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KVM虚拟化新型漏洞CVE-2015-6815技术分析

0x00 前言

云计算业务目前已经触及到多个行业，无论是云存储，云音乐等生活中随处可见的业务，就连银行金融，支付信息等服务也都和云紧密相关。作为云服务的基础，虚拟化系统扮演着非常重要的角色，因为在云生态中主机的硬件多是由虚拟化系统模拟出来的。虚拟化系统中的安全漏洞将严重影响云业务的安全。

360虚拟化安全团队（MarvelTeam）近日发现了多个虚拟化软件安全漏洞，使用kvm和xen作为虚拟化平台的公司业务都将会受这批漏洞影响。该漏洞一旦被攻击者恶意利用，可以造成三种类型的安全风险：1）虚拟机宕机，影响业务；2）系统资源被强制占用，宿主机及所有虚拟机拒绝服务；3)虚拟机逃逸，攻击者在宿主机中执行任意代码。

我们将陆续公开系列针对虚拟化软件高危0day漏洞的分析文章，揭开宿主机攻击技术的神秘面纱。本文将首先分析KVM虚拟化新型漏洞CVE-2015-6815。

在9月29日的ISC 2015大会上，360虚拟化安全团队（MarvelTeam）安全研究员唐青昊，将进行《云虚拟化系统的漏洞挖掘技术》的议题演讲，进一步分享漏洞挖掘的核心技术。

0x01 关于QEMU和KVM

QEMU是一款处理器模拟软件，可以提供用户模式模拟和系统模式模拟。当处于用户模式模拟状态时，将使用动态翻译技术，允许一个cpu构建的进程在另一个cpu上执行。系统模式模拟状态下，允许对整个pc系统的处理器和所使用到的相关外围设备进行模拟。qemu提供的仿真外设包括硬件Video Graphics Array (VGA) 仿真器、PS/2 鼠标和键盘、集成开发环境（IDE）硬盘和 CD-ROM 接口，以及软盘仿真。也包括对E2000 Peripheral Controller Interconnect (PCI) 网络适配器、串行端口、大量的声卡和 PCI Universal Host Controller Interface (UHCI) Universal Serial Bus (USB) 控制器（带虚拟 USB 集线器）的仿真。除了仿真标准 PC 或 ISA PC（不带 PCI 总线）外，QEMU 还可以仿真其他非 PC 硬件，如 ARM Versatile 基线板（使用 926E）和 Malta million instructions per second (MIPS) 板。对于各种其他平台，包括 Power Macintosh G3 (Blue & White) 和 Sun-4u 平台，都能正常工作。

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图1.qemu可进行模拟的外围设备

KVM是一种依赖硬件虚拟化技术（Intel VT或者AMD V）的裸机虚拟化程序，它使用 Linux 内核作为它的虚拟机管理程序。对 KVM 虚拟化的支持自 2.6.20 版开始已成为主流 Linux 内核的默认部分。KVM支持的操作系统非常广泛，包括Linux、BSD、Solaris、Windows、Haiku、ReactOS 和 AROS Research Operating System。

在 KVM 架构中，虚拟机实现为常规的 Linux 进程，由标准 Linux 调度程序进行调度。事实上，每个虚拟 CPU 显示为一个常规的 Linux 进程。这使 KVM 能够享受 Linux 内核的所有功能。设备模拟由提供了修改过的 qemu 版本来完成。

0x02 QEMU网卡设备简介

QEMU支持多种网卡设备，可以通过如下的命令去列举所支持的网卡设备类型，一共有8种，基本可以满足大多数操作系统的需求。

图2.qemu支持的虚拟网卡设备

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此次漏洞出现在e1000网卡设备中，该网卡的基本功能等同于Intel rc82540EM硬件网卡，支持TSO技术，网络数据传输效率极高。

0x03 漏洞分析

CVE-2015-6815是qemu软件的虚拟网卡设备存在的一处逻辑漏洞，攻击者可通过构造恶意的数据流触发该漏洞。我们分析网卡在处理恶意数据流时执行的逻辑：

a）网卡驱动向网卡设备发送指令，通知网卡设备执行数据发送操作； b）set_tctl(E1000State *s, int index, uint32_t val)

当网卡设备判断已经设置相关寄存器，即开始进行发包操作，进入set_tctl函数中进行相关处理，函数原型如下：

c) start_xmit(E1000State *s)

start_xmit函数首先检查(s->reg[TCTL]&E1000_TCTL_EN)，若等于0，表示没开启发送功能，将直接退出。否则判断是否存在有效的描述符，有的话则依次取出描述符交给process_tx_desc处理。

d)存在漏洞的函数源码如下：

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图3.存在漏洞的函数代码

根据注释，可以清晰地看到，该函数的主要目的是按照3种类型来处理网卡数据描述符表中的单个描述符，分别是context descriptor，data descriptor，legacy descriptor，这三种类型代表了不同的数据内容：描述信息，数据，遗留信息，网卡通过判断处于何种类型，设置s->tx的状态位，然后根据tp->tse 和 tp->cptst来确定是否要调用xmit_seg函数以及怎样填充buf,由于函数对驱动传进来描述符的内容没有检测,可设置成任意值。xmit_seg函数根据s->tx中各字段的信息来填充s->data,最后调用qemu_send_packet函数发送s->data,qemu_send_packet(nc, buf, size)。

在该函数的执行过程中，攻击者通过恶意的数据流，可以控制该函数中的tp->hdr_len和tp->mss数据的值,而 msh = tp->hdr_len + tp->mss。在进入do...while 循环之后，tp->size值为0，而bytes和msh的值可以控制，通过迫使代码逻辑进入第一个if循环，可将bytes设置为msh的值，即bytes也可以被控制。之后，bytes可以一直保持值不变，直至进入while的条件判断语句，此时如果bytes为0，则do...while进入死循环的逻辑。

0x04 漏洞危害

攻击者利用该漏洞可以导致虚拟机拒绝服务，并且保持对cpu的高占用率，继而会影响宿主机以及其他虚拟机的正常执行。

我们在测试环境中对该漏洞进行测试，触发前后的截图如下。可以看到，在漏洞触发后宿主机的空闲cpu百分比一直锁定为为0%。

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图4.触发漏洞前

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图5.触发漏洞后

0x05 漏洞修补方案

360虚拟化安全团队（MarvelTeam）在发现了该漏洞之后，第一时间通知QEMU软件官方团队进行修复。官方在20天的紧张修复之后，在9月5日完成对该漏洞的修复补丁。详细信息见https://access.redhat.com/security/cve/CVE-2015-6815，该网页也包含了360虚拟化安全团队的致谢。

官方对该漏洞的修补方法如下：

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