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CodeQL 数据流分析/污点分析 笔记(上篇)

天问记事簿

82

2024-07-13

前序

codeql关于数据流分析的基础文档可以在这里找到,本文中不多做叙述。

codeql文档里对于数据流和污点的区别描述是这样的。

在标准库中,我们区分了正常数据流和污点跟追踪。

例如,如果您正在跟踪一个不安全的对象 x(可能是一些不受信任的或潜在的恶意数据),程序中的一个步骤可能会改变它的值。因此,在 y = x + 1 这样的简单计算中,正常的数据流分析会突出使用 x,而不是 y。然而,由于 y 是从 x 派生的,它会受到不受信任或“污染”信息的影响,因此它也被污染了。分析从 x 到 y 的污点流称为污点跟踪。

污点分析在数据流分析的基础之上,额外在控制流图上建立了许多边,以此实现。本文主要就笔者对该库的分析做了记录,如有错误还请指正。

使用case

污点建模

这里以rwctf中who move my block这道题涉及的nbd-server的一个漏洞为例来简述如何使用污点分析。

首先从 accept 函数开始找起,它是整个 socket 连接的起点,通过它我们可以根据交叉引用找到处理连接的函数 handle_modern_connection

`static void   handle_modern_connection(GArray *const servers, const int sock, struct generic_conf *genconf)   {       [...]       net = socket_accept(sock);       if (net < 0)           return;              if (!dontfork) {           // 重要!:注意这里会 fork 出一个子进程来单独处理新连接           pid = spawn_child(&commsocket);           if (pid) {               if (pid > 0) {                   msg(LOG_INFO, "Spawned a child process");                   g_array_append_val(childsocks, commsocket);               }               if (pid < 0)                   msg(LOG_ERR, "Failed to spawn a child process");               close(net);               return;           }           /* Child just continues. */       }       [...]              // 连接协商       client = negotiate(net, servers, genconf);                 [...]                 msg(LOG_INFO, "Starting to serve");      	       // 开始处理       mainloop_threaded(client);       exit(EXIT_SUCCESS);   handler_err:       [...]   }`        

需要注意的是,默认情况下对于每个连接,server 都会 fork 一个新的子进程来单独处理。这个特性相当重要,因为我们可以利用这个特性来爆破 canary 和 PIE

该函数会调用 negotiate 函数,并创建结构体 CLIENT,将新连接的 fd 赋值给该 client,之后后续使用 socket_read(client, addr, len) 来从 client(即我们这边)读取数据。

`/**    * Do the initial negotiation.    *    * @param net The socket we're doing the negotiation over.    * @param servers The array of known servers.    * @param genconf the global options (needed for accessing TLS config data)    **/   CLIENT* negotiate(int net, GArray* servers, struct generic_conf *genconf) {   	uint16_t smallflags = NBD_FLAG_FIXED_NEWSTYLE | NBD_FLAG_NO_ZEROES;   	uint64_t magic;   	uint32_t cflags = 0;   	uint32_t opt;       // 创建并初始化 client 结构体   	CLIENT* client = g_new0(CLIENT, 1);       // 将 socket fd 赋给 cleint   	client->net = net;   	client->socket_read = socket_read_notls;   	client->socket_write = socket_write_notls;   	client->socket_closed = socket_closed_negotiate;      	assert(servers != NULL);   	socket_write(client, INIT_PASSWD, 8);   	magic = htonll(opts_magic);   	socket_write(client, &magic, sizeof(magic));      	smallflags = htons(smallflags);   	socket_write(client, &smallflags, sizeof(uint16_t));       // 从 client 读取数据   	socket_read(client, &cflags, sizeof(cflags));   	cflags = htonl(cflags);       [...]   }   `

这样,我们可以socket_read的第二个参数(用户输入将读入到这里)作为source点,然后将看能否污点到后续调用的source_read的第三个参数(即控制读入的长度),当然也可以做其他污点。

QL source code

使用的QL如下,由于污点分析不会对未建模的函数进行进一步污点传播,所以这里通过覆盖isAdditionalTaintStep来手动构建函数参数到函数调用的额外边,另外一个需要注意的是我使用的是semmle.code.cpp.ir.dataflow.TaintTracking而不是文档里的semmle.code.cpp.dataflow.TaintTracking,前者是基于IR的新API,被建议使用,也广泛应用在codeql自己的cwe case里

