Ubuntu内核OverlayFS权限逃逸误差剖析（CVE-2021-3493）
宣布时间 2021-04-29背 景
凭证官方先容，，， ，，OverlayFs误差允许Ubuntu下的外地用户获得root权限。。。。这个误差是Ubuntu系统中的特定问题，，， ，，在该问题中，，， ，，未准确验证关于用户namespace文件系统功效的应用程序。。。。由于Ubuntu附带了一个允许非特权的Overlayfs挂载的补丁，，， ，，连系这个补丁挂载Overlayfs可以权限逃逸，，， ，，抵达权限提升的目的。。。。
影响版本
Ubuntu 20.10
Ubuntu 20.04 LTS
Ubuntu 18.04 LTS
Ubuntu 16.04 LTS
Ubuntu 14.04 ESM
误差复现
首先审查内核版本，，， ，，为受影响版本编译exploit后执行，，， ，，提权乐成。。。。如下图所示：
相关先容
（1）虚拟文件系统
为支持种种本机文件系统，，， ，，且在同时允许会见其他操作系统的文件，，， ，，Linux内核在用户历程（或C标准库）和文件系统实现之间引入了一个笼统层。。。。该笼统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，，， ，，对每个详细文件系统的会见要通过VFS界说的接口来实现。。。。VFS笼统了几个主要的结构：super_block，，， ，，dentry，，， ，，inode，，， ，，file，，， ，，通过这些结构将一个真实的文件舷笼统到内存中，，， ，，从而通过治理这些工具对文件系统举行操作。。。。
（2）Overlay文件系统
OverlayFS是一个面向Linux的文件系统效劳，，， ，，着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，，， ，，提供统一名称的目录时，，， ，，目录会见合并。。。。除此之外，，， ，，OverlayFS泛起其中一个所爆发的工具，，， ，，“上层”文件系统优先。。。。OverlayFS与其他笼罩型文件系统差别，，， ，，OverlayFS合并的目录子树纷歧定是来自差别的文件系统。。。。效果如下图所示：
其挂载文件的基本下令如下：
mount -t overlay overlay -o lowerdir=lower1:lower2:lower3,upperdir=upper,workdir=work merged。。。。
其中“lower1:lower2:lower3”体现差别的lower层目录，，， ，，差别的目录使用“:”脱离，，， ，，条理关系依次为lower1 > lower2 > lower3（注：多lower层功效支持在Linux-4.0合入，，， ，，Linux-3.18版本只能指定一个lower dir）,然后upper和work目录划分体现：upper层目录和文件系统挂载后，，， ，，用于存放暂时和间接文件的事情基目录（work base dir），，， ，，最后的merged目录就是最终的挂载点目录。。。。若一切顺遂，，， ，，在执行以上下令后，，， ，，overlayfs就乐成挂载到merged目录下了。。。。
（3）capabilitiy
为了举行权限检查，，， ，，Linux系统将历程分为了两类：privileged历程（effective UID为0）和 unprivileged 历程（effective UID为非0）。。。。privileged历程可以绕过所有的内核权限检查，，， ，，而unprivileged 历程要举行严酷的权限检查。。。。从2.2版本的内核最先，，， ，，linux对权限举行了细分，，， ，，分为多种差别的权限，，， ，，称之为capability。。。。capability可以作用在历程上，，， ，，也可以作用在程序文件上。。。。现在，，， ，，Linux系统上实现了37种capability。。。。
每个历程都有五个capability荟萃：Permitted，，， ，，Inheritable，，， ，，Effective，，， ，，Ambient，，， ，，Bounding。。。。文件的capability生涯在文件的扩展属性security.capability中。。。。文件有三个capabilitiy荟萃：Permitted，，， ，，Inheritable，，， ，，Effective。。。。文件的capability和历程的capability一起来决议在执行execve后，，， ，，历程的capability。。。。
误差原理
（1）OverlayFS挂载
通常情形下，，， ，，挂载文件系统是需要特权的，，， ，，可是在Ubuntu系统中，，， ，，通俗用户便可以挂载OverlayFS。。。。以5.4.0版本内核主线代码为例，，， ，，ovl_fs_type结构体界说如下图所示：
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，，， ，，体现将允许一个通俗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，，， ，，挪用路径如下图所示：
会挪用到do_new_mount()函数，，， ，，该函数是建设一个新的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。。。。然后就是举行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，，， ，，最后通过磨练后，，， ，，如下图所示：
并且设置current->flags为PF_SUPERPRIV，，， ，，即在目今历程上设置超等权限，，， ，，并返回ture。。。。以是通过挂载overlay文件系统，，， ，，目今历程具备了超等权限。。。。
（2）权限逃逸
该误差是在setxattr()函数中爆发的，，， ，，当对文件扩展属性的capabilitiy举行设置时，，， ，，权限校验不彻底。。。。下面是"SSD Secure Disclosure"披露的Exp执行情形，，， ，，挪用路径如下图所示：
这里pathname为“./ovlcap/merge/magic”，，， ，，行468，，， ，，挪用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，，， ，，举行相关检测后，，， ，，若是是capabilitiy版本2，，， ，，则直接挪用ns_capable()举行磨练，，， ，，凭证注释可知，，， ，，若是user有超等权限，，， ，，直接写入并返回。。。。
毫无疑问，，， ，，这里肯定是磨练通过的。。。。打印要害内存，，， ，，如下图所示：
寄存器rax为0x1，，， ，，体现返回ture。。。。由于目今会见的inode属于overlay文件系统的。。。。从cap_convert_nscap()函数准确返回后，，， ，，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，，， ，，挪用路径如下图所示：
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：
凭证overlay文件系统特征，，， ，，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，，， ，，第二次挪用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，，， ，，现实上是对ext3文件系统下的“./ovlcap/upper/magic”举行设置cap。。。。权限逃逸历程如下图所示：
误差使用剖析
"SSD Secure Disclosure"官方已经披露了相关Exp，，， ，，详细剖析如下：
这里界说后面挂载overlay文件系统的文件夹名称:
并自界说xmkdir函数建设这些文件夹:
然后获取目今用户的uid和gid：
建设新的user namespace，，， ，，由于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界说：
用目今用户的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的补丁保存，，， ，，该操作是正当的。。。。
对应目录下可以看到我们修改了的文件，，， ，，通过/proc/self/exe可以找到目今历程的二进制实体（文件）：
继续回到exp中，，， ，，下面结构了一个cap，，， ，，改cap界说的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，，， ，，凭证overlay文件系统特征，，， ，，这个拷贝历程现实是建设./ovlcap/upper/magic文件，，， ，，最后挪用setxattr()函数，，， ，，将cap设置到./ovlcap/merge/magic上面。。。。
凭证前文误差原理先容，，， ，，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，，， ，，便可以使用capabilitiy举行权限提升，，， ，，接着启动./ovlcap/upper/magic历程，，， ，，该历程的capabilitiy已具备all+ep，，， ，，然后举行setuid(0)和setgid(0)提权操作，，， ，，这是被允许的。。。。
补丁跟踪
误差成因在上面已经先容了，，， ，，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，，， ，，都先举行权限校验，，， ，，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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