分析及防护:Win10 执行流保护绕过问题

分析及防护:Win10 执行流保护绕过问题

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分析及防护:Win10 执行流保护绕过问题

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

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

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。

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1. 122日,微软发布Windows 10技术预览版,Build9926
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. 721日,在绿盟科技Techworld技术大会上分享了此次研究成果;
5. 87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:

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。

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。

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0:006> dds jscript9!/_load/_config/_used + 48 l5
62b21048 62f043fc jscript9!/_/_guard/_check/_icall/_fptr Guard CF Check Function Pointer
62b2104c 00000000 Reserved
62b21050 62b2105c jscript9!/_/_guard/_fids/_table Guard CF Function Table
62b21054 00001d54 Guard CF Function Count
62b21058 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:

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jscript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x15:
66ee9558 8b03 mov eax,dword ptr [ebx]
66ee955a 8bcb mov ecx,ebx
66ee955c 56 push esi
66ee955d ff507c call dword ptr [eax+7Ch]
66ee9560 85c0 test eax,eax
66ee9562 750b jne jscript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x2c (66ee956f)

这是启用CFG的情况:

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jscript9!Js::JavascriptOperators::HasItem+0x1b:
62c31e13 8b03 mov eax,dword ptr [ebx]
62c31e15 8bfc mov edi,esp
62c31e17 52 push edx
62c31e18 8b707c mov esi,dword ptr [eax+7Ch]
62c31e1b 8bce mov ecx,esi
62c31e1d ff15fc43f062 call dword ptr [jscript9!/_/_guard/_check/_icall/_fptr (62f043fc)]
62c31e23 8bcb mov ecx,ebx
62c31e25 ffd6 call esi
62c31e27 3bfc cmp edi,esp
62c31e29 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。

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ntdll!LdrpValidateUserCallTarget:
774bd970 8b1570e15377 mov edx,dword ptr [ntdll!LdrSystemDllInitBlock+0x60 (7753e170)]
774bd976 8bc1 mov eax,ecx
774bd978 c1e808 shr eax,8
774bd97b 8b1482 mov edx,dword ptr [edx+eax/*4]
774bd97e 8bc1 mov eax,ecx
774bd980 c1e803 shr eax,3
774bd983 f6c10f test cl,0Fh
774bd986 7506 jne ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x1 (774bd98e)
ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapCheck+0xd:
774bd988 0fa3c2 bt edx,eax
774bd98b 730a jae ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0xa (774bd997)
ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet:
774bd98d c3 ret
ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x1:
774bd98e 83c801 or eax,1
774bd991 0fa3c2 bt edx,eax
774bd994 7301 jae ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0xa (774bd997)
ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x9:
774bd996 c3 ret

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:

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0:006> x jscript9!___guard_check_icall_fptr
62f043fc          jscript9!__guard_check_icall_fptr = <no type information>
0:006> !address 62f043fc
Usage:                  Image
Base Address:           62f04000
End Address:            62f06000
Region Size:            00002000
State:                  00001000    MEM_COMMIT
Protect:                00000002    PAGE_READONLY
Type:                   01000000    MEM_IMAGE
Allocation Base:        62b20000
Allocation Protect:     00000080    (null)
Image Path:             C:/Windows/System32/jscript9.dll
Module Name:            jscript9
Loaded Image Name:      C:/Windows/System32/jscript9.dll
Mapped 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。

CustomHeap::Heap对象

CustomHeap::Heap是jscript9中用于管理私有堆的类,其结构如下:

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CustomHeap::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。

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int __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。

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void __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>。

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int __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address
  • dwSize: 0x1000
  • flNewProtect: PAGE_READWRITE

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DWORD __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。

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:

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mov     edx,dword ptr [ntdll!LdrSystemDllInitBlock+0x60 (7753e170)]
mov     eax,ecx
shr     eax,8
mov     edx,dword ptr [edx+eax*4]
mov     eax,ecx
shr     eax,3
test    cl,0Fh
jne     ntdll!LdrpValidateUserCallTargetBitMapRet+0x1 (774bd98e)
bt      edx,eax
jae     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。

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。

HeapPageAllocator::ProtectPages函数

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int __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。

修复机制

CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>改为调用HeapPageAllocator::ProtectPages而不再直接调用VirtualProtect。

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unsigned __int32 __thiscall CustomHeap::Heap::EnsurePageReadWrite<1,4>(HeapPageAllocator *this, int a2)
{
  unsigned __int32 result; // eax@2
  unsigned __int32 v3; // [sp+4h] [bp-4h]@5
  if ( *(_BYTE *)(a2 + 1) || *(_BYTE *)a2 )
  {
    result = 0;
  }
  else
  {
    v3 = 0;
    HeapPageAllocator::ProtectPages(this, *(LPCVOID *)(a2 + 12), 1u, *(struct Segment **)(a2 + 4), 4u, &v3, 0x10u);
    result = v3;
    *(_BYTE *)(a2 + 1) = 1;
  }
  return result;
}

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。

参考文献

1 MJ0011. Windows 10 Control Flow Guard Internals

http://www.powerofcommunity.net/poc2014/mj0011.pdf

[2] Jack Tang. Exploring Control Flow Guard in Windows 10

http://sjc1-te-ftp.trendmicro.com/assets/wp/exploring-control-flow-guard-in-windows10.pdf

[3] Francisco Falcón. Exploiting CVE-2015-0311, Part II: Bypassing Control Flow Guard on Windows 8.1 Update 3

https://blog.coresecurity.com/2015/03/25/exploiting-cve-2015-0311-part-ii-bypassing-control-flow-guard-on-windows-8-1-update-3/

[4] Yuki Chen. The Birth of a Complete IE11 Exploit under the New Exploit Mitigations

https://www.syscan.org/index.php/download/get/aef11ba81927bf9aa02530bab85e303a/SyScan15%20Yuki%20Chen%20-%20The%20Birth%20of%20a%20Complete%20IE11%20Exploit%20Under%20the%20New%20Exploit%20Mitigations.pdf

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