腾讯科恩实验室Black Hat USA 2018议题解读|iOS越狱细节揭秘：危险的用户态只读内存

议题概要

现代操作系统基本都已经在硬件级别（MMU）支持了用户态只读内存，只读内存映射在保证了跨进程间通信、用户态与内核间通信高效性的同时，也保证了其安全性。直到DirtyCOW漏洞的出现，这种信任边界被彻底打破。

在iOS中，这样的可信边界似乎是安全的，然而随着苹果设备的快速更新和发展，引入了越来越多的酷炫功能。许多酷炫功能依赖iOS与一些独立芯片的共同协作。其中，DMA（直接内存访问）技术让iOS与这些独立芯片之间的数据通信变得更加高效。

然而，很少有人意识到，这些新功能的引入，悄然使得建立已久的可信边界被打破。科恩实验室经过长时间的研究，发现了一些间接暴露给用户应用的DMA接口。虽然DMA的通信机制设计的比较完美，但是在软件实现层出现了问题。将一系列的问题串联起来后，将会形成了一个危害巨大的攻击链，甚至可导致iOS手机被远程越狱。部分技术曾在去年的MOSEC大会上进行演示，但核心细节与技术从未被公开。该议题将首次对这些技术细节、漏洞及利用过程进行分享，揭示如何串联多个模块中暴露的“不相关”问题，最终获取iOS内核最高权限的新型攻击模式。

作者简介

陈良，腾讯安全科恩实验室安全研究专家，专注于浏览器高级利用技术、Apple系操作系统(macOS/iOS)的漏洞挖掘与利用技术研究。他曾多次带领团队获得Pwn2Own 、Mobile Pwn2Own的冠军，并多次实现针对iOS系统的越狱。

议题解析

现代操作系统都会实现内存保护机制，让攻击变得更困难。iOS在不同级别实现了这样的内存保护，例如，MMU的TBE属性实现NX、PXN、AP等，以及更底层的KPP、AMCC等：

其中，用户态只读内存机制，在iOS上有很多应用，比如可执行页只读、进程间只读以及内核到用户态内存的只读：

如果一旦这些只读内存的保护被破坏，那么最初的可信边界就会被彻底破坏，在多进程通信的模式下，这可以导致沙盒绕过。而对于内核和用户态内存共享模式下，这可能可以导致内核代码执行：

然而突破这样的限制并不容易，在iOS中，内核代码会阻止这样的情况发生：每个内存页都有一个max_prot属性，如果这个属性设置为不能大于只读，那么所有设置成writable的重映射请求都会被阻止：

随着手机新技术的发展，DMA技术也被应用于手机上，DMA是一种让内存可以不通过CPU进行处理的技术，也就是说，所有CPU级别的内存保护，对于DMA全部无效。

那么，是不是说，DMA没有内存保护呢？事实并非如此，这是因为两个原因：第一，对于64位手机设备，许多手机的周边设备（例如WIFI设备）还是32位的，这使得有必要进行64位和32位地址间转换；第二是因为DMA技术本身需要必要的内存保护。

正因为如此，IOMMU的概念被提出了。在iOS设备中，DART模块用来实现这样的地址转换。

事实上DMA有两种：Host-to-device DMA以及device-to-host DMA，前者用于将系统内存映射到设备，而后者用户将设备内存映射于系统虚拟内存。在2017年中，Google Project Zero的研究员Gal Beniamini先将WIFI芯片攻破，然后通过修改Host-to-device DMA的一块内存，由于内核充分信任这块内存，忽略了一些必要的边界检查，导致成功通过WIFI来攻破整个iOS系统：

然而Gal的攻击方式存在一定局限，因为必须在短距离模式下才能完成：攻击WIFI芯片需要攻击者和受害者在同一个WIFI环境中。

我们有没有办法通过DMA的问题实现远距离攻破，这听上去并不可行，因为DMA接口本身并不会暴露于iOS用户态。

然而通过科恩实验室的研究发现，可能存在一些间接接口，可以用来做DMA相关的操作，例如iOS中的JPEG引擎以及IOSurface transform等模块。我们选择研究IOSurface transform模块的工作机制。以下是IOSurface transform模块的工作机制：

IOSurfaceAccelerator接口通过用户态提供的两个IOSurface地址作为用户参数，通过操作Scaler设备，将IOSurface对应的地址转换成Scaler设备可见的设备地址，然后启动scaler设备进行transform，整个过程如下：

另一方面，在这个Host-to-device DMA过程中，用户态内存的只读属性是否被考虑在内，是一个比较疑惑的问题。我们经过研究，发现在IOMMU中是支持内存属性的：

