Google Chromium CVE-2019-5826 UAF分析

简介

CVE-2019-5826是Google Chrome里IndexedDB中的Use-after-free漏洞，在版本73.0.3683.86之前该漏洞允许攻击者通过搭配render的RCE漏洞来造成UAF并沙箱逃逸。

一、环境搭建

笔者所使用的chrome版本为73.0.3683.75（源码）。下载源码并打上patch，之后编译运行即可patch如下。至于为什么要打上patch，笔者将在下面详细介绍。

// third_party/blink/renderer/modules/indexeddb/web_idb_factory_impl.cc
void WebIDBFactoryImpl::Open(
       std::make_unique<IndexedDBDatabaseCallbacksImpl>(
           base::WrapUnique(database_callbacks));
   DCHECK(!name.IsNull());
   factory_->Open(GetCallbacksProxy(std::move(callbacks_impl)),
                  GetDatabaseCallbacksProxy(std::move(database_callbacks_impl)),
                  name, version, transaction_id);
+  if (version == 3) {
+    mojom::blink::IDBCallbacksAssociatedPtrInfo ptr_info;
+    auto request = mojo::MakeRequest(&ptr_info);
+    factory_->DeleteDatabase(std::move(ptr_info), origin, name, true);
+    factory_->AbortTransactionsForDatabase(origin, base::OnceCallback<void(blink::mojom::IDBStatus)>());
+  }
 }

从chrome源码中依次复制
- indexed_db_database.cc
- indexed_db_factory_impl.cc
- web_idb_factory_impl.cc
- indexed_db_connection.cc
等文件中的源码，并将其保存至当前目录中的chromeSrc文件夹。这样做的目的是为了在调试时可以使用源代码。

没有源码的调试chrome实在是太痛苦了QwQ
老样子，使用gdb脚本来辅助调试
```
# gdbinit
# 读取符号
file ./chrome
# 设置启动参数
set args http://localhost:8000/test.html
# 设置源码路径
directory chromeSrc/
# 设置执行fork后继续调试父进程
set follow-fork-mode parent
```
这里没有设置--headless，是因为chrome单次刷新页面的速度比gdb重启chrome的速度快上很多，这样每次修改完exploit/poc后只需点击刷新即可。

输入以下命令即可开启调试
```
gdb -x gdbinit
```
如果执行时提示No usable sandbox!，执行以下命令
```
sudo sysctl -w kernel.unprivileged_userns_clone=1
```
机器重启后该命令将会失效，届时需要重新执行。

二、IndexedDB简介

Chrome中IndexedDB的大部分是在浏览器进程中实现。浏览器和渲染中都存在几个不同的mojo IPC接口，用于进程之间的通信，并且使得沙盒渲染能够执行IndexedDB的操作。
IndexedDBFactory mojo接口是渲染的主要入口点。 大多数操作（打开、关闭数据库等）都是通过IndexedDBFactory实例来进一步操作IndexedDatabase实例（注意这句话）。
IndexedDB有关于数据库和连接的概念。对于Chrome-IndexedDB，分别由IndexedDBDatabase和IndexedDBConnection类表示。在某一时间段内可以存在对同一数据库的多个连接，但是每个数据库只有一个IndexedDBDatabase对象。
另一个要理解的重要概念是请求。打开和删除数据库操作不可能同时发生，但会规划执行相应操作的请求。通过IndexedDBDatabase::OpenRequest 和IndexedDBDatabase::DeleteRequest类可以实现这些功能。
OpenRequest类和DeleteRequest类是声明在IndexedDBDatabase类中的，换句话说这两个类都是IndexedDBDatabase类的子类。
IndexedDBDatabase对象是一种引用计数（Reference counted）的对象。针对该对象的计数引用被保存在IndexedDBConnection对象、IndexedDBTransaction对象或其他正在进行或待处理的请求对象中。一旦引用计数降至0，会立即释放对象。
释放数据库对象后，会从数据库映射中删除指向IndexedDBDatabase的相应原始指针，这点非常重要。

我们顺便简单了解一下IndexDB的JS API

dbName = "mycurrent";
// 打开一个数据库，其中数据库名称为dbName，2为数据库版本
// 返回一个requests，这个request在这里应该是OpenRequest
var request = indexedDB.open(dbName, 2);
// onsuccess是该request处理完成后所执行的回调函数
request.onsuccess = function (event) {
  // 当该request执行成功后，request中的result成员为所打开的数据库对象
  db = request.result;
}
// 关闭一个数据库
var deleteRequest = indexedDB.deleteDatabase(dbName);

