Zend VM的沙箱逃逸（Sandbox Escape）：利用扩展漏洞绕过安全限制的分析

Zend VM 的沙箱逃逸：利用扩展漏洞绕过安全限制的分析

大家好，今天我们来深入探讨一下 Zend VM 的沙箱逃逸，重点关注如何利用扩展漏洞绕过安全限制。这是一个非常重要的安全议题，尤其是对于那些运行用户自定义代码的 PHP 应用来说。

1. 沙箱的概念与必要性

首先，我们需要理解什么是沙箱。简单来说，沙箱是一种隔离机制，旨在限制程序或代码在特定环境中的访问权限。在 PHP 的上下文中，沙箱通常意味着限制脚本可以访问的文件系统、网络资源、系统调用以及其他敏感函数。

为什么我们需要沙箱？原因很简单：安全。考虑以下场景：

• 共享主机环境: 多个用户共享同一台服务器，我们需要防止一个用户的脚本访问或破坏其他用户的资源。
• 用户上传脚本: 允许用户上传和执行 PHP 脚本，我们需要防止恶意脚本执行任意代码，篡改数据或攻击服务器。
• 插件系统: 允许第三方开发者编写插件，我们需要确保插件不会破坏主程序的稳定性和安全性。

如果没有沙箱，恶意代码很容易控制整个服务器，造成严重的损失。

2. PHP 沙箱的实现方式

PHP 本身并没有内置完善的沙箱机制，通常需要结合多种技术来实现：

• disable_functions 和 disable_classes: 这是最常用的方法，在 php.ini 中禁用危险的函数和类，例如 exec, system, passthru, shell_exec, proc_open, eval 等。
• open_basedir: 限制 PHP 脚本可以访问的文件系统目录。
• 安全模式 (Safe Mode): (已弃用) 曾经是 PHP 的一个内置沙箱模式，但由于存在很多绕过方式，并且维护困难，已被移除。
• 扩展 (Extensions): 通过编写自定义扩展，可以更细粒度地控制 PHP 脚本的行为，例如，限制网络连接、内存使用等。
• 虚拟机隔离 (Virtualization): 使用 Docker 或其他虚拟化技术，将 PHP 进程隔离在独立的容器中，可以提供更强的安全保障。

这些技术并非总是能完全阻止攻击者，尤其是当扩展本身存在漏洞时。

3. Zend VM 简介

在深入讨论扩展漏洞之前，我们需要了解一下 Zend VM。Zend VM 是 PHP 引擎的核心，负责解释和执行 PHP 代码。它是一个基于堆栈的虚拟机，将 PHP 代码编译成操作码 (Opcodes)，然后逐个执行这些操作码。

理解 Zend VM 的工作原理对于理解沙箱逃逸至关重要，因为许多逃逸技术都涉及到直接操纵 Zend VM 的内部状态。

4. 扩展漏洞的类型

PHP 扩展是用 C/C++ 编写的，可以直接访问底层系统资源，因此，扩展漏洞的危害性非常大。常见的扩展漏洞类型包括：

• 缓冲区溢出 (Buffer Overflow): 当扩展向缓冲区写入数据时，超过了缓冲区的大小，覆盖了相邻的内存区域。这可能导致程序崩溃，或者被攻击者利用来执行任意代码。
• 格式化字符串漏洞 (Format String Vulnerability): 当扩展使用用户提供的数据作为 printf 系列函数的格式化字符串时，攻击者可以通过构造特殊的格式化字符串来读取或写入内存。
• 类型混淆 (Type Confusion): 当扩展错误地处理不同类型的数据时，可能导致类型混淆漏洞。攻击者可以通过构造特定的输入，使得程序将一个类型的数据误认为另一种类型，从而执行任意代码。
• 整数溢出 (Integer Overflow): 当扩展进行整数运算时，结果超出了整数类型的范围，导致溢出。这可能导致程序逻辑错误，或者被攻击者利用来执行任意代码。
• 空指针解引用 (Null Pointer Dereference): 当扩展尝试访问空指针指向的内存区域时，会导致程序崩溃。
• 条件竞争 (Race Condition): 当多个线程或进程同时访问和修改共享资源时，可能导致条件竞争漏洞。攻击者可以通过控制线程或进程的执行顺序，使得程序进入错误的状态。

