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。

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

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：

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%。

图 4.触发漏洞前

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：

图 6.官方提供的漏洞补丁

在该补丁中，开发人员加入了对漏洞关键数据 – bytes 树值的判断，如为 0 ，则退出循环，完美修复漏洞。建议所有使用 qemu 的厂商采用该补丁，防止攻击者对在虚拟机中利用 CVE-2015-6815 漏洞。

https://community.qingcloud.com/topic/99/kvm%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%8C%96%E6%96%B0%E5%9E%8B%E6%BC%8F%E6%B4%9Ecve-2015-6815%E6%8A%80%E6%9C%AF%E5%88%86%E6%9E%90