网络安全之内核提权漏洞深入分析

2022-04-29 KaliMa

背景知识

本节内容描述了创建窗口时需要用到的结构体及函数：

用户态的窗口数据结构体：WNDCLASSEXW。
窗口数据保存在内核态时使用：tagWND和tagWNDK结构体。
用户态调用SetWindowLong可以设置窗口扩展内存数据，逆向分析SetWindowLong如何设置窗口扩展内存数据。

窗口类拥有如下属性结构，此处仅列出比较重要的结构：

typedef struct tagWNDCLASSEXW {
    UINT        cbSize;             //结构体的大小
    …
    UINT        style;              //窗口的风格
    WNDPROC     lpfnWndProc;        //处理窗口消息的回调函数地址
    int         cbClsExtra;         //属于此类窗口所有实例共同占用的内存大小
    int         cbWndExtra;         //窗口实例扩展内存大小
    LPCWSTR     lpszClassName;      //类名
    …
} WNDCLASSEXW

在用户态创建窗口时，需要调用RegisterClass注册窗口类，每个窗口类有自己的名字，调用CreateWindow创建窗口时传入类的名字，即可创建对应的窗口实例。
当cbWndExtra不为0时，系统会申请一段对应大小的空间，如果回调到用户态申请空间时，可能会触发漏洞。
内核中使用两个结构体来保存窗口数据tagWND和tagWNDK：

ptagWND             //内核中调用ValidateHwnd传入用户态窗口句柄可返回此数据指针
    0x18 unknown
        0x80 kernel desktop heap base   //内核桌面堆基址
    0x28 ptagWNDk   // 需要重点关注这个结构体，结构体在下方：
    0xA8 spMenu

tagWNDK结构体，需要重点关注此结构体：

struct tagWNDK
{
    ULONG64 hWnd;               //+0x00
    ULONG64 OffsetToDesktopHeap;//+0x08 tagWNDK相对桌面堆基址偏移
    ULONG64 state;              //+0x10
    Dword dwExStyle;            //+0x18
    DWORD dwStyle;              //+0x1C
    BYTE gap[0x38];
    DWORD rectBar_Left;         //0x58
    DWORD rectBar_Top;          //0x5C
    BYTE gap1[0x68];
    ULONG64 cbWndExtra;         //+0xC8 窗口扩展内存的大小
    BYTE gap2[0x18];
    DWORD dwExtraFlag;          //+0xE8  决定SetWindowLong寻址模式
    BYTE gap3[0x10];            //+0xEC
    DWORD cbWndServerExtra;     //+0xFC
    BYTE gap5[0x28];
    ULONG64 pExtraBytes;    //+0x128 模式1：内核偏移量 模式2：用户态指针
};

当WNDCLASSEXW 中的cbWndExtra值不为0时，创建窗口时内核会回调到用户态函数USER32!
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes申请一块cbWndExtra大小的内存区域，并且将返回地址保存在tagWNDK结构体的pExtraBytes变量中。

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使用函数SetWindowLong和GetWindowLong，可对窗口扩展内存进行读写，进入内核后调用栈如下：

win32kfull!xxxSetWindowLong
win32kfull!NtUserSetWindowLong+0xc7
win32k!NtUserSetWindowLong+0x16
nt!KiSystemServiceCopyEnd+0x25
win32u!NtUserSetWindowLong+0x14
USER32!_SetWindowLong+0x6e
CVE_2022_21882!wmain+0x25d

SetWindowLong函数形式如下：

第二个参数为index，含义为设置扩展内存偏移index处的内容。
在win32kfull!xxxSetWindowLong函数中，会对第二个参数index进行判断，防止越界：

137行代码判断index+4如果大于cbWndServerExtra+ cbWndExtra，表明越界，一般情况下cbWndServerExtra为0，如果越界，会跳转到117行LABEL_34，设置v18为1413，跳转到LABEL_55，调用UserSetLastError设置错误值，我们可以在cmd下查看此错误值的含义：

如果没有越界的话，接下来会根据不同的模式来使用pExtraBytes，如下：

在xxxSetWindowLong函数中：

正常情况下cbWndServerExtra为0，157行如果index+4< cbWndServerExtra，那么修改的是窗口的保留属性，例如GWL_WNDPROC对应-4，含义为设置窗口的回调函数地址。我们需要设置的是窗口扩展内存，所以进入165行的代码区域。