5. 利用扩展漏洞进行沙箱逃逸的示例

现在，我们来看几个具体的示例，说明如何利用扩展漏洞进行沙箱逃逸。

5.1 缓冲区溢出

假设我们有一个简单的扩展，名为 my_extension，它提供了一个函数 my_extension_copy，用于将一个字符串复制到另一个字符串：

#include <php.h>

PHP_FUNCTION(my_extension_copy) {
    char *src, *dest;
    size_t src_len, dest_len;

    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "ss", &src, &src_len, &dest, &dest_len) == FAILURE) {
        RETURN_NULL();
    }

    if (dest_len < src_len) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Destination buffer is too small");
        RETURN_FALSE;
    }

    memcpy(dest, src, src_len);
    RETURN_TRUE;
}

zend_function_entry my_extension_functions[] = {
    PHP_FE(my_extension_copy, NULL)
    PHP_FE_END
};

zend_module_entry my_extension_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "my_extension",
    my_extension_functions,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    "1.0",
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_MY_EXTENSION
ZEND_GET_MODULE(my_extension)
#endif

这个代码看起来很安全，它检查了目标缓冲区的大小是否足够容纳源字符串。但是，如果目标缓冲区 dest 是一个静态分配的缓冲区，并且 dest_len 的值在 zend_parse_parameters 之后被修改，那么就可能存在缓冲区溢出漏洞。

例如，假设我们有以下 PHP 代码：

<?php
$dest = str_repeat('A', 10); // 创建一个 10 字节的字符串
$src = str_repeat('B', 100); // 创建一个 100 字节的字符串

my_extension_copy($src, $dest);

echo $dest;
?>

如果 my_extension_copy 函数在 zend_parse_parameters 之后没有正确地更新 dest_len 的值，那么 memcpy 函数可能会向 dest 缓冲区写入超过 10 字节的数据，导致缓冲区溢出。

攻击者可以通过精心构造 src 字符串，覆盖相邻的内存区域，例如，覆盖 Zend VM 的内部状态，从而执行任意代码。

5.2 格式化字符串漏洞

假设我们有另一个扩展，名为 logger，它提供了一个函数 logger_log，用于将日志消息写入文件：

#include <php.h>

PHP_FUNCTION(logger_log) {
    char *format;
    size_t format_len;
    char filename[256];
    FILE *fp;

    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "s", &format, &format_len) == FAILURE) {
        RETURN_NULL();
    }

    snprintf(filename, sizeof(filename), "/tmp/log.txt");
    fp = fopen(filename, "a");
    if (fp == NULL) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Failed to open log file");
        RETURN_FALSE;
    }

    fprintf(fp, format); // 格式化字符串漏洞!
    fclose(fp);
    RETURN_TRUE;
}

zend_function_entry logger_functions[] = {
    PHP_FE(logger_log, NULL)
    PHP_FE_END
};

zend_module_entry logger_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "logger",
    logger_functions,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    "1.0",
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_LOGGER
ZEND_GET_MODULE(logger)
#endif

这个代码存在一个明显的格式化字符串漏洞：fprintf(fp, format)。如果 format 字符串包含格式化字符 (例如 %s, %x, %n)，那么攻击者可以通过构造恶意的 format 字符串来读取或写入内存。

例如，攻击者可以使用 %x 来读取栈上的数据，或者使用 %n 来向指定地址写入数据。通过多次读取栈上的数据，攻击者可以找到 Zend VM 的内部状态的地址，然后使用 %n 来修改这些状态，从而执行任意代码。

以下是一个简单的利用示例：

<?php
logger_log("%x %x %x %x %x %x %x %x %x %x %x %x %x %x %x %x");
?>

这个代码会输出栈上的 16 个值，攻击者可以分析这些值，找到有用的信息。

更高级的攻击者可以使用 %n 来覆盖函数指针，或者修改 Zend VM 的内部状态，从而实现沙箱逃逸。

5.3 类型混淆

PHP 是一种弱类型语言，这意味着变量的类型可以动态改变。如果扩展没有正确地处理不同类型的数据，就可能导致类型混淆漏洞。

假设我们有一个扩展，名为 converter，它提供了一个函数 converter_convert，用于将一个变量转换为另一种类型：

#include <php.h>

PHP_FUNCTION(converter_convert) {
    zval *value;
    long type;