大概的结构是继承TaintTracking::Configuration之后覆盖里面的方法即可。

`/**    * @kind path-problem    */      import DataFlow::PathGraph   import cpp   import semmle.code.cpp.ir.dataflow.TaintTracking      predicate htonlCallEdge(DataFlow::Node node1, DataFlow::Node node2) {     exists(FunctionCall fc |       // fc.getTarget().getName() = "htonl" and       node1.asExpr() = fc.getAnArgument() and       node2.asExpr() = fc     )   }      class MyDataFlowConfiguration extends TaintTracking::Configuration {     MyDataFlowConfiguration() { this = "MyDataFlowConfiguration" }        override predicate isSource(DataFlow::Node source) {       exists(FunctionCall fc | fc.getArgument(1) = source.asExpr() |         fc.getTarget().hasGlobalName("socket_read")       )     }        override predicate isSink(DataFlow::Node sink) {       // sink.asExpr().getLocation().toString().matches("%nbd-server%") and       // sink.asExpr() instanceof BinaryArithmeticOperation       exists(FunctionCall fc | fc.getArgument(2) = sink.asExpr() |         fc.getTarget().hasGlobalName("socket_read")       )     }        override predicate isAdditionalTaintStep(DataFlow::Node node1, DataFlow::Node node2) {       htonlCallEdge(node1, node2)     }   }      from MyDataFlowConfiguration config, DataFlow::PathNode source, DataFlow::PathNode sink   where config.hasFlowPath(source, sink)   select sink.getNode(), source, sink, ""   `

漏洞分析

最终发现的漏洞在handle_info里的一个栈溢出

`static bool handle_info(CLIENT* client, uint32_t opt, GArray* servers, uint32_t cflags) {   	uint32_t namelen, len;   	char *name;   	int i;   	SERVER *server = NULL;   	[...]   	char buf[1024];   	[...]          // 1. 从远程读入 len   	socket_read(client, &len, sizeof(len));   	len = htonl(len);       // 2. 从远程读入 namelen   	socket_read(client, &namelen, sizeof(namelen));   	namelen = htonl(namelen);       // 3. 进入 if 分支   	if(namelen > (len - 6)) {   		send_reply(client, opt, NBD_REP_ERR_INVALID, -1, "An OPT_INFO request cannot be smaller than the length of the name + 6");           // 4. 从 client 读入数据,由于 len 可控,因此可以造成栈溢出   		socket_read(client, buf, len - sizeof(namelen));   	}   	if(namelen > 0) {   		name = malloc(namelen + 1);   		name[namelen] = 0;   		socket_read(client, name, namelen);   	} else {   		name = strdup("");   	}       [...]   }   `

codeql污点分析源码分析

TaintTracking::Configuration定义在cpp/ql/lib/semmle/code/cpp/ir/dataflow/internal/tainttracking1/TaintTrackingImpl.qll

它其实继承自DataFlow::Configuration,然后扩展了isAdditionalFlowStep,注意到这里先调用了this.isAdditionalTaintStep,这就是我们可以继承后覆盖的代码,引入我们自己的额外边,同时它还有一个defaultAdditionalTaintStep,这是该污点自己对数据流进行的扩展。

`abstract class Configuration extends DataFlow::Configuration{     ...     predicate isAdditionalTaintStep(DataFlow::Node node1, DataFlow::Node node2) { none() }        final override predicate isAdditionalFlowStep(DataFlow::Node node1, DataFlow::Node node2) {       this.isAdditionalTaintStep(node1, node2) or       defaultAdditionalTaintStep(node1, node2)     }   ...   predicate defaultAdditionalTaintStep(DataFlow::Node src, DataFlow::Node sink) {     localAdditionalTaintStep(src, sink)   }   ...   cached   predicate localAdditionalTaintStep(DataFlow::Node nodeFrom, DataFlow::Node nodeTo) {     operandToInstructionTaintStep(nodeFrom.asOperand(), nodeTo.asInstruction())     or     instructionToOperandTaintStep(nodeFrom.asInstruction(), nodeTo.asOperand())   }   `

operandToInstructionTaintStep

operandToInstructionTaintStep 用于把污点从参数流向指令返回值,这里做了许多连边处理:

  • 首先是运算指令的参数连边至整个运算指令:
``// Taint can flow through expressions that alter the value but preserve     // more than one bit of it _or_ expressions that follow data through     // pointer indirections.     instrTo.getAnOperand() = opFrom and     (         instrTo instanceof ArithmeticInstruction         or         instrTo instanceof BitwiseInstruction         or         instrTo instanceof PointerArithmeticInstruction         or         // The `CopyInstruction` case is also present in non-taint data flow, but         // that uses `getDef` rather than `getAnyDef`. For taint, we want flow         // from a definition of `myStruct` to a `myStruct.myField` expression.         instrTo instanceof CopyInstruction     )   ``

这里的连边操作将算数运算位运算指针运算字段使用等指令的参数连向了整个指令。

例如如果我们污点到了len + 1len,那么它将把污点从len传播到len + 1这个AddExpr中。

  • 其次是一元运算指令,这里排除了字段取地址指令
  ``// Unary instructions tend to preserve enough information in practice that we     // want taint to flow through.     // The exception is `FieldAddressInstruction`. Together with the rules below for     // `LoadInstruction`s and `ChiInstruction`s, flow through `FieldAddressInstruction`     // could cause flow into one field to come out an unrelated field.     // This would happen across function boundaries, where the IR would not be able to     // match loads to stores.     instrTo.(UnaryInstruction).getUnaryOperand() = opFrom and     (       not instrTo instanceof FieldAddressInstruction       or       instrTo.(FieldAddressInstruction).getField().getDeclaringType() instanceof Union     )``

