深入分析CVE-2016-5195 Dirty Cow

　　前面一段时间，这个编号为CVE-2016-5195的漏洞刷爆了各个安全相关的博客和网站，这个漏洞可以对任意可读文件进行写操作从而导致提权，通杀了包括Android在内的绝大多数linux版本，，影响不可为不大，试着分析一下。

一：漏洞分析

　　这个漏洞逻辑并不复杂，分析的最大难点是流程复杂，容易绕晕在代码迷宫里，所以先梳理一下流程，流程如下(初略扫过即可)，根据下面分析来查看上面流程）：

//进行写操作
mem_write
　　　　mem_rw　　

　　　　 access_remote_vm
            __access_remote_vm        
                //用于获取页
                get_user_pages
                    __get_user_pages
                        retry:
                            follow_page_mask(...,flag,...);
                                //通过内存地址来找到内存页
                                follow_page_pte(...,flag,...);
                                     //如果获取页表项时要求页表项所指向的内存映射具有写权限，但是页表项所指向的内存并没有写权限。则会返回空
                                    if ((flags & FOLL_WRITE) && !pte_write(pte)) 
                                        return NULL
                                    ////获取页表项的请求不要求内存映射具有写权限的话会返回页表项
                                    return page
                            if (foll_flags & FOLL_WRITE)//要求页表项要具有写权限，所以FOLL_WRITE为1
                                fault_flags |= FAULT_FLAG_WRITE;
                            //获取页表项
                            if (!page) {
                                faultin_page(vma,...); //获取失败时会调用这个函数
                                     handle_mm_fault();
                                        __handle_mm_fault()
                                            handle_pte_fault()
                                                if (!fe->pte) 
                                                    do_fault(fe);
                                                        ////如果不要求目标内存具有写权限时导致缺页，内核不会执行COW操作产生副本,ers
                                                        if (!(fe->flags & FAULT_FLAG_WRITE))
                                                            do_read_fault(fe, pgoff);
                                                                __do_fault(fe, pgoff, NULL, &fault_page, NULL);
                                                                ret |= alloc_set_pte(fe, NULL, fault_page)
                                                                    //如果执行了COW，设置页表时会将页面标记为脏，但是不会标记为可写。
                                                                    if (fe->flags & FAULT_FLAG_WRITE)
                                                                        entry = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);
                                                        //如果要求目标内存具有写权限时导致缺页，目标内存映射是一个VM_PRIVATE的映射，内核会执行COW操作产生副本
                                                        if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED))
                                                            do_cow_fault(fe, pgoff);
                                                                new_page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma, fe->address);
                                                                ret = __do_fault(fe, pgoff, new_page, &fault_page, &fault_entry);
                                                                copy_user_highpage(new_page, fault_page, fe->address, vma);
                                                                ret |= alloc_set_pte(fe, memcg, new_page);
                                                if (fe->flags & FAULT_FLAG_WRITE)
                                                    if (!pte_write(entry))
                                                        do_wp_page(fe, entry)//VM_FAULT_WRITE置1
                                                            if ((flags & FAULT_FLAG_WRITE) && reuse_swap_page(page))
                                                                maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);
                                                                if (likely(vma->vm_flags & VM_WRITE))
                                                                    pte_mkwrite(pte);
                                                                flags &= ~FAULT_FLAG_WRITE;
                                                                ret |= VM_FAULT_WRITE;
                                if ((ret & VM_FAULT_WRITE) && !(vma->vm_flags & VM_WRITE))
                                    *flags &= ~FOLL_WRITE;
                          ，==0 goto retry　　　　　　　　
　　　　　　　　if (write)
　　　　　　　　　　copy_to_user_page

　　进行逐步分析，并在分析中参考上文代码流程。

　　漏洞发生在调用write函数时，经过一系列调用(write->mem_write->mem_rw->access_remote_vm->__access_remote_vm)，通过在__access_remote_vm的get_user_pages来获得页，copy_to_user_page来讲内容复制进页中。而漏洞就发生在get_user_pages中。下面来分析get_user_pages的具体流程。

　　get_user_pages中主要部分是一个循环，直到正确找到页，其中有两个函数极为重要，follow_page_mask和faultin_page，其中follow_page来找到页，dofault_page在寻页失败的时候建立映射为下次调用follow_page_mask来做准备。