    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "zl", &value, &type) == FAILURE) {
        RETURN_NULL();
    }

    switch (type) {
        case 1: // Convert to integer
            convert_to_long(value);
            break;
        case 2: // Convert to string
            convert_to_string(value);
            break;
        default:
            php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Invalid type");
            RETURN_FALSE;
    }

    RETURN_ZVAL(value, 1, 0);
}

zend_function_entry converter_functions[] = {
    PHP_FE(converter_convert, NULL)
    PHP_FE_END
};

zend_module_entry converter_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "converter",
    converter_functions,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    "1.0",
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_CONVERTER
ZEND_GET_MODULE(converter)
#endif

这个代码看起来很简单，它根据 type 参数将 value 转换为整数或字符串。但是，如果 value 是一个对象，并且 convert_to_long 函数没有正确地处理对象类型，就可能导致类型混淆漏洞。

例如，如果 convert_to_long 函数直接将对象的指针强制转换为整数，那么攻击者可以使用这个漏洞来获取对象的地址，然后使用其他漏洞来操纵对象的数据。

以下是一个简单的利用示例：

<?php
class MyClass {
    public $value;
}

$obj = new MyClass();
$obj->value = "Hello";

$address = converter_convert($obj, 1); // 将对象转换为整数 (地址)

echo "Object address: " . $address . "n";

// 如果我们知道如何修改内存，我们可以使用这个地址来修改对象的数据
?>

这个代码会将 MyClass 对象的地址转换为整数，并输出到屏幕上。攻击者可以使用这个地址来修改对象的数据，例如，修改 $obj->value 的值。

5.4 整数溢出

假设我们有一个扩展，名为 image_processor，它提供了一个函数 image_processor_resize，用于调整图像的大小：

#include <php.h>

PHP_FUNCTION(image_processor_resize) {
    long width, height;
    long new_width, new_height;

    if (zend_parse_parameters(ZEND_NUM_ARGS(), "llll", &width, &height, &new_width, &new_height) == FAILURE) {
        RETURN_NULL();
    }

    // 检查新的大小是否有效
    if (new_width <= 0 || new_height <= 0) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Invalid new size");
        RETURN_FALSE;
    }

    // 计算需要分配的内存大小
    size_t size = new_width * new_height * 4; // 假设每个像素 4 字节 (RGBA)

    // 分配内存
    void *image_data = emalloc(size);

    if (image_data == NULL) {
        php_error_docref(NULL, E_WARNING, "Failed to allocate memory");
        RETURN_FALSE;
    }

    // ... 图像处理逻辑 ...

    efree(image_data);
    RETURN_TRUE;
}

zend_function_entry image_processor_functions[] = {
    PHP_FE(image_processor_resize, NULL)
    PHP_FE_END
};

zend_module_entry image_processor_module_entry = {
    STANDARD_MODULE_HEADER,
    "image_processor",
    image_processor_functions,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    NULL,
    "1.0",
    STANDARD_MODULE_PROPERTIES
};

#ifdef COMPILE_DL_IMAGE_PROCESSOR
ZEND_GET_MODULE(image_processor)
#endif

这个代码看起来很安全，它检查了新的大小是否有效，并且使用了 emalloc 和 efree 来分配和释放内存。但是，如果 new_width 和 new_height 的值非常大，那么 new_width * new_height * 4 的结果可能会超过 size_t 的最大值，导致整数溢出。

例如，如果 new_width 和 new_height 都是 0x40000000 (大约 10 亿)，那么 new_width * new_height * 4 的结果将是 0x4000000000000000，这远远超过了 size_t 的最大值 (通常是 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 在 64 位系统上)。

整数溢出导致 size 的值变得很小，emalloc(size) 分配的内存也变得很小。但是，后面的图像处理逻辑仍然会尝试写入 new_width * new_height * 4 字节的数据，导致缓冲区溢出。