在TTE的第8和第9位，是用于执行内存页的读写属性的：

因此我们得到这样的页表属性定义：

我们之后介绍了苹果图形组件的工作模式：

在iPhone7设备中，一共有128个Channel，这些Channel被分成三类：CL、GL和TA，内核将来自用户态的绘图指令包装并塞入这128个channel，然后等待GPU的处理。由于GPU处理是高并发的，因此需要很健全的通知机制：

首先GPU会映射一个128个元素的stampArray给kernel，kernel也会把这块内存映射到用户态。与此同时，内核也维护了一个stamp address array，用于保存每个channel的stamp地址：

值得注意的是，GPU每处理完一个绘图指令后，都会将对应channel的stamp值加1。另一方面，对于每个绘图指令，都会有一个期望stamp值，这个值被封装于IOAccelEvent对象中：

系统通过简单的比较expectStamp于当前channel的stamp值就可以确定这个绘图指令是否已经完成。为了提高处理效率，部分IOAccelEvent对象会被映射到用户态，属性只读。

在介绍完了所有这些机制性的问题后，我们来介绍两个用于Jailbreak的关键漏洞。漏洞1存在于DMA映射模块，先前提到，系统的内存属性mapOption会被传入底层DART的代码中，然而在iOS 10以及早期的iOS 11版本中，这个mapOption参数被下层的DART转换所忽略：

所有操作系统中的虚拟地址，都会被映射成IOSpace中允许读写的内存：

之后我们介绍第二个漏洞，这个漏洞存在于苹果图形模块中。在IOAccelResource对象创建过程中，一个IOAccelClientShareRO对象会被映射到用户态作为只读内存，这个对象包含4个IOAccelEvent对象：

在IOAccelResource对象销毁过程中，testEvent函数会被执行，用于测试IOAccelResource对应的绘图指令是否已经被GPU处理完成：

在这个代码逻辑中，由于内核充分信任这块IOAccelEvent内存不会被用户态程序篡改（因为是只读映射），因此并没有对channelIndex做边界检查。这虽然在绝大多数情况下是安全的，但如果我们配合漏洞1，在用户态直接修改这块只读内存，就会导致可信边界被彻底破坏，从而造成m_stampAddressArray的越界读以及m_inlineArray的越界写：

最后，我们讨论两个漏洞的利用。要利用这两个漏洞并不容易，因为我们需要找到一种内存布局方法，让m_stampAddressArray以及m_inlineArray这两个数组的越界值都可控。但因为这两个数组在系统启动初期就已经分配，而且这两个数组的元素大小并不相同，因此布局并不容易。

经过研究，我们发现，只有通过指定大index以及合理的内核对喷，才能实现这样的布局。因为在iPhone7设备中，用户态应用可以喷射大概350MB的内存，并且在m_stampAddressArray以及m_inlineArray初始化后，会有额外50MB的内存消耗，因此我们需要使得index满足以下两个条件：

index ∗ 24 < 350MB + 50MB
index ∗ 8 > 50MB

也就是说index的值需要在[0x640000, 0x10AAAAA]这个范围内，可以使得两个数组的越界值极大概率在我们可控的喷射内存内：

然后，下一个问题就是，我们是否能够任意地址读以及任意地址写。对于任意地址读似乎不是什么问题，因为m_stampAddressArray的元素大小是8字节，可以通过指定任意index到达任意内存地址。但任意地址写需要研究，因为m_inlineArray的元素大小是24字节，只有一个field可以用于越界写，所以不是每个内存地址都可以被写到：

在这种情况下，我们退求其次，如果能实现对于一个页中的任意偏移值进行写操作，那么也可以基本达到我们的要求。在这里，我们需要通过同余定理来实现：

因为：

0xc000 ≡ 0(mod0x4000)

因此对于任意整数n，满足：

n ∗ 0x800 ∗ 24 ≡ 0(mod0x4000)

由于0x4000 / 24 * 0xF0 / 16 = 0x27f6，我们得到：

0xF0 + 0x27f6 ∗ 24 + n ∗ 0x800 ∗ 24 ≡ 0(mod0x4000)

最后我们得出结论，如果需要通过越界m_inlineArray写到一个页的前8字节，需要满足:

index = 0x27f6 + n ∗ 0x800

而如果需要到达任意页内偏移，假设要到达偏移m，则index需要满足条件：

index = 0x27f6 + 0x2ab ∗ m/8 + n ∗ 0x800

与之前得出的index范围结论相结合，我们最终选择了index值0x9e6185: