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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