eBPF与Spectre漏洞分析：CVE-2018-3639和CVE-2019-7308深入解析

前言

本文深入分析两个与eBPF相关的Spectre漏洞：CVE-2018-3639（Spectre变种4）和CVE-2019-7308（Spectre变种1补丁不完善导致的问题）。这些漏洞利用了现代CPU的推测执行特性，通过eBPF子系统实现侧信道攻击。

1. Spectre变种4 (CVE-2018-3639) 与eBPF

1.1 Speculative Store Bypass原理

Spectre变种4又称Speculative Store Bypass (SSB)，其核心原理如下：

考虑以下代码序列：

01: 88040F mov [rdi+rcx],al
02: 4C0FB6040E movzx r8,byte [rsi+rcx]
03: 49C1E00C shl r8,byte 0xc
04: 428B0402 mov eax,[rdx+r8]

攻击场景：

1. 第1行的MOV指令可能因地址计算等待而延迟执行
2. CPU可能推测MOVZX指令(第2行)不依赖MOV指令(第1行)
3. 在MOV指令执行前就执行MOVZX指令
4. 导致加载了RSI+RCX处的旧数据而非更新后的数据
5. 最终第4行使用了错误的数据

1.2 eBPF利用实现

Project Zero提供的利用CVE-2018-3639攻击eBPF的EXP需要对Linux内核进行修改：

1. 在eBPF系统调用中添加处理0x13370001的特殊命令
2. 添加map_time_flush_loc函数，用于测量读取特定内存位置的时间
3. 添加bpf_clflush_mfence_proto helper函数，用于清空缓存

eBPF指令分析

关键eBPF指令及其伪代码注释：

1. 初始化设置：

   • 获取需要泄露的内存地址
   • 设置leak_map偏移2048处为基准点

2. 关键操作序列：

   • r1 = r7并清空缓存
   • r3 = fp-216（设置探测点）
   • 利用*(u64 *)(r8) = r3执行慢的特性，提前执行r1 = *(u64 *)(r6)获取目标地址
   • r2 = *(u8 *)(r1)获取目标值

3. 探测逻辑：

   • 对于sockfds[bit+8]，*(u8 *)(fp-216) = 0x00
   • 对于sockfds[bit+0]，*(u8 *)(fp-216) = 0xff
   • 根据读取leak_map不同偏移的时间差判断bit值：
     • 读取leak_map偏移2048+0x1000时间短 → bit=1
     • 读取leak_map偏移2048时间短 → bit=0

实际利用示例

泄露内核符号core_pattern的值：

$ sudo grep core_pattern /proc/kallsyms
ffffffff9b2954e0 D core_pattern
$ gcc -o bpf_store_skipper_assisted bpf_store_skipper_assisted.c
$ time ./bpf_store_skipper_assisted ffffffff9b2954e0 5
...
ffffffff9b2954e0: 0x63 ( 'c' )
ffffffff9b2954e1: 0x6f ( 'o' )
ffffffff9b2954e2: 0x72 ( 'r' )
ffffffff9b2954e3: 0x65 ( 'e' )
ffffffff9b2954e4: 0x00 ( '' )

2. Spectre变种1补丁不完善导致的CVE-2019-7308

2.1 Bounds Check Bypass原理

Spectre变种1又称Bounds Check Bypass (BCB)，其核心原理：

考虑以下代码：

if (untrusted_offset_from_caller < arr1->length) {
    unsigned char value = arr1->data[untrusted_offset_from_caller];
    unsigned long index2 = ((value&1)*0x100)+0x200;
    if (index2 < arr2_length) {
        unsigned char value2 = arr2->data[index2];
    }
}

攻击场景：

1. CPU可能不检查if条件就推测其为真
2. 提前将arr1->data[untrusted_offset_from_caller]加载到缓存
3. 即使发现推测错误回滚指令，缓存状态仍保留
4. 通过侧信道攻击可获取越界访问的数据

2.2 eBPF补丁不完善问题

原始补丁措施：

• 在每个数组元素访问操作中将索引与掩码相与，避免越界访问
• 对于非CAP_SYS_ADMIN用户创建的map，在JIT代码中添加相同操作

补丁缺陷：

• 未正确处理数组指针计算的情况
• 例如ptr += val或val += ptr等操作未充分保护

2.3 利用方式分析

利用程序包含两个关键结构体：

1. mem_leaker_prog：主攻击程序
2. array_timed_reader_prog：用于时间测量

攻击步骤：

1. 设置mem_leaker_prog.data_map偏移0x1200、0x2000和0x3000处为1
2. 通过leak_byte函数调用leak_bit逐bit泄露内存

eBPF指令分析

关键指令序列：

1. 获取12-bit_index和byte_offset参数
2. 读取data_map偏移0x1200处的值（已知为1）
3. 通过BPF_AND和BPF_OR延长执行时间，促使BPF_JGT推测执行失败
4. r4 = *(u8 *)(r4)读取目标内存
5. 根据bit值：
   • bit=1：访问data_map偏移0x3000
   • bit=0：访问data_map偏移0x2000
6. 通过测量两个偏移的访问时间差确定bit值

2.4 完整补丁方案

完整补丁需要考虑：

1. 值可能存在于源寄存器(ptr+=val)或目的寄存器(val+=ptr)
2. limit取决于ALU操作类型(加/减)和偏移量正负

retrieve_ptr_limit函数逻辑：

• 加法操作但偏移为负，或减法操作但偏移为正 → 视为减法，mask_to_left=1
• 否则视为加法，mask_to_left=0
• 对于map指针：
  • 减法：limit = ptr_reg->umax_value + ptr_reg->off
  • 加法：limit = ptr_reg->map_ptr->value_size - (ptr_reg->smin_value + ptr_reg->off)
• 对于stack指针：
  • 减法：limit = MAX_BPF_STACK + off
  • 加法：limit = -off (其中off = ptr_reg->off + ptr_reg->var_off.value)

fixup_bpf_calls函数：

• 根据计算的limit对寄存器值进行掩码运算
• 彻底防止越界访问

3. 总结与防护建议

关键发现

1. eBPF子系统成为Spectre漏洞的重要攻击向量
2. 原始补丁未全面考虑所有指针运算场景
3. 通过精心构造的eBPF程序可绕过边界检查
4. 侧信道计时攻击是核心利用手段

防护措施

1. 及时更新内核，应用完整补丁
2. 限制非特权用户的eBPF使用
3. 启用所有Spectre变种的缓解措施
4. 监控异常的eBPF程序行为

进一步研究资源

CPU漏洞相关研究资料：
https://github.com/houjingyi233/CPU-vulnerability-collections

参考资料

1. Reading privileged memory with a side-channel
2. 深入分析Ubuntu本地提权漏洞—【CVE-2017-16995】
3. http://man7.org/linux/man-pages/man2/bpf.2.html
4. Linux CVE-2017-16995整数扩展问题导致提权漏洞分析
5. Issue 1711: Linux: eBPF Spectre v1 mitigation is insufficient
6. https://www.kernel.org/doc/Documentation/networking/filter.txt
7. Analysis and mitigation of speculative store bypass (CVE-2018-3639)
8. Issue 1528: speculative execution, variant 4: speculative store bypass