在167行会判断dwExtraFlag属性是否包含0x800，如果包含，那么168行代码destAddress=pExtraBytes+index+内核桌面堆基址，此处pExtraBytes作为相对内核桌面堆基址的相对偏移量，(QWORD)(pTagWnd->field_18+128)为内核桌面堆基地址，对应的汇编代码为

在171行处，dwExtraFlag属性不包含0x800，此时destAddress=index+pExtraBytes，此处pExtraBytes作为用户态申请的一块内存区域地址。

dwExtraFlag的含义：

dwExtraFlag&0x800 != 0时，代表当前窗口是控制台窗口。调用AllocConsole申请控制台窗口时，调用程序会与conhost程序通信，conhost去创建控制台窗口，调用栈如下：

conhost获取到窗口句柄后，调用NtUserConsoleControl修改窗口为控制台类型，调用栈如下：

dwExtraFlag&0x800 ==0时，代表当前窗口是GUI窗口，调用CreateWindow时窗口就是GUI窗口。

总结：

xxxSetWindowLong设置扩展内存数据时，有如下两种模式：
模式1：tagWND的dwExtraFlag属性包含0x800，使用间接寻址模式，基址为内核桌面堆基地址，pExtraBytes作为偏移量去读写内存。
模式2：tagWND的dwExtraFlag属性不包含0x800，使用直接寻址模式，pExtraBytes直接读写内存。 xxxSetWindowLong会检查index，如果index+4超过cbWndExtra，那么返回索引越界错误。

漏洞成因

此漏洞是对CVE-2021-1732漏洞的绕过，此处简要介绍下CVE-2021-1732漏洞：

用户调用CreateWindow时，在对应的内核态函数中检查到窗口的cbWndExtra不为0，通过xxxCreateWindowEx->
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes->调用回调表第123项用户态函数申请用户态空间，

1027行会调用USER32!
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes，EXP在回调函数中调用NtUserConsoleControl修改窗口的dwExtraFlag和pExtraBytes，修改窗口类型为控制台。

windows修复代码在1039行，检查pExtraBytes是否被修改，此处查看汇编代码更为清晰

rdi+0x140-0x118 = rdi+0x28，得到tagWNDK，偏移0x128得到pExtraBytes，判断是否不等于0，如果不等于0，1045行代码会跳转，最终释放窗口，漏洞利用失败。

也就是说：CVE-2021-1732的修复方法是在调用
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数后，在父函数CreateWindowEx中判断漏洞是否被利用了，这个修补方法之前是没有问题的。

但是在后续代码更新后，有了新的路径来触发
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数：

在xxxSwitchWndProc函数中调用
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes后也有检查pExtraBytes是否为0，如果不为0，那么就复制pExtraBytes内存数据到新申请的内存地址中，没有检查dwExtraFlag是否被修改。

总结：
由于CVE-2021-1732漏洞修补时是在父函数中修复的，虽然当时没有问题，但是当多了
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数的触发路径后，同样的漏洞又存在了，而且 CVE-2021-1732漏洞触发路径是在xxxCreateWindowEx中，此时窗口句柄还未返回给用户态，漏洞利用时需要更多的技巧，此漏洞利用时已经返回了窗口句柄，利用起来更加简单。

利用漏洞的流程

本节介绍了漏洞触发的流程，并介绍了触发漏洞及利用漏洞需要的各个知识点。

漏洞触发利用的流程：

要利用这个漏洞，需要以下背景知识：

6.1 触发用户态回调

本节描述如何触发用户态回调，使内核回调到USER32!
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes。

在IDA中查看
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes的引用，有多处地方调用到了此函数，

查看xxxSwitchWndProc代码如下：

98行代码有cbWndServerExtra变量赋值，而在调用SetWindowLong时会使用index-cbWndServerExtra，所以我们真正想设置内存区域偏移index位置的变量时，参数2应该传入index+cbWndServerExtra。

103行代码调用
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes返回值赋值给了v20变量。

111行代码检查原来的pExtraBytes是否为0，如果不为0，那么就复制内存的数据，还会释放原来的pExtraBytes。

117、123行代码都会将v20变量赋值给pExtraBytes。

而xxxSwitchWndProc函数是可以通过win32u! NtUserMessageCall函数来触发的，在用户态调用NtUserMessageCall函数会触发内核态函数
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes，函数调用栈如下：

win32kfull!xxxClientAllocWindowClassExtraBytes
win32kfull!xxxSwitchWndProc+0x167
win32kfull!xxxWrapSwitchWndProc+0x3c
win32kfull!NtUserfnINLPCREATESTRUCT+0x1c4
win32kfull!NtUserMessageCall+0x11d    内核态
…
win32u! NtUserMessageCall             用户态