以下是一个简单的利用示例：

<?php
image_processor_resize(100, 100, 0x40000000, 0x40000000);
?>

这个代码会尝试分配非常小的内存，但是后面的图像处理逻辑会尝试写入非常大的数据，导致缓冲区溢出。

6. 防御扩展漏洞

防御扩展漏洞是一个复杂的问题，需要从多个方面入手：

• 代码审计: 对扩展的代码进行仔细的审计，查找潜在的漏洞。
• 模糊测试 (Fuzzing): 使用模糊测试工具，向扩展输入大量的随机数据，以发现潜在的漏洞。
• 安全编码规范: 遵循安全编码规范，例如，避免使用不安全的函数，正确地处理用户输入，进行边界检查等。
• 编译时检查: 使用编译器提供的安全特性，例如，栈保护 (Stack Guard) 和地址空间布局随机化 (ASLR)，以增加攻击的难度。
• 运行时检查: 使用运行时检查工具，例如，地址消毒器 (AddressSanitizer) 和内存消毒器 (MemorySanitizer)，以检测内存错误。
• 最小权限原则: 扩展应该只拥有完成任务所需的最小权限。
• 及时更新: 及时更新 PHP 和扩展，以修复已知的漏洞。

7. 如何发现扩展漏洞

• 阅读源代码: 这是最直接也是最有效的方法。仔细阅读扩展的源代码，理解其工作原理，查找潜在的漏洞。
• 使用静态分析工具: 静态分析工具可以自动检测代码中的潜在漏洞，例如，缓冲区溢出，格式化字符串漏洞等。
• 使用动态分析工具: 动态分析工具可以在程序运行时检测内存错误，例如，地址消毒器 (AddressSanitizer) 和内存消毒器 (MemorySanitizer)。
• 进行模糊测试: 模糊测试是一种黑盒测试方法，它通过向程序输入大量的随机数据，以发现潜在的漏洞。
• 关注安全公告: 关注 PHP 和扩展的安全公告，及时了解已知的漏洞。
• 参与安全社区: 参与安全社区，与其他安全研究人员交流经验，共同发现和解决安全问题。

8. 漏洞利用的进阶技巧

• ROP (Return-Oriented Programming): ROP 是一种高级的漏洞利用技术，它通过利用程序中已有的代码片段 (称为 gadget) 来执行任意代码。
• JIT Spraying: JIT Spraying 是一种利用 JIT (Just-In-Time) 编译器来注入代码的技术。
• Heap Feng Shui: Heap Feng Shui 是一种通过操纵堆的布局来控制内存分配的技术。

这些技术非常复杂，需要深入理解 Zend VM 的内部原理和操作系统的内存管理机制。

9. 案例分析： CVE-2015-2325 (PHP 5.x fileinfo 扩展漏洞)

CVE-2015-2325 是一个 PHP 5.x fileinfo 扩展中的漏洞，该漏洞允许攻击者通过精心构造的输入文件，触发堆缓冲区溢出。

Fileinfo 扩展用于识别文件的类型。它通过读取文件的头部信息，并与预定义的规则进行匹配，来确定文件的类型。

在该漏洞中，fileinfo 扩展在处理某些类型的压缩文件时，没有正确地计算缓冲区的大小，导致堆缓冲区溢出。

攻击者可以利用这个漏洞，通过上传一个恶意的压缩文件，覆盖堆上的数据，从而执行任意代码。

10. 一些思考

防御 Zend VM 的沙箱逃逸是一个持续的挑战。随着攻击技术的不断发展，我们需要不断地更新和改进我们的防御措施。

关键在于：

• 深度防御: 单一的安全措施是不够的，我们需要结合多种技术，形成深度防御体系。
• 持续监控: 我们需要持续监控服务器的安全状况，及时发现和响应安全事件。
• 安全意识: 我们需要提高开发人员的安全意识，让他们了解常见的漏洞类型和防御方法。
• 社区合作: 我们需要加强与安全社区的合作，共同应对安全挑战。

希望今天的讲座能对大家有所帮助。谢谢！

总结:

Zend VM的沙箱逃逸依赖于多种技术，针对扩展的缓冲区溢出，格式化字符串漏洞，类型混淆和整数溢出是常见的攻击手段。防范此类攻击需要多方位的努力，包括代码审计，模糊测试，安全编码规范，编译时和运行时检查，以及及时的更新，形成深度防御体系。