Linux内核BPF Ringbuf缓冲区重叠漏洞分析与利用 (CVE-2024-41009)

1. 漏洞概述

本漏洞存在于Linux内核的BPF环形缓冲区(bpf ringbuf)实现中，允许攻击者通过精心构造的内存操作，使第二个分配的内存块与第一个内存块重叠，从而修改第一个内存块的头部结构。这可能导致内核崩溃或权限提升。

2. 背景知识

2.1 BPF环形缓冲区结构

BPF环形缓冲区内部实现为一个大小为2的幂次方的循环缓冲区，使用两个逻辑计数器：

• consumer_pos: 表示消费者消费数据的位置（用户空间可读写）
• producer_pos: 表示生产者已保留的数据量（用户空间只读）

结构体定义如下：

struct bpf_ringbuf {
    wait_queue_head_t waitq;
    struct irq_work work;
    u64 mask;
    struct page **pages;
    int nr_pages;
    spinlock_t spinlock ____cacheline_aligned_in_smp;
    atomic_t busy ____cacheline_aligned_in_smp;
    unsigned long consumer_pos __aligned(PAGE_SIZE); // 用户空间可读写
    unsigned long producer_pos __aligned(PAGE_SIZE); // 用户空间只读
    unsigned long pending_pos;
    char data[] __aligned(PAGE_SIZE);
};

2.2 环形缓冲区记录头

BPF_FUNC_ringbuf_reserve函数用于从BPF_MAP_TYPE_RINGBUF中分配内存，预留8字节空间用于记录头部结构：

/* 8字节的环形缓冲区记录头结构 */
struct bpf_ringbuf_hdr {
    u32 len;
    u32 pg_off;
};

3. 漏洞分析

3.1 漏洞原理

正常情况下，eBPF程序无法修改bpf_ringbuf_hdr，因为它位于内存块外部。但通过以下步骤可以绕过这一限制：

1. 用户空间修改&rb->consumer_pos值
2. 使得第二次分配的内存块与第一次分配的内存块重叠
3. 通过重叠区域修改第一个内存块的头部

3.2 具体利用步骤

1. 创建大小为0x4000的BPF_MAP_TYPE_RINGBUF
2. 在调用BPF_FUNC_ringbuf_reserve前将consumer_pos修改为0x3000
3. 分配块A（位于[0x0, 0x3008]），eBPF程序可编辑[0x8, 0x3008]
4. 分配块B（大小为0x3000），由于consumer_pos已修改，检查会通过
5. 块B位于[0x3008, 0x6010]，eBPF程序可编辑[0x3010, 0x6010]

3.3 内核检查逻辑

static void *__bpf_ringbuf_reserve(struct bpf_ringbuf *rb, u64 size) {
    ...
    len = round_up(size + BPF_RINGBUF_HDR_SZ, 8);
    ...
    prod_pos = rb->producer_pos;
    new_prod_pos = prod_pos + len;
    
    /* 检查环形缓冲区是否溢出 */
    if (new_prod_pos - cons_pos > rb->mask) {
        // 失败路径
        spin_unlock_irqrestore(&rb->spinlock, flags);
        return NULL;
    }
    // 成功路径
}

由于cons_pos被修改为0x3000，new_prod_pos为0x6010，rb->mask为0x4000-1，条件满足，分配成功。

3.4 内存布局

环形缓冲区内存布局特点：

• 每个数据页面被映射两次，实现"虚拟"连续读取
• [0x0, 0x4000]和[0x4000, 0x8000]指向相同的数据页面
• 可通过[0x4000, 0x4008]访问块B，这将指向块A的头部

4. 漏洞利用

4.1 控制流劫持

1. 修改块A的pg_off为2，使bpf_ringbuf_restore_from_rec计算的元数据页面指向rb->consumer_pos
2. 用户空间通过mmap控制rb->consumer_pos内容
3. 构造bpf_ringbuf中的work字段
4. 调用bpf_ringbuf_commit时传入BPF_RB_FORCE_WAKEUP，触发irq_work_queue(&rb->work)
5. 内核执行构造的irq_work函数指针

4.2 KASLR绕过

参考现有技术绕过内核地址空间布局随机化(KASLR)。

4.3 ROP链构造

利用以下ROP小工具进行堆栈跳转：

0x00000000004b78b1 : push rbx ; or byte ptr [rbx + 0x41], bl ; pop rsp ; pop r13 ; pop rbp ; ret

特点：

• RBX/RDI包含work字段地址
• 可控制从RDI + 0x18开始的ROP数据
• 通过ROP链覆盖core_pattern触发漏洞

5. 防御建议

1. 加强对consumer_pos的修改权限控制
2. 增加内存分配时的重叠检查
3. 更新到已修复该漏洞的内核版本

6. 参考资源

• Google Security Research漏洞文档
• 相关内核源码：kernel/bpf/ringbuf.c