具体IndexedDB 的细节我们将在下节详细讲解。

三、漏洞分析

1. connections_成员变量

在讲解漏洞代码之前，我们先了解一下IndexedDBDatabase::connections_成员变量。connections_集合存储着当前连接至IndexedDatabase的所有连接。当有新connection连接至数据库，或某个connection被中断时，该connections_变量都会被修改（执行insert或remove函数）。而该关键变量是一个list_set类型的成员。

class CONTENT_EXPORT IndexedDBDatabase {
    // ...
    private:
      list_set<IndexedDBConnection*> connections_;
    // ...

list_set类型是list与set的结合体，这里我们只需关注该结构体的end函数。

iterator end() { return iterator(list_.end()); }

可以看到，list_set::end函数返回的是list的迭代器。

2. databasemap成员变量

该成员变量保存了所有指向打开的IndexedDatabase的原始指针

注意，直接使用C++的原始指针通常是一个比较危险的事情。

class CONTENT_EXPORT IndexedDBFactoryImpl : public IndexedDBFactory {
 // ...
 private:
  // ...
  std::map<IndexedDBDatabase::Identifier, IndexedDBDatabase*> database_map_;
}

当打开一个新的数据库时，指向该数据库的原始指针将会被添加进database_map_中；同样当关闭一个数据库时，指向该数据库的原始指针将会从database_map_中被移除。

3. 漏洞流程

a. “悬垂”指针

我们先来简单了解一下删除数据库的流程。

当JS中执行indexedDB.deleteDatabase函数时，通过render与chrome之间的IPC通信，chrome进程会执行IndexedDBFactoryImpl::DeleteDatabase函数，在该函数中，程序会进一步调用对应IndexedDBDatabase的DeleteDatabase函数来处理对应的数据库。

void IndexedDBFactoryImpl::DeleteDatabase(
        const base::string16& name,
        scoped_refptr<IndexedDBCallbacks> callbacks,
        const Origin& origin,
        const base::FilePath& data_directory,
        bool force_close) {
  IDB_TRACE("IndexedDBFactoryImpl::DeleteDatabase");
  // 每个IndexedDatabase在IndexedDBFactoryImpl类中都有对应唯一的idntifier
  // 该函数通过数据库名称来获取identifier并进一步在database_map中查找对应的IndexedDatabase指针
  IndexedDBDatabase::Identifier unique_identifier(origin, name);
  const auto& it = database_map_.find(unique_identifier);
  if (it != database_map_.end()) {
    // 如果找到了对应的数据库，则执行该数据库的DeleteDatabase函数
    it->second->DeleteDatabase(callbacks, force_close);
    return;
  }
  // ...

在IndexedDBDatabase::DeleteDatabase中，程序会添加一个DeleteRequest到当前IndexedDatabase中的待处理请求列表中，当数据库处理到DeleteRequest时，数据库就会马上关闭。这样做的目的是为了在剩余的请求（DeleteRequest前的所有请求）全部处理完之后，再关闭当前数据库。
```
void IndexedDBDatabase::DeleteDatabase(
    scoped_refptr<IndexedDBCallbacks> callbacks,
    bool force_close) {
  AppendRequest(std::make_unique<DeleteRequest>(this, callbacks));
  // Close the connections only after the request is queued to make sure
  // the store is still open.
  if (force_close)
    ForceClose();
}
```

但是倘若设置了force_close标志后，则程序将会进一步执行ForceClose函数来强制关闭所有的request和connection。但是，第二段用于遍历关闭连接的代码在修改connections_时并不安全。（漏洞点!）

void IndexedDBDatabase::ForceClose() {
  // IndexedDBConnection::ForceClose() may delete this database, so hold ref.
  scoped_refptr<IndexedDBDatabase> protect(this);
  // 循环将所有尚未处理的请求强制关闭
  while (!pending_requests_.empty()) {
    std::unique_ptr<ConnectionRequest> request =
        std::move(pending_requests_.front());
    pending_requests_.pop();
    request->AbortForForceClose();
  }
  // 循环将所有连接到当前数据库的connections强制断开
  // 注意！这段代码在修改connection_时不够安全
  auto it = connections_.begin();
  while (it != connections_.end()) {
    IndexedDBConnection* connection = *it++;
    // 注意这一步，执行`connection->ForceClose()`时，程序会关闭当前连接。
    // 但倘若当前遍历的连接是connection_中的最后一条连接，则会执行函数StartUpgrade以建立新连接
    connection->ForceClose();
  }
  // 常规检查
  DCHECK(connections_.empty());
  DCHECK(!active_request_);
}

