Ubuntu内核OverlayFS权限逃逸误差剖析（CVE-2021-3493）
宣布时间 2021-04-29背 景
凭证官方先容，，，，，，OverlayFs误差允许Ubuntu下的外地用户获得root权限。 。。。这个误差是Ubuntu系统中的特定问题，，，，，，在该问题中，，，，，，未准确验证关于用户namespace文件系统功效的应用程序。 。。。由于Ubuntu附带了一个允许非特权的Overlayfs挂载的补丁，，，，，，连系这个补丁挂载Overlayfs可以权限逃逸，，，，，，抵达权限提升的目的。 。。。
影响版本
Ubuntu 20.10
Ubuntu 20.04 LTS
Ubuntu 18.04 LTS
Ubuntu 16.04 LTS
Ubuntu 14.04 ESM
误差复现
首先审查内核版本，，，，，，为受影响版本编译exploit后执行，，，，，，提权乐成。 。。。如下图所示：
相关先容
（1）虚拟文件系统
为支持种种本机文件系统，，，，，，且在同时允许会见其他操作系统的文件，，，，，，Linux内核在用户历程（或C标准库）和文件系统实现之间引入了一个笼统层。 。。。该笼统层称之为虚拟文件系统（Virtual File System）简称VFS，，，，，，如下图所示：
VFS为所有的文件系统提供了统一的接口，，，，，，对每个详细文件系统的会见要通过VFS界说的接口来实现。 。。。VFS笼统了几个主要的结构：super_block，，，，，，dentry，，，，，，inode，，，，，，file，，，，，，通过这些结构将一个真实的文件舷笼统到内存中，，，，，，从而通过治理这些工具对文件系统举行操作。 。。。
（2）Overlay文件系统
OverlayFS是一个面向Linux的文件系统效劳，，，，，，着实现一个面向其他文件系统的联合挂载。 。。。它于2014年被合并到Linux内核的3.18版本。 。。。OverlayFS的主要机制涉及到两个文件系统，，，，，，提供统一名称的目录时，，，，，，目录会见合并。 。。。除此之外，，，，，，OverlayFS泛起其中一个所爆发的工具，，，，，，“上层”文件系统优先。 。。。OverlayFS与其他笼罩型文件系统差别，，，，，，OverlayFS合并的目录子树纷歧定是来自差别的文件系统。 。。。效果如下图所示：
其挂载文件的基本下令如下：
mount -t overlay overlay -o lowerdir=lower1:lower2:lower3,upperdir=upper,workdir=work merged。 。。。
其中“lower1:lower2:lower3”体现差别的lower层目录，，，，，，差别的目录使用“:”脱离，，，，，，条理关系依次为lower1 > lower2 > lower3（注：多lower层功效支持在Linux-4.0合入，，，，，，Linux-3.18版本只能指定一个lower dir）,然后upper和work目录划分体现：upper层目录和文件系统挂载后，，，，，，用于存放暂时和间接文件的事情基目录（work base dir），，，，，，最后的merged目录就是最终的挂载点目录。 。。。若一切顺遂，，，，，，在执行以上下令后，，，，，，overlayfs就乐成挂载到merged目录下了。 。。。
（3）capabilitiy
为了举行权限检查，，，，，，Linux系统将历程分为了两类：privileged历程（effective UID为0）和 unprivileged 历程（effective UID为非0）。 。。。privileged历程可以绕过所有的内核权限检查，，，，，，而unprivileged 历程要举行严酷的权限检查。 。。。从2.2版本的内核最先，，，，，，linux对权限举行了细分，，，，，，分为多种差别的权限，，，，，，称之为capability。 。。。capability可以作用在历程上，，，，，，也可以作用在程序文件上。 。。。现在，，，，，，Linux系统上实现了37种capability。 。。。
每个历程都有五个capability荟萃：Permitted，，，，，，Inheritable，，，，，，Effective，，，，，，Ambient，，，，，，Bounding。 。。。文件的capability生涯在文件的扩展属性security.capability中。 。。。文件有三个capabilitiy荟萃：Permitted，，，，，，Inheritable，，，，，，Effective。 。。。文件的capability和历程的capability一起来决议在执行execve后，，，，，，历程的capability。 。。。
误差原理
（1）OverlayFS挂载
通常情形下，，，，，，挂载文件系统是需要特权的，，，，，，可是在Ubuntu系统中，，，，，，通俗用户便可以挂载OverlayFS。 。。。以5.4.0版本内核主线代码为例，，，，，，ovl_fs_type结构体界说如下图所示：
以Ubuntu20.04的内核补丁linux_5.4.0-26.30.diff为例，，，，，，补丁如下图所示：
添加了fs_flags数据域，，，，，，并设置为FS_USERNS_MOUNT，，，，，，体现将允许一个通俗用户在低权限用户命名空间中mout一个overlayfs文件系统。 。。。当去mount一个overlayfs文件系统时，，，，，，挪用路径如下图所示：
会挪用到do_new_mount()函数，，，，，，该函数是建设一个新的mount，，，，，，并将其放入namespace树中，，，，，，实现代码如下图所示：
行2792，，，，，，获取要挂载的文件系统类型，，，，，，这里是overlay。 。。。然后就是举行capabilitiy校验，，，，，，如下图所示：
由于fs_flags被设置为FS_USERNS_MOUNT，，，，，，进入ns_capable()函数，，，，，，最后通过磨练后，，，，，，如下图所示：
并且设置current->flags为PF_SUPERPRIV，，，，，，即在目今历程上设置超等权限，，，，，，并返回ture。 。。。以是通过挂载overlay文件系统，，，，，，目今历程具备了超等权限。 。。。
