Ubuntu内核OverlayFS权限逃逸漏洞 (CVE-2021-3493) 分析

背景

根据官方介绍，OverlayFs漏洞允许Ubuntu下的本地用户获得root权限。这个漏洞是Ubuntu系统中的特定问题，在该问题中，未正确验证关于用户namespace文件系统功能的应用程序。由于Ubuntu附带了一个允许非特权的Overlayfs挂载的补丁，结合这个补丁挂载Overlayfs可以权限逃逸，达到权限提升的目的。

影响版本

Ubuntu 20.10

Ubuntu 20.04 LTS
Ubuntu 18.04 LTS
Ubuntu 16.04 LTS
Ubuntu 14.04 ESM

漏洞复现

首先查看内核版本，为受影响版本编译exploit后执行，提权成功。如下图所示：

相关介绍

（1）虚拟文件系统

为支持各种本机文件系统，且在同时允许访问其他操作系统的文件，Linux内核在用户进程（或C标准库）和文件系统实现之间引入了一个抽象层。该抽象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，对每个具体文件系统的访问要通过VFS定义的接口来实现。VFS抽象了几个重要的结构：super_block，dentry，inode，file，通过这些结构将一个真实的文件系统抽象到内存中，从而通过管理这些对象对文件系统进行操作。

（2）Overlay文件系统

OverlayFS是一个面向Linux的文件系统服务，其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，提供同一名称的目录时，目录访问合并。除此之外，OverlayFS呈现其中一个所产生的对象，“上层”文件系统优先。OverlayFS与其他覆盖型文件系统不同，OverlayFS合并的目录子树不一定是来自不同的文件系统。效果如下图所示：

其挂载文件的基本命令如下：

mount -t overlay overlay -o lowerdir=lower1:lower2:lower3,upperdir=upper,workdir=work merged。

其中“lower1:lower2:lower3”表示不同的lower层目录，不同的目录使用“:”分隔，层次关系依次为lower1 > lower2 > lower3（注：多lower层功能支持在Linux-4.0合入，Linux-3.18版本只能指定一个lower dir）,然后upper和work目录分别表示：upper层目录和文件系统挂载后，用于存放临时和间接文件的工作基目录（work base dir），最后的merged目录就是最终的挂载点目录。若一切顺利，在执行以上命令后，overlayfs就成功挂载到merged目录下了。

（3）capabilitiy

为了进行权限检查，Linux系统将进程分为了两类：privileged进程（effective UID为0）和 unprivileged 进程（effective UID为非0）。privileged进程可以绕过所有的内核权限检查，而unprivileged 进程要进行严格的权限检查。从2.2版本的内核开始，linux对权限进行了细分，分为多种不同的权限，称之为capability。capability可以作用在进程上，也可以作用在程序文件上。目前，Linux系统上实现了37种capability。

每个进程都有五个capability集合：Permitted，Inheritable，Effective，Ambient，Bounding。文件的capability保存在文件的扩展属性security.capability中。文件有三个capabilitiy集合：Permitted，Inheritable，Effective。文件的capability和进程的capability一起来决定在执行execve后，进程的capability。

漏洞原理

（1）OverlayFS挂载

通常情况下，挂载文件系统是需要特权的，但是在Ubuntu系统中，普通用户便可以挂载OverlayFS。以5.4.0版本内核主线代码为例，ovl_fs_type结构体定义如下图所示：

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，表示将允许一个普通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，调用路径如下图所示：

会调用到do_new_mount()函数，该函数是创建一个新的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。然后就是进行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，最后通过检验后，如下图所示：

并且设置current->flags为PF_SUPERPRIV，即在当前进程上设置超级权限，并返回ture。所以通过挂载overlay文件系统，当前进程具备了超级权限。

（2）权限逃逸

该漏洞是在setxattr()函数中产生的，当对文件扩展属性的capabilitiy进行设置时，权限校验不彻底。下面是”SSD Secure Disclosure”披露的Exp执行情况，调用路径如下图所示：

这里pathname为“./ovlcap/merge/magic”，行468，调用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，进行相关检测后，如果是capabilitiy版本2，则直接调用ns_capable()进行检验，根据注释可知，如果user有超级权限，直接写入并返回。

毫无疑问，这里肯定是检验通过的。打印关键内存，如下图所示：

寄存器rax为0x1，表示返回ture。因为当前访问的inode属于overlay文件系统的。从cap_convert_nscap()函数正确返回后，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，调用路径如下图所示：

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：

根据overlay文件系统特性，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，第二次调用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，实际上是对ext3文件系统下的“./ovlcap/upper/magic”进行设置cap。权限逃逸过程如下图所示：

漏洞利用分析

“SSD Secure Disclosure”官方已经披露了相关Exp，具体分析如下：

这里定义后面挂载overlay文件系统的文件夹名称:

并自定义xmkdir函数创建这些文件夹:

然后获取当前用户的uid和gid：

创建新的user namespace，因为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定义：

用当前用户的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的补丁存在，该操作是合法的。

对应目录下可以看到我们修改了的文件，通过/proc/self/exe可以找到当前进程的二进制实体（文件）：

继续回到exp中，下面构造了一个cap，改cap定义的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，根据overlay文件系统特性，这个拷贝过程实际是创建./ovlcap/upper/magic文件，最后调用setxattr()函数，将cap设置到./ovlcap/merge/magic上面。

根据前文漏洞原理介绍，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，便可以利用capabilitiy进行权限提升，接着启动./ovlcap/upper/magic进程，该进程的capabilitiy已具备all+ep，然后进行setuid(0)和setgid(0)提权操作，这是被允许的。

补丁跟踪

漏洞成因在上面已经介绍了，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，都先进行权限校验，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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