在第二个用于关闭connection的循环中，程序会执行connection->ForceClose()，即IndexedDBConnection::ForceClose函数，以强制关闭该connection。而为了在IndexedDBDatabase中释放当前连接在数据库中所占用的资源，在这个函数中，程序会进一步调用IndexedDBDatabase::Close函数。

void IndexedDBConnection::ForceClose() {
  if (!callbacks_.get())
    return;

  // IndexedDBDatabase::Close() can delete this instance.
  base::WeakPtr<IndexedDBConnection> this_obj = weak_factory_.GetWeakPtr();
  scoped_refptr<IndexedDBDatabaseCallbacks> callbacks(callbacks_);
  // 注意这条代码
  database_->Close(this, true /* forced */);
  if (this_obj) {
    database_ = nullptr;
    callbacks_ = nullptr;
    active_observers_.clear();
  }
  callbacks->OnForcedClose();
}

IndexDBDatabase::Close函数会依次执行一系列操作，但这里我们只关注两个操作。该函数中，程序会先在connection_集合中删除当前连接，之后执行active_request_->OnConnectionClosed函数。

void IndexedDBDatabase::Close(IndexedDBConnection* connection, bool forced) {
  DCHECK(connections_.count(connection));
  DCHECK(connection->IsConnected());
  DCHECK(connection->database() == this);

  IDB_TRACE("IndexedDBDatabase::Close");

  // 终止当前连接中所有的未完成事务
  connection->FinishAllTransactions(IndexedDBDatabaseError(
      blink::kWebIDBDatabaseExceptionUnknownError, "Connection is closing."));

  // 从数据库中的connections_集合中删除当前request
  connections_.erase(connection);

  // 通知当前正在处理的请求，因为当前请求可能需要进行清理或者继续进行操作
  if (active_request_)
    active_request_->OnConnectionClosed(connection);

  // 如果当前数据库中的所有连接和所有请求均已经全部释放完成，则从IndexDBFactory类实例中删除指向当前IndexedDBData的指针
  if (connections_.empty() && !active_request_ && pending_requests_.empty()) {
    backing_store_ = nullptr;
    factory_->ReleaseDatabase(identifier_, forced);
  }
}

OnConnectionClosed函数中会先判断当前待处理connection是否被过早关闭。

void OnConnectionClosed(IndexedDBConnection* connection) override {
    // 如果连接过早关闭（即一个pending的connection被关闭了，此时会调用OnConnectionClosed
    if (connection && connection->callbacks() == pending_->database_callbacks) {
        pending_->callbacks->OnError(
            IndexedDBDatabaseError(blink::kWebIDBDatabaseExceptionAbortError,
                                   "The connection was closed."));
        // 该连接将在数据库中被重置
        db_->RequestComplete(this);
        return;
    }
    // 如果当前connection不是最后一个要处理的连接，则不会执行到StartUpgrade创建新连接。
    if (!db_->connections_.empty())
        return;

    StartUpgrade();
}

如果当前连接类型不为pending connection，即该连接并非被过早关闭（即正常情况，正常情况是比异常情况更容易触发的），并且当前连接为connections_中的最后一个连接。则该函数会执行StartUpgrade函数，StartUpgrade函数内部会使得IndexedDBDatabase创建一个新的pending connection至connections_列表中。

// Initiate the upgrade. The bulk of the work actually happens in
// IndexedDBDatabase::VersionChangeOperation in order to kick the
// transaction into the correct state.
void StartUpgrade() {
    // 使数据库创建一个新的连接
    connection_ = db_->CreateConnection(pending_->database_callbacks,
                                        pending_->child_process_id);
    DCHECK_EQ(db_->connections_.count(connection_.get()), 1UL);

    std::vector<int64_t> object_store_ids;

    IndexedDBTransaction* transaction = connection_->CreateTransaction(
        pending_->transaction_id,
        std::set<int64_t>(object_store_ids.begin(), object_store_ids.end()),
        blink::mojom::IDBTransactionMode::VersionChange,
        new IndexedDBBackingStore::Transaction(db_->backing_store()));
    db_->RegisterAndScheduleTransaction(transaction);

    transaction->ScheduleTask(
        base::BindOnce(&IndexedDBDatabase::VersionChangeOperation, db_,
                       pending_->version, pending_->callbacks));
}

这样，connections_集合元素将不为0。当控制流从OnConnectionClosed函数返回时，便无法通过下面的判断。这样，就无法执行factory_->ReleaseDatabase。

预期情况是，当最后一个连接被erase后，一定进入下面的if语句以执行factory_->ReleaseDatabase，但在这里显然是一个非预期情况。

void IndexedDBDatabase::Close(IndexedDBConnection* connection, bool forced) {
  // ...
  if (active_request_)
    active_request_->OnConnectionClosed(connection);