排除字段取地址指令的原因正如注释所说,流过 FieldAddressInstruction 可能会导致污点流从某个字段流入,从另一个不相关的字段流出。

  • 此外是为其他已经建模好的函数进行污点传递,其中污点从 callInput 传播到 callOutput。
`modeledTaintStep(opFrom, instrTo)   `

污点分析库会额外对库函数建模,对很多非常常用的函数建立额外边。这种建模是通过派生 TaintFunction 类,重写 hasTaintFlow 函数来实现的。我们可以全局搜索 TaintFunction 字符串,找到所有建模好的函数。以下是其中某个函数的建模实现:

``/**    * A function that is pure, that is, its evaluation is guaranteed to be    * side-effect free. Excludes functions modeled by `PureStrFunction` and `PureMemFunction`.    */   private class PureFunction extends TaintFunction, SideEffectFunction {     PureFunction() { this.hasGlobalOrStdOrBslName(["abs", "labs"]) }        override predicate hasTaintFlow(FunctionInput input, FunctionOutput output) {       exists(ParameterIndex i |         input.isParameter(i) and         exists(this.getParameter(i))       ) and       output.isReturnValue()     }        override predicate hasOnlySpecificReadSideEffects() { any() }        override predicate hasOnlySpecificWriteSideEffects() { any() }   }   ``

污点分析库对函数 abs 进行建模,重写 hasTaintFlow函数,将该函数的输入参数与函数的返回值相连。这样,如果该函数的参数被污染,那么该函数的返回值也将被视为污染。

数据流分析库同样会对一些库函数进行建模,但不同的是,所建模函数的数量并没有污点分析那么多,同时连接额外边的侧重点也不一样,以 gets 函数为例,以下是它的建模实现:

``/**    * The standard functions `gets` and `fgets`.    */   private class GetsFunction extends DataFlowFunction, TaintFunction, ArrayFunction, AliasFunction,     SideEffectFunction, RemoteFlowSourceFunction {     GetsFunction() {       // gets(str)       // fgets(str, num, stream)       // fgetws(wstr, num, stream)       this.hasGlobalOrStdOrBslName(["gets", "fgets", "fgetws"])     }        override predicate hasDataFlow(FunctionInput input, FunctionOutput output) {       input.isParameter(0) and       output.isReturnValue()     }        override predicate hasTaintFlow(FunctionInput input, FunctionOutput output) {       input.isParameter(2) and       output.isParameterDeref(0)     }        override predicate parameterNeverEscapes(int index) { index = 2 }        override predicate parameterEscapesOnlyViaReturn(int index) { index = 0 }        override predicate parameterIsAlwaysReturned(int index) { index = 0 }        override predicate hasOnlySpecificReadSideEffects() { any() }        override predicate hasOnlySpecificWriteSideEffects() { any() }        override predicate hasSpecificWriteSideEffect(ParameterIndex i, boolean buffer, boolean mustWrite) {       i = 0 and       buffer = true and       mustWrite = true     }        override predicate hasRemoteFlowSource(FunctionOutput output, string description) {       output.isParameterDeref(0) and       description = "String read by " + this.getName()     }        override predicate hasArrayWithVariableSize(int bufParam, int countParam) {       not this.hasName("gets") and       bufParam = 0 and       countParam = 1     }        override predicate hasArrayWithUnknownSize(int bufParam) {       this.hasName("gets") and       bufParam = 0     }        override predicate hasArrayOutput(int bufParam) { bufParam = 0 }   }      ``

注意到 hasDataFlow 的实现是将传入的第一个 buf 参数与返回值连接(buf参数的值会影响到 gets 的返回值)。而  hasTaintFlow 是将 fgets 等的数据来源与 buf 连接(数据来源会污染 buf 中的数据)。

  • 除此之外还涉及到ReadSideEffectInstruction/InitializeIndirectionInstruction等IR进行了额外的连边,但是笔者暂未找到合适的codeql IR文档,留待后文,但我初步推测应该和内存初始化和指针解引用等都有关系。

总结

目前看codeql的c/c++污点分析还是有局限性的,首先它并没有对c++的语法特性做适配,目前看只是字段访问的时候有额外的处理。此外受限于符号支持,它并不能完全实现跨函数追踪,例如对于大部分标准库函数它目前都只能自己去建模,无法自动化的分析和追踪,但这不是ql的问题,是插桩的问题,这部分我在想通过静态链接能否有改善。

目前我们在自己做审计的时候,如果需要做跨函数的追踪,还是需要像我代码里一样去手动连边,这个连边可以是保守的也可以是粗放的,例如我的实现就是,如果污点传入的函数参数,就传播到函数调用。

此外根据我在做chrome QL审计的经验,可以参考Chrome Library来补一些拷贝构造函数,智能指针,虚函数调用,以及c++容器相关的边。

这些也是留待后文。

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P.S. 超链接公众号上暂时加不了,请移步星球看完整版(

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