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 ，团结这个补丁挂载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的文件系统服务 ，着实现一个面向其他文件系统的团结挂载。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 ，这里一定是磨练通过的。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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