0x01 IR设计中的问题
1.1 问题来源
鸟哥 (Laruence) [1]是所有国内PHPer应该都知道的一个人。鸟哥的博客是我早期学习PHP内核的时候经常会去的地方。在2020年的时候，鸟哥发了一篇《深入理解PHP7内核之HashTable》的文章[2]，在文章的结尾提到了一个问题:
在实现zend_array替换HashTable中我们遇到了很多的问题，绝大部份它们都被解决了，但遗留了一个问题，因为现在arData是连续分配的，那么当数组增长大小到需要扩容到时候，我们只能重新realloc内存，但系统并不保证你realloc以后，地址不会发生变化，那么就有可能：
<?php $array = range(0, 7); set_error_handler(function($err, $msg) { global $array; $array[] = 1; //force resize; }); function crash() { global $array; $array[0] += $var; //undefined notice } crash();比如上面的例子， 首先是一个全局数组，然后在函数crash中， 在+= opcode handler中，zend vm会首先获取array[0]的内容，然后+$var, 但var是undefined variable， 所以此时会触发一个未定义变量的notice，而同时我们设置了error_handler, 在其中我们给这个数组增加了一个元素， 因为PHP中的数组按照2^n的空间预先申请，此时数组满了，需要resize，于是发生了realloc，从error_handler返回以后，array[0]指向的内存就可能发生了变化，此时会出现内存读写错误，甚至segfault，有兴趣的同学，可以尝试用valgrind跑这个例子看看。
但这个问题的触发条件比较多，修复需要额外对数据结构，或者需要拆分add_assign对性能会有影响，另外绝大部分情况下因为数组的预先分配策略存在，以及其他大部分多opcode handler读写操作基本都很临近，这个问题其实很难被实际代码触发，所以这个问题一直悬停着。
直到今天这个问题还是悬停着。对于普通PHP开发者而言，这可能确实不算是一个很大的问题，但对于做安全的人来说，这里可能隐藏一个很严重的安全问题。因为它是我见过为数不多出现在PHP VM中的问题，而不是平时出现在各种PHP native libraries中的问题。一旦可以被利用，影响将非常之大。所以这个问题一直就放在了我的心上，它也一直以crash.php [3] 在我的PHP-exploit repo中放了4年. 特别地，只要你用PHP7或者8运行它就会出现segmentfault，也不知道有没有人去尝试过。
1.2 修复该问题的阻力
鸟哥出给的解释非常清晰明了，这里我试着用更加通俗的伪代码来进一步帮助不熟悉PHP内部的读者, 去理解PHP VM在第11行这里到底做了什么:
// array = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
arr_base = get_base_addr_of(array)
elem_addr = get_addr_by_index(array_base, index)
elem = get_elem_from_addr(elem_addr)
// elem is ok
check_var(var)
// is elem ok?
res = add(elem, var)
assign_var_to_elem(elem, res)
这里做了这样几件事:
- 首先我们获取这个
array存储元素内存区域的起始地址; - 根据
index获取我们指定元素的内存地址; - 从
elem_addr读取元素到elem; - 检查
var的合法性, 更具体一点， 当var是一个PHP代码中显式变量(i.e.,$a)的时候， 检查它是否被定义过。 如果var是一个未定义的PHP变量, 那么VM会将var的值初始化为null. 因为VM不能直接将undefined(类似JS中的特殊值)， 暴露给用户代码； - 对
elem和var做算术加法得到结果res; - 最后将
var赋值给elem。
而问题出现在第6行这里，check_var(var)可能会产生副作用(side-effects)，从而clobber the world。这个词我是从JavaScriptCore (WebKit的JS引擎) 中学到的，副作用的出现可能会导致之前的计算结果变得的不可信，在这种不确定地情况下，我们是不能直接使用这些计算结果的。这里的elem是否还依然正确地指向待写入的目标元素呢？ 在第6行之后我们是不能确定的，因为它指向的内存地址可能已经被释放了，而正确的目标元素位置已经被搬到了其他内存上。
以上其实就是PHP opcode ZEND_ASSIGN_DIM_OP的大致解释过程，完整的解释过程你可以在[4]中找到。那么这个问题为什么一直没有被修复呢？ 好问题。我们从几个直觉上可行的简单修复方法开始，来讲一下修复的阻力在哪里。这里我用array->arData表示指向第1个元素的内存地址，其余array其他元素都顺序地落在其后.