  // 如果当前数据库中的所有连接和所有请求均已经全部释放完成，则从IndexDBFactory类实例中删除指向当前IndexedDBData的指针
  if (connections_.empty() && !active_request_ && pending_requests_.empty()) {
    backing_store_ = nullptr;
    factory_->ReleaseDatabase(identifier_, forced);
  }
}

而factory_->ReleaseDatabase函数会将指向当前数据库的原始指针从database_map_中删除，也就是说，若IndexedDBFactoryImpl::ReleaseDatabase不被执行，则该原始指针就一直保存在database_map_中。

void IndexedDBFactoryImpl::ReleaseDatabase(
    const IndexedDBDatabase::Identifier& identifier,
    bool forced_close) {
  DCHECK(!database_map_.find(identifier)->second->backing_store());
  // 将当前IndexedDatabase原始指针从database_map中删除
  RemoveDatabaseFromMaps(identifier);

  // No grace period on a forced-close, as the initiator is
  // assuming the backing store will be released once all
  // connections are closed.
  ReleaseBackingStore(identifier.first, forced_close);
}

最终，database_map_中保留的原始指针并没有被删除。

同时，当控制流返回IndexedDBDatabase::ForceClose函数时，由于connections_集合既执行了erase函数，又执行了insert函数，因此在下一次判断循环条件it != connections_.end()时，connection_集合中仍然存在connection（尽管此时的连接非彼时的连接），connection_集合的元素个数将保持不变。而end函数返回的是list的迭代器，所以返回的end迭代器将保证不变，而it++，因此将跳出该循环，结束连接的终止操作。但最重要的是，IndexedDBFactoryImpl::database_map中仍然保留指向当前数据库的原始指针。该指针本应该在当前循环执行结束时被移除，但这里却没有被移除。
```
void IndexedDBDatabase::ForceClose() {
  // ...
  auto it = connections_.begin();
  while (it != connections_.end()) {
    IndexedDBConnection* connection = *it++;
    // 注意这一步，执行`connection->ForceClose()`时，程序会关闭当前连接。
    // 但倘若当前遍历的连接是connection_中的最后一条连接，则会执行函数StartUpgrade以建立新连接
    connection->ForceClose();
  }
  // ...
}
```
现在，我们可以成功将指向当前IndexedDatabase的一个原始指针保存至本不该保存的地方(指database_map)。而我们下一步要做的就是尝试将当前IndexedDatabase所使用的内存释放。

b. 释放IndexedDB内存

IndexedDBDatabase对象是一种引用计数（Reference counted）的对象。针对该对象的计数引用被保存在IndexedDBConnection对象、IndexedDBTransaction对象或其他正在进行或待处理的请求对象中。一旦引用计数降至0，会立即释放对象。（以免忘记，这段又重复了一遍）
```
class CONTENT_EXPORT IndexedDBConnection {
 // ...
  // NULL in some unit tests, and after the connection is closed.
  scoped_refptr<IndexedDBDatabase> database_;
 // ...
};

class CONTENT_EXPORT IndexedDBTransaction {
 // ...
  scoped_refptr<IndexedDBDatabase> database_;
 // ...
}
```
也就是说，一旦我们将所有与当前IndexedDBDatabase对象相关的Connection和Transaction对象全部释放，那么当前IndexedDBDatabase就会因为引用计数为0而自动释放。

Issue941746给出了一种方法 —— 通过调用IndexedDBFactoryImpl::AbortTransactionsForDatabase来释放IndexedDBDatabase对象。

// 函数调用call
content::IndexedDBFactoryImpl::AbortTransactionsForDatabase
  content::IndexedDBFactoryImpl::AbortTransactions                 // 循环对所有IndexedDatabase执行AbortAllTransactionsForConnections
    content::IndexedDBDatabase::AbortAllTransactionsForConnections // 循环对所有Connection执行FinishAllTransactions
      content::IndexedDBConnection::FinishAllTransactions          // 循环对所有Transactions执行Abort
        content::IndexedDBTransaction::Abort
          content::IndexedDBConnection::RemoveTransaction          // 释放Transaction
          content::IndexedDBDatabase::TransactionFinished          // 释放Connection

执行AbortTransactionsForDatabase函数将会释放所有的IndexedDBConnection以及IndexedDBTransaction，进而释放IndexedDatabase对象，如此就能达到我们想要释放某个IndexedDatabase对象的目的。