在内核态的win32kfull!
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数中，会调用用户态的xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数。
win32kfull!
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数如下：

KernelCallbackTable第123项对应
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数，使用IDA查看函数内容：

此函数中调用RtlAllocateHeap函数来申请*(a1)大小的内存，内存地址保存在addr变量中，然后调用NtCallbackReturn函数返回到内核态，返回的数据为addr变量的地址，对应在上面win32kfull!
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数中的v7变量，v7为addr变量的地址,*v7即为上图中的addr。

总结：
触发回调函数的路径为：
Win32u!NtUserMessageCall(用户态)->win32kfull!NtUserMessageCall(内核态)-> win32kfull!xxxSwitchWndProc(内核态)-> win32kfull!
xxxClientAllocWindowClassExtraBytes(内核态)-> nt!KeUserModeCallback(内核态)-> USER32!_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes(用户态，HOOK此函数)
本节讲了如何从用户态进入到内核，又回调到USER32!
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数的方法。

6.2 HOOK回调函数

上一小节讲了触发到USER32!
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes函数的流程，我们还需要hook此回调函数，在回调函数中触发漏洞。下面代码可以将回调函数表项第123、124分别修改为MyxxxClientAllocWindowClassExtraBytes、MyxxxClientFreeWindowClassExtraBytes。

6.3 修改窗口模式为模式1

上一小节讲了如何进入到用户态自定义的函数，本节讲述在自定义的函数中通过用户态未公开函数NtUserConsoleControl修改窗口模式为模式1，本节对NtUserConsoleControl函数进行逆向分析。

函数win32u! NtUserConsoleControl可以设置模式为内核桌面堆相对寻址模式，此函数有三个参数，第一个参数为功能号，第二个参数为一个结构体的地址，结构体内存中第一个QWORD为窗口句柄，第三个参数为结构体的大小。

NtUserConsoleControl函数会调用到内核态win32kfull模块的NtUserConsoleControl函数，调用栈如下：

win32kfull!NtUserConsoleControl         内核态
win32k!NtUserConsoleControl+0x16        内核态
nt!KiSystemServiceCopyEnd+0x25
win32u!NtUserConsoleControl+0x14        用户态
CVE_2022_21882!wmain+0x3f4              用户态

win32kfull模块NtUserConsoleControl判断参数，然后调用xxxConsoleControl如下：

17行判断参数index不大于6

22行判断参数length小于0x18

26行判断参数2指针不为空且length不为0

以上条件满足时会调用xxxConsoleControl函数，传入参数为index、变量的地址，传入数据的长度， xxxConsoleControl函数会对index及len进行判断：

110行代码可知，index必须为6，113行代码可知len必须为0x10，115行到119行代码可知，传入参数地址指向的第一个QWORD数据必须为一个合法的窗口句柄，否则此函数会返回。

134、136行判断是否包含0x800属性，如果包含，v23赋值为内核桌面堆基地址+偏移量pExtraBytes，得到的v23为内核地址。

140行代码，如果不包含0x800属性，那么调用DesktopAlloc申请一段cbWndExtra大小的内存保存在v23中。

149到156行代码判断原来的pExtraBytes指针不为空，就拷贝数据到刚申请的内存中，并调用
xxxClientFreeWindowClassExtraBytes->USER32!_xxxClientFreeWindowClassExtraBy释放内存。

159、160行代码使用内核地址v23减去内核桌面堆基址得到偏移量v21，将v21赋值给pExtraBytes变量。

使用如下代码可以修改窗口模式为模式1：

ULONG64 buff[2]={hwnd}；
NtUserConsoleControl(6, &buff, sizeof(buff));即可将hwnd对应的窗口模式设置为模式1。

