FreeLargeObject<1>(this); CustomHeap::Heap::FreeDecommittedBuckets(v1); CustomHeap::Heap::FreeDecommittedLargeObjects(v1);}CustomHeap::Heap::FreeBucket 遍历Bucket的双向链表，为每个节点的CustomHeap::Page 对象调用CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>。 __thiscall CustomHeap::Heap::FreeBucket(PageAllocator *this, int a2, int a3){ PageAllocator *v3; // edi@1 int result; // eax@2 int v5; // esi@3 int v6; // [sp+8h] [bp-8h]@1 int v7; // [sp+Ch] [bp-4h]@1 v3 = this; v6 = a2; v7 = a2; while ( 1 ) { result = SListBase<Bucket<AddPropertyCacheBucket>,FakeCount>::Iterator::Next(&v6); if ( !(_BYTE)result ) break; v5 = v7 + 8; CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>(v7 + 8); PageAllocator::ReleasePages(v3, *(void **)(v5 + 0xc), 1u, *(struct PageSegment **)(v5 + 4)); DListBase<CustomHeap::Page>::EditingIterator::RemoveCurrent<ArenaAllocator>(*((ArenaAllocator **)v3 + 0x18)); } return result;}CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4> 用以下参数调用VirtualProtect： lpAddress: CustomHeap::Page 对象的成员变量addressdwSize: 0x1000flNewProtect: PAGE_READWRITE RD __stdcall CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>(int a1) { DWORD result; // eax@3 DWORD flOldProtect; // [sp+4h] [bp-4h]@3 if ( (_BYTE *)(a1 + 1) || *(_BYTE *)a1 ) { result = 0; } else { flOldProtect = 0; VirtualProtect((LPVOID *)(a1 + 0xC), 0x1000u, 4u, &flOldProtect); result = flOldProtect; *(_BYTE *)(a1 + 1) = 1; } return result; } 将内存页面标记为PAGE_READWRITE， 这正是出现问题的关键地方。 0x06 绕过CFG
通过修改CustomHeap::Heap对象，我们可以将一个只读页面变成可读写的，从而可以改写函数指针\_guard\_check\_icall\_fptr的值。观察ntdll!LdrpValidateUserCallTarget在目标地址有效时执行的指令： mov eax,ecxshr eax,8mov edx,dword ptr [edx+eax*4]mov eax,ecxshr eax,3test cl,0Fhjne ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x1 (774bd98e)bt edx,eaxjae ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0xa (774bd997)ret从调用者的角度来看，上述指令与单条ret指令之间并没有本质区别。因此，将函数指针\_guard\_check\_icall\_fptr改写为指向ret指令，就可以使任意的目标地址通过校验，从而全面的绕过CFG。 0x07 问题修复
绿盟科技安全团队（NSFST）发现这一问题后，立即向微软报告了相关情况。微软很快修复了这一问题，并在2015年3月发布了相关的补丁。在该补丁中，微软引入了一个新的函数HeapPageAllocator::ProtectPages。 0x08 HeapPageAllocator::ProtectPages函数
__thiscall HeapPageAllocator::ProtectPages(HeapPageAllocator *this, LPCVOID lpAddress, unsigned int a3, struct Segment *a4, DWORD flNewProtect, unsigned __int32 *a6, unsigned __int32 a7){ unsigned __int32 v7; // ebx@1 unsigned int v8; // edx@2 int result; // eax@7 struct _MEMORY_BASIC_INFORMATION Buffer; // [sp+Ch] [bp-20h]@4 DWORD flOldProtect; // [sp+28h] [bp-4h]@7 v7 = (unsigned __int32)this; if ( (unsigned __int16)lpAddress & 0xFFF || (v8 = *((_DWORD *)a4 + 2), (unsigned int)lpAddress < v8) || (unsigned int)((char *)lpAddress - v8) > (*((_DWORD *)a4 + 3) - a3) << 12 || !VirtualQuery(lpAddress, &Buffer, 0x1Cu) || Buffer.RegionSize < a3 << 12 || a7 != Buffer.Protect ) { CustomHeap_BadPageState_fatal_error(v7); result = 0; } else { *a6 = Buffer.Protect; result = VirtualProtect((LPVOID)lpAddress, a3 << 12, flNewProtect, &flOldProtect); } return result;}这个函数是VirtualProtect的一个封装，在调用VirtualProtect之前对参数进行校验，如下： 检查lpAddress是否是0x1000对齐的；检查lpAddress是否大于Segment的基址；检查lpAddress加上dwSize是否小于Segment的基址加上Segment的大小；检查dwSize是否小于Region的大小；检查目标内存的访问权限是否等于指定的（通过参数）访问权限；任何一个检查项未通过，都会调用CustomHeap_BadPageState_fatal_error抛出异常而终止进程。 0x09 修复机制
CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>改为调用HeapPageAllocator::ProtectPages而不再直接调用VirtualProtect。 unsigned __int32 __thiscall CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>(HeapPageAllocator *this, int a2)2 {3 unsigned __int32 result; // eax@24 unsigned __int32 v3; // [sp+4h] [bp-4h]@55 6 if ( *(_BYTE *)(a2 + 1) || *(_BYTE *)a2 )7 {8 result = 0;9 }10 else11 {12 v3 = 0;13 HeapPageAllocator::ProtectPages(this, *(LPCVOID *)(a2 + 12), 1u, *(struct Segment **)(a2 + 4), 4u, &v3, 0x10u);14 result = v3;15 *(_BYTE *)(a2 + 1) = 1;16 }17 return result;18 }这里参数中指定的访问权限是PAGE_EXECUTE，从而防止了利用CustomHeap::Heap将只读内存页面变成可读写内存页面。
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发表于 2015-8-11 21:59
发表于 2015-8-18 09:47
