PS4 4.55 BPF竞争条件内核漏洞分析与利用

1. 漏洞概述

本漏洞是一个存在于FreeBSD内核中的竞争条件漏洞，主要影响PS4游戏机系统（4.55版本）。该漏洞存在于Berkeley Packet Filter (BPF)子系统中，允许攻击者在特定条件下实现内核代码执行。

1.1 漏洞影响范围

• 主要影响PS4 4.55系统
• 理论上影响所有未修复该漏洞的FreeBSD系统
• 在普通FreeBSD系统上利用条件更严格（需要/dev/bpf读写权限）

1.2 漏洞关键点

• 类型：竞争条件漏洞（TOCTOU问题）
• 涉及组件：BPF（Berkeley Packet Filter）子系统
• 利用条件：对/dev/bpf设备有读写权限
• 利用结果：内核代码执行

2. 背景知识

2.1 BPF子系统

BPF（Berkeley Packet Filter）是Unix-like系统中用于网络数据包过滤的机制。它包含：

1. BPF虚拟机：执行过滤程序的伪指令集
2. /dev/bpf设备：用户空间与BPF交互的接口

2.2 PS4的特殊情况

在PS4系统中，/dev/bpf设备的权限被设置为0666（所有用户可读写），而在标准FreeBSD系统中通常为0600（仅root可读写）。这使得该漏洞在PS4上更容易被利用。

3. 漏洞技术分析

3.1 漏洞根源

漏洞源于BPF子系统在处理过滤程序时的竞争条件问题，具体表现为：

1. 验证与使用分离：过滤程序先被验证（bpf_validate），然后被使用（bpf_filter）
2. 缺乏同步机制：验证和使用之间没有适当的锁定机制
3. 内存管理问题：过滤程序内存可以被释放和重新分配

3.2 关键数据结构

bpf_d结构体中的相关字段：

struct bpf_d {
    caddr_t bd_hbuf;    /* hold slot */         // Offset: 0x18
    int bd_hlen;        /* current length */    // Offset: 0x2C
    int bd_bufsize;     /* buffer size */       // Offset: 0x30
    // ...
};

这些字段可用于构造任意内核内存读取原语。

3.3 BPF指令处理

BPF虚拟机指令集中，BPF_STX指令特别值得关注：

case BPF_STX:
    mem[pc->k] = X;  // 将寄存器X的值写入mem数组的pc->k位置
    continue;

正常情况下，pc->k会被验证确保不越界，但竞争条件可以绕过这一验证。

4. 漏洞利用原理

4.1 利用思路

通过竞争条件实现：

1. 设置一个合法的过滤程序通过验证
2. 在验证后但执行前替换为恶意过滤程序
3. 利用恶意过滤程序实现内存写操作

4.2 具体步骤

1. 线程1：不断设置合法的过滤程序（通过验证）
2. 线程2：不断设置无效过滤程序，触发内存释放和重新分配
3. 线程3：持续对bpf设备执行写操作

当竞争成功时，合法的过滤程序会被恶意指令替换，但系统仍会执行这些"已验证"的指令。

4.3 内存破坏

利用BPF_STX指令实现：

1. 覆盖堆栈上的返回地址
2. 构造ROP链实现内核代码执行
3. 通过bd_hbuf等字段实现内核内存读取

5. 漏洞利用细节

5.1 关键函数分析

1. bpf_setf()：设置过滤程序

   • 检查并释放旧过滤程序
   • 分配新内存
   • 复制并验证用户提供的指令

2. bpfwrite()：执行写操作

   • 调用bpf_movein()
   • 最终执行bpf_filter()运行过滤程序

3. bpf_filter()：实际执行过滤指令

   • 无锁执行
   • 使用可能已被释放的内存

5.2 竞争条件触发

1. 时间线：

   • T0：线程1设置合法过滤程序，通过验证
   • T1：线程2触发过滤程序内存释放
   • T2：线程2分配新内存并填充恶意指令
   • T3：线程3执行写操作，运行"已验证"的恶意指令

2. 关键点：

   • 验证和执行之间的时间窗口
   • 内存释放和重新分配的时机
   • 多线程同步的精确控制

6. 防御与缓解

6.1 官方修复

FreeBSD和索尼应采取的修复措施：

1. 为过滤程序执行添加适当的锁定机制
2. 加强验证与执行之间的一致性检查
3. 限制/dev/bpf设备的默认权限

6.2 系统加固

对于无法立即升级的系统：

1. 修改/dev/bpf权限为0600
2. 禁用不必要的BPF功能
3. 实施内核模块签名验证

7. 总结

PS4 4.55 BPF竞争条件漏洞展示了内核开发中同步机制的重要性。该漏洞利用涉及：

1. 对BPF子系统深入理解
2. 竞争条件的精确触发
3. 内核内存布局的利用
4. 多线程编程技巧

这个案例也提醒我们，即使是经过严格验证的代码路径，如果缺乏适当的同步保护，仍然可能导致严重的安全问题。