总结：
在自定义回调函数中调用win32u!NtUserConsoleControl可以设置窗口模式为模式1，传入参数需要符合下列要求：

参数1 index必须为6 参数2指向一段缓冲区，缓冲区第一个QWORD必须为一个合法的窗口句柄参数3 len必须为0x10

6.4 回调返回伪造偏移量

在
_xxxClientAllocWindowClassExtraBytes 函数中调用NtCallBackReturn回调函数可以返回到内核态：

伪造一个合适的偏移量Offset，然后应该取Offset地址传给NtCallbackReturn函数，可以将offset赋值给pExtraBytes变量。

由于之前已经切换窗口为模式1，pExtraBytes含义为相对于内核桌面堆基址的偏移，再查看tagWNDK结构体，关注以下字段：

+0x08   ULONG64 OffsetToDesktopHeap;    //窗口tagWNDK相对桌面堆基址偏移
+0xE8   DWORD dwExtraFlag;              //包含0x800即为模式1
+0x128  ULONG64 pExtraBytes;            //模式1：内核桌面堆偏移量 模式2：用户态指针

OffsetToDesktopHeap为窗口本身地址tagWNDK相对于内核桌面堆基址的偏移，可以使用如下方法来伪造合适的偏移量：

创建多个窗口，如窗口0和窗口2(为了与EXP匹配)，窗口2触发回调函数，返回窗口0的OffsetToDesktopHeap ，赋值给窗口2的pExtraBytes变量。
对窗口2调用SetWindowLong时，写入的目标地址为：内核桌面堆基址+pExtraBytes+index，此时pExtraBytes为窗口0的地址偏移，对窗口2调用SetWindowLong可以写窗口0的tagWNDK结构数据，这是第一次越界写。

总结：
调用NtCallbackReturn可以返回到内核中，伪造偏移量为窗口0的OffsetToDesktopHeap，赋值给窗口2的pExtraBytes，当对窗口2调用SetWindowLong时即可修改到窗口0的tagWNDK结构体。
接下来我们需要获取窗口0的OffsetToDesktopHeap。

6.5 泄露内核窗口数据结构

上一小节中我们在用户态中要返回窗口0的OffsetToDesktopHeap到内核态，OffsetToDesktopHeap是内核态的数据，要想获取这个数据还需要一些工作。

调用CreateWindow只能返回一个窗口句柄，用户态无法直接看到内核数据，但是系统把tagWNDK的数据在用户态映射了一份只读数据，只需要调用函数HMValidateHandle即可，动态库中没有导出此函数，需要通过IsMenu函数来定位：

定位USER32!HMValidateHandle的代码如下：

定位到USER32!HMValidateHandle函数地址后，传入hwnd即可获取tagWNDK数据地址。

    tagWNDK* p = HMValidateHandle(hwnd)，通过tagWNDK指针即可获取到OffsetToDesktopHeap数据。

6.6 如何布局内存

通过上面的知识，我们可以通过窗口2修改窗口0的tagWNDK结构体数据，本节描述如何布局内存，构造写原语。

应该通过NtUserConsoleControl修改窗口0切换到模式1，这样对窗口0调用SetWindowLong即可修改内核数据，但是调用SetWindowLong时index有范围限制，所以通过窗口2将窗口0的tagWNDK. cbWndExtra修改为0xFFFFFFFF，扩大窗口0可读写的范围。

现在我们开始内存布局：

创建窗口0，窗口0切换到模式1，pExtraBytes为扩展内存相对内核桌面堆基址的偏移量

窗口2触发回调后，回调函数中对窗口2调用NtUserConsoleControl，所以窗口2也处于模式1，pExtraBytes为扩展内存相对内核桌面堆基址的偏移量。

回调函数中返回窗口0的OffsetToDesktopHeap，此时内存如下：

图中红色线条，此时窗口2的pExtraBytes为窗口0的OffsetToDesktopHeap，指向了窗口0的结构体地址，此时对窗口2调用SetWindowLong即可修改窗口0的内核数据结构

通过窗口2修改窗口0的cbWndExtra

SetWindowsLong(窗口2句柄, 0xC8(此处还有一个偏移量)，0xFFFFFFFF)，即可修改窗口0的cbWndExtra为极大值，且此时窗口0处于模式1，如果传入一个较大的index且不大于0xFFFFFFFF，那么就可以越界修改到内存处于高地址处的其他窗口的数据。

再次创建一个窗口1，窗口1处于模式2，不用修改模式

窗口1刚开始pExtraBytes指向用户态地址，使用模式2直接寻址。
由于窗口0的pExtraBytes是相对于内核桌面堆基址的偏移量，窗口1的OffsetToDeskTopHeap是当前tagWNDK结构体与内核桌面堆基址的偏移量，所以这两个值可以计算一个差值，对窗口0调用SetWindowLong时传入这个差值即可写入到窗口1的结构体，再加上pExtraBytes相对于tagWNDK结构体的偏移即可设置窗口1的pExtraBytes为任意值。

由于此时窗口1处于模式1直接寻址，且我们可以设置窗口1扩展内存地址pExtraBytes为任意地址，所以对窗口1调用SetWindowLong即可向任意内核地址写入数据。

总结：
内存布局的关键在于窗口0的pExtraBytes必须小于窗口1和窗口2的OffsetToDesktopHeap，这样的话在绕过了窗口0的cbWndExtra过小的限制后，对窗口0调用SetWindowLong传入的第二个参数，传入一个较大值，即可向后越界写入到窗口1和窗口2的tagWNDK结构体。
我们来设想一下不满足内存布局的情况，假如窗口1的OffsetToDesktopHeap小于窗口0的pExtraBytes，即窗口1的tagWNDK位于低地址，窗口0的扩展内存位于高地址，那从窗口0越界往低地址写内容时，SetWindowLong的index必须传入一个64位的负数，但是SetWindowLong的第二个参数index是一个32位的值，调用函数时64位截断为32位数据，在内核中扩展到64位后高位为0还是个正数，所以窗口0无法越界写到低地址。

EXP分析调试

首先动态定位多个函数地址，接下来需要调用

#define MAGIC_CB_WND_EXTRA 0x1337

调用函数RegisterClassEx创建两个窗口类：

类名为NormalClass的窗口，窗口的cbWndExtra大小为0x20。

类名为MagicClass的窗口，窗口的cbWndExtra大小为0x1337，使用MagicClass类创建的窗口会利用漏洞构造一个内核相对偏移量。

内存布局的代码如下：

第241行到244行，创建了菜单，之后创建窗口使用此菜单。

第245行到250行，使用NormalClass类名创建了50个窗口存放在g_hWnd数组中，然后销毁后面的48个窗口，这样是为了后面创建窗口时可以占用被销毁窗口的区域，缩短窗口之间的间距，此时g_hWnd[0]和g_hWnd[1]存放句柄，将这两个窗口称为窗口0和窗口1，其中247行调用HMValidateHandle函数传入句柄得到对应窗口在用户态映射的tagWNDK数据内存地址保存在g_pWndK数组中。

第245行到255行，调用NtUserConsoleControl函数设置窗口0由用户态直接寻址切换为内核态相对偏移寻址，并且窗口0的pExtraBytes是相对于内核桌面堆基址的偏移。

第257行到258行，使用MagicClass类名创建窗口2保存在g_hWnd[2]中，称为窗口2，然后调用HMValidateHandle获得窗口2的tagWNDK数据映射地址保存在g_pWndK[2]中。

第260和278行代码判断内存布局是否成功，此时窗口0处于内核模式，所以窗口0的pExtraBytes为申请的内核内存空间(不是窗口内核对象地址)相对于内核桌面堆基地址的偏移，窗口1和窗口2为用户态模式，OffsetToDesktopHeap为窗口内核对象地址相对于内核桌面堆基地址的偏移，内存布局必须满足：

窗口0的pExtraBytes小于窗口1的OffsetToDesktopHeap,计算差值extra_to_wnd1_offset，为正数。

窗口0的pExtraBytes小于窗口2的OffsetToDesktopHeap，计算差值extra_to_wnd2_offset，为正数。

如果布局失败，那就销毁窗口继续布局，如果最后一次布局失败，就退出。

布局完成后，程序运行到此处：

程序在虚拟机中运行到DebugBreak()函数时，如果有内核调试器，调试器会自动中断：

此时指令位于DebugBreak函数中，输入k，栈回溯只显示了地址，没有显示符号表，输入

gu;.reload /user

.reload /user会自动加载用户态符号，pdb文件位于本地对应目录，再次输入k，显示栈回溯，可以看到显示正常。
我们先查看三个窗口的内核数据结构
使用命令 dt tagWNDK poi(CVE_2022_21882!g_pWndK+0)可以以结构体方式查看窗口0的tagWNDK结构，在内存布局时已经对窗口0切换了模式，如下：

在调用NtUserMessageCall之前，窗口0处于模式1，窗口1和2处于模式2。