这里贴出IndexedDBTransaction::Abort函数的关键代码。请注意函数内部的注释。

void IndexedDBTransaction::Abort(const IndexedDBDatabaseError& error) {
  // ...
  database_->TransactionFinished(this, false);

  // RemoveTransaction will delete |this|.
  // Note: During force-close situations, the connection can be destroyed during
  // the |IndexedDBDatabase::TransactionFinished| call
  // 上面这段注释表示，在`force_close = true`的前提下，执行该函数将会释放connection以及trasaction
  if (connection_)
    connection_->RemoveTransaction(id_);
}

c. 如何触发UAF

根据上面的分析，我们可以得出，当顺序调用这三个函数时，我们便可以成功使database_map中保存一个指向已被释放内存的悬垂指针。
- Open(db1)
- DeleteDatabase(db1, force_close=True)
- AbortTransactionsForDatabase
之后，我们只需通过Heap Spray将这块被释放的内存重新分配回来即可利用。
但这里有个问题，如何在render进程中通过IndexedDBFactory来调用这三个函数呢？实际上，render的JS接口可以调用IndexedDB的open和deleteDatabase，但无法调用AbortTransactionsForDatabase接口。同时，这里存在一个问题，我们无法保证browser进程中的函数执行顺序如我们所期待的那样，因为Js中IndexedDB接口大多都是异步的，因此browser中的这三个函数可能无法依次、完全的完成执行。

但我们又必须在render进程中依次同步执行这三个函数，而这就是为什么该漏洞只能在render RCE的基础上利用的原因了。由于 render RCE可以给render进程自己打上patch，所以就可以在render进程中打patch以保证这三个函数可以被同步调用（即依次执行）。

这也是为什么在环境搭建时要在chrome源码中打上patch的原因，因为手动打上patch可以模拟render RCE 打patch的结果。

// third_party/blink/renderer/modules/indexeddb/web_idb_factory_impl.cc
void WebIDBFactoryImpl::Open(
       std::make_unique<IndexedDBDatabaseCallbacksImpl>(
           base::WrapUnique(database_callbacks));
   DCHECK(!name.IsNull());
   factory_->Open(GetCallbacksProxy(std::move(callbacks_impl)),
                  GetDatabaseCallbacksProxy(std::move(database_callbacks_impl)),
                  name, version, transaction_id);
+  if (version == 3) {
+    mojom::blink::IDBCallbacksAssociatedPtrInfo ptr_info;
+    auto request = mojo::MakeRequest(&ptr_info);
+    factory_->DeleteDatabase(std::move(ptr_info), origin, name, true);
+    factory_->AbortTransactionsForDatabase(origin, base::OnceCallback<void(blink::mojom::IDBStatus)>());
+  }
 }

d. POC

笔者在issue 941746提供的poc上做了一点修改，新构造的POC删除了无用的语句，并使Chrome触发Crash

<html>

<head>
    <script type="text/javascript">
        async function poc() {
            /*
                在chrome进程中依次同步执行open、deleteDatabase以及AbortTransactionsForDatabase函数
                执行完成后将会产生一个悬垂指针
            */
            await window.indexedDB.open("db1", 3);
            // 尝试使用这个悬垂指针，应该会造成crash
            window.indexedDB.deleteDatabase("db1");
        }

    </script>
</head>

<body onload="poc()"></body>

</html>

Chrome成功crash

crash

图中多输出的nice，为chrome打patch时多添加的一条printf语句

该语句的输出表示patch部分代码被执行。

4. 后记

以下是chrome团队修复后的代码。该patch彻彻底底将connections_集合中的所有连接全部关闭。patch前的代码依赖迭代器来判断是否全部关闭所有连接，而patch后的代码使用集合元素个数来进行判断，某种程度上使得代码更加安全。

@@ -1949,10 +1949,10 @@
     request->AbortForForceClose();
   }

-  auto it = connections_.begin();
-  while (it != connections_.end()) {
-    IndexedDBConnection* connection = *it++;
+  while (!connections_.empty()) {
+    IndexedDBConnection* connection = *connections_.begin();
     connection->ForceClose();
+    connections_.erase(connection);
   }
   DCHECK(connections_.empty());
   DCHECK(!active_request_);

四、参考

The Most Secure Browser? Pwning Chrome from 2016 to 2019
- Presentation Slides
- White Paper
NVD – CVE-2019-5826 Dtail
Chrome Issue 941746: Security: UAF in content::IndexedDBDatabase
通过IndexedDB条件竞争实现Chrome沙箱逃逸（上）
该文章并没有涉及我们当前所研究的UAF漏洞，但即便如此，它仍然提供了一些关于IndexedDB相关的说明。

（完）