　　第一次执行，由于mmap对第一次对映射内存进行操作，所以并不能直接从页表中找到。get_user_page，因为我们要求页表项要具有写权限，所以FOLL_WRITE为1，设置FAULT_FLAG_WRITE然后调用了faultin_page，之后依次调用了handle_mm_fault->__handle_mm_fault->handle_pte_fault->do_fault->do_cow_fault,此时利用COW来生成了页表，建立了映射。

　　第二次执行，follow_page_mask会通过flag参数的FOLL_WRITE位是否为1判断要是否需要该页具有写权限，以及通过页表项的VM_WRITE位是否为1来判断该页是否可写。由于Mappedmem是以PROT_READ和MAP_PRIVATE的的形式进行映射的。所以VM_WRITE为0，而FOLL_WRITE为1，返回null,进而调用faultin_page函数，此时由于已经找到了页表，不再调用_do_fault,而是调用了do_wp_page，在do_wp_page中，将FAULT_FLAG_WRITE置0，同时，将ret的VM_FAULT_WRITE置1，表示已经执行过COW，在faultin_page之后的判断中，由于ret中VM_FAULT_WRITE置1，则flag的FOLL_WRITE置0，而FOLL_WRITE置0代表着也页表项不需要写权限。

　　第三次执行，此时调用follow_page_mask时可以正确找到页了。由于进行了COW，所以写操作并不会涉及到原始内存。

　　但是正如POC，如果madvice发生在get_user_page第二次执行之后，madvice即取消内存的映射关系，那么第三次执行会follow_page_mask函数会失败，进入dofault_page函数，此时的调用流程会和第一次有一定的区别,由于FAULT_FLAG_WRITE置0，所以直接执行do_read_fault。而do_read_fault函数调用了__do_fault,由于标志位的改变，此时直接与文件内存进行映射。

__do_fault部分代码如下：

if ((flags & FAULT_FLAG_WRITE) && !(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {
                 if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))
                       return VM_FAULT_OOM;
                 cow_page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma, address);
                if (!cow_page)
                         return VM_FAULT_OOM;
                 if (mem_cgroup_newpage_charge(cow_page, mm, GFP_KERNEL)) {
                         page_cache_release(cow_page);
                         return VM_FAULT_OOM;
                 }
         } else
                cow_page = NULL;

if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {

     if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {
           page = cow_page;
                 anon = 1;
                 copy_user_highpage(page, vmf.page, address, vma);
                         __SetPageUptodate(page);
                 } else 
　　　　　　　　　　　　...
}

　　　　

　　在第四次执行的时候，follow_page_mask直接获得文件内存页从而对其进行读写。

二：补丁分析

　　这个漏洞是Linux的创始人Linus亲自修复，简略补丁如下：

+static inline bool can_follow_write_pte(pte_t pte, unsigned int flags)
+{
+    return pte_write(pte) ||
+        ((flags & FOLL_FORCE) && (flags & FOLL_COW) && pte_dirty(pte));
+}
+
 static struct page *follow_page_pte(struct vm_area_struct *vma,
         unsigned long address, pmd_t *pmd, unsigned int flags)
 {
@@ -95,7 +105,7 @@ retry:
     }
     if ((flags & FOLL_NUMA) && pte_protnone(pte))
         goto no_page;
-    if ((flags & FOLL_WRITE) && !pte_write(pte)) {
+    if ((flags & FOLL_WRITE) && !can_follow_write_pte(pte, flags)) {
         pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
         return NULL;
     }
@@ -412,7 +422,7 @@ static int faultin_page(struct task_struct *tsk, struct vm_area_struct *vma,
      * reCOWed by userspace write).
      */
     if ((ret & VM_FAULT_WRITE) && !(vma->vm_flags & VM_WRITE))
-        *flags &= ~FOLL_WRITE;
+            *flags |= FOLL_COW;
     return 0;
 }

　　Linus在这里新添加了一个FOLL_COW的标志位，来表明已经进行了COW。同时在get_follow_mask判定权限的时候同时利用dirty位来判定FOLL_COW是否有效。

参考文献：

http://bobao.360.cn/learning/detail/3132.html

https://git.kernel.org/cgit/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=19be0eaffa3ac7d8eb6784ad9bdbc7d67ed8e619

https://bugzilla.suse.com/show_bug.cgi?id=1004418#c14