（2）权限逃逸
该误差是在setxattr()函数中爆发的，，，，，，当对文件扩展属性的capabilitiy举行设置时，，，，，，权限校验不彻底。 。。。下面是"SSD Secure Disclosure"披露的Exp执行情形，，，，，，挪用路径如下图所示：
这里pathname为“./ovlcap/merge/magic”，，，，，，行468，，，，，，挪用cap_convert_nscap()函数，，，，，，将要设置的cap转换到nscap中，，，，，，如下图所示：
进入cap_convert_nscap()函数，，，，，，举行相关检测后，，，，，，若是是capabilitiy版本2，，，，，，则直接挪用ns_capable()举行磨练，，，，，，凭证注释可知，，，，，，若是user有超等权限，，，，，，直接写入并返回。 。。。
毫无疑问，，，，，，这里肯定是磨练通过的。 。。。打印要害内存，，，，，，如下图所示：
寄存器rax为0x1，，，，，，体现返回ture。 。。。由于目今会见的inode属于overlay文件系统的。 。。。从cap_convert_nscap()函数准确返回后，，，，，，随即进入vfs_setxattr()函数，，，，，，这是第一次进入。 。。。接下来就是分发到overlay文件系统对应的ovl_xattr_set()函数中，，，，，，挪用路径如下图所示：
看ovl_xattr_set()函数的部分实现代码，，，，，，获取upperdentry和realdentry，，，，，，如下图所示：
获取后，，，，，，打印upperdentry和realdentry内存，，，，，，如下图所示：
凭证overlay文件系统特征，，，，，，这里的upperdentry和realdentry应该是“./ovlcap/upper”目录下的magic的目录项，，，，，，打印内存可知，，，，，，如下图所示：
确定真实的dentry后，，，，，，第二次挪用vfs_setxattr()函数，，，，，，如下图所示：
此时的dentry是属于ext3文件系统的，，，，，，打印内存可知，，，，，，如下图所示：
到此可知，，，，，，现实上是对ext3文件系统下的“./ovlcap/upper/magic”举行设置cap。 。。。权限逃逸历程如下图所示：
误差使用剖析
"SSD Secure Disclosure"官方已经披露了相关Exp，，，，，，详细剖析如下：
这里界说后面挂载overlay文件系统的文件夹名称:
并自界说xmkdir函数建设这些文件夹:
然后获取目今用户的uid和gid：
建设新的user namespace，，，，，，由于overlayfs mount需要CAP_SYS_MOUNT能力，，，，，，因此需要新建一个NEWUSER的namespace，，，，，，这样就具有CAP_SYS_MOUNT，，，，，，
CLONE_NEWNS和CLONE_NEWUSER界说：
用目今用户的uid和gid等改写/proc/self下的对应文件，，，，，，并且用该权限下的namespace挂载overlayfs，，，，，，前面简介说了，，，，，，由于ubuntu的补丁保存，，，，，，该操作是正当的。 。。。
对应目录下可以看到我们修改了的文件，，，，，，通过/proc/self/exe可以找到目今历程的二进制实体（文件）：
继续回到exp中，，，，，，下面结构了一个cap，，，，，，改cap界说的permitted为0xffffffff，，，，，，并且开启Effective，，，，，，然后将/proc/self下的文件拷贝到merge文件夹下，，，，，，凭证overlay文件系统特征，，，，，，这个拷贝历程现实是建设./ovlcap/upper/magic文件，，，，，，最后挪用setxattr()函数，，，，，，将cap设置到./ovlcap/merge/magic上面。 。。。
凭证前文误差原理先容，，，，，，权限逃逸后，，，，，，此时属于ext3文件系统的./ovlcap/upper/magic文件的capabilitiy为all+ep，，，，，，便可以使用capabilitiy举行权限提升，，，，，，接着启动./ovlcap/upper/magic历程，，，，，，该历程的capabilitiy已具备all+ep，，，，，，然后举行setuid(0)和setgid(0)提权操作，，，，，，这是被允许的。 。。。
补丁跟踪
误差成因在上面已经先容了，，，，，，这里的补丁也很彻底，，，，，，将cap_convert_nscap放入了vfs_setxattr中，，，，，，即每次进入vfs_setxattr()函数时，，，，，，都先举行权限校验，，，，，，判断capabilitiy和命名空间的权限是否匹配。 。。。
参考链接：
[1] https://cve.mitre.org/cgi-bin/cvename.cgi?name=CVE-2021-3493
[2] https://access.redhat.com/security/cve/cve-2021-3493
[3] https://ubuntu.com/security/CVE-2021-3493
[4] https://github.com/briskets/CVE-2021-3493
[5] https://cve.report/CVE-2021-3493.pdf
[6] https://blog.csdn.net/qq_15770331/article/details/96699386
[7] https://lwn.net/Articles/671641/
[8] https://bugs.launchpad.net/ubuntu/+source/linux/+bug/1793458/comments/4
[9] https://git.launchpad.net/~ubuntu-kernel/ubuntu/+source/linux/+git/xenial/commit/?id=98a3740920f8f3362c1ac50598af2dc632f5051a
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