简单方法1: 在第6行之后检查elem是否还落在array->arData相对位置上
这样做只能确保array->arData没有发生变化，但是你如何保证ABA问题 ? 比如array存储元素区域被释放了，然后被其他内存结构抢占了，然后又被释放了，再被布置为原本array存储元素区域的布局 (另外一个和它结构相同的array2把这块区域抢占了)。
简单方法2: 把check_var放在最前面
那么你考虑如下形式:
$array['a']['b'] = $var;
这段代码会被翻译成类似如下的中间代码:
L0 : V2 = FETCH_DIM_W CV0($array) string("a")
L1 : ASSIGN_DIM V2 string("b")
L2 : OP_DATA CV1($var)
这里我们考虑不带二元运算的ZEND_ASSIGN_DIM。以上代码等同于:
V2 &= $array['a'];
V2['b'] = $var;
其中V2是指向$array中index为'a'元素的位置，所以这里我用&=，来强调V2不是$array['a']。那么问题来了，如果第2行中的副作用导致在$array被resized了，那么这个V2就指向的位置就不对了。
这个问题注定了不能简单地被修复。
1.3 unset 和 reassign
你可以试着将前面的resize操作换成unset或者reassign，如下:
<?php
$array = range(0, 7);
set_error_handler(function($err, $msg) {
global $array;
// $array = 2;
unset($array);
});
function crash() {
global $array;
$array[0] += $var; //undefined notice
}
crash();
两个情况有些不太一样:
unset($array)，只是将$array在当前function scope内给"清理"掉了，并不影响全局变量中的$array，所以这里没有问题。$array = 2会影响到所有引用到它的地方，因此这里产生了和resize一样的问题。
有趣地是，官方已经注意到这样的问题，比如它对undefined index (i.e., $arr[$undef_var] = 1)产生的副作用做出了检查。而对要写入的值没有做检查。
- 这里它首先让
ht(HashTable是zend_array的别名) 引用计数加1，把这个array hold住。 - 等错误处理函数返回之后，再减去这个前面加上的引用计数，如果引用计数没有发生变化，说明array没有被释放。
static zend_never_inline zend_uchar slow_index_convert(HashTable *ht, const zval *dim, zend_value *value EXECUTE_DATA_DC)
{
switch (Z_TYPE_P(dim)) {
case IS_UNDEF: {
/* The array may be destroyed while throwing the notice.
* Temporarily increase the refcount to detect this situation. */
if (!(GC_FLAGS(ht) & IS_ARRAY_IMMUTABLE)) {
GC_ADDREF(ht);
}
ZVAL_UNDEFINED_OP2();
if (!(GC_FLAGS(ht) & IS_ARRAY_IMMUTABLE) && !GC_DELREF(ht)) {
zend_array_destroy(ht);
return IS_NULL;
}
// ...
1.4 可能的修复方法
将ZEND_ASSIGN_DIM或者ZEND_ASSIGN_DIM_OP (同时包括所有的array fetch操作) 改成支持multi-index, 是我觉得最直接的手法。比如前面的$array['a']['b'] = $var;会被翻译为
L0 : V2 = FETCH_DIM_W CV0($array) string("a")
L1 : ASSIGN_DIM V2 string("b")
L2 : OP_DATA CV1($var)
那么现在直接翻译为
L0 : ASSIGN_DIM CV0($array) [string("b"), string("b")]
L1 : OP_DATA CV1($var)
并且再此之前把所有的indexs和带待写入的var对应的表达式全部计算完成。注意这并不会改变现在PHP求值顺序. 考虑如下代码
<?php
function func1() {
echo "func1\n";
return 1;
}
function func2() {
echo "func2\n";
return 2;
}
$a = [];
set_error_handler(function($err, $msg){echo $msg."\n";});
echo $a[func1()][func2()];
/* output at PHP 8.3.3:
func1
func2
Undefined array key 1
Trying to access array offset on null
*/
可以看到index也是全部是先计算完成的。
0x02 三只蝴蝶 (butterfly)
TL;DR. 如果不想听故事可以跳过这一章节。
四年前，在知道了这个问题之后，我就开始了探索应该如何利用它。非常可惜，我不太聪明，四年都没有能想出个招。这四年，我的工作也和PHP紧密结合在一起，在PHP里面写了大概有40-50k行代码吧，以至于我近乎写出了一个全新的PHP解释器，很难想象这是一个做安全的人在做的事情。所以我对PHP要稍微了解那么多一点点。
我能完成这篇文章，是因为有三只蝴蝶。第一只蝴蝶，教会我了一些新的方法; 第二只蝴蝶，让我发现了新大陆; 第三只蝴蝶，带我走出了困境。
之前，我其实一直被困在一个误区里面。我的基本想法是:
array会被resize。- 然后我马上拿到
array释放的内存，这样就可以造一个UAF出来。
这里没有问题。
这里贴一下前面的关于ZEND_ASSIGN_DIM_OP类似的ZEND_ASSIGN_DIM的伪代码:
// array = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
arr_base = get_addr_of(array)
elem_addr = get_addr_of(array_base, index)
elem = get_elem_from_addr(elem_addr)
check_var(var)
assign_var_to_elem(elem, var)
但是问题来了，其中assign_var_to_elem只能像目标内存写一个特殊的null (前面提到var会被初始化为null)值, 并且过程中需要对elem进行检查。换句话说目标内存需要有比较苛刻的memory layout. 其次受鸟哥代码中的a[0] += $var影响，我觉得这个null只能在这块内存稍前的位置写入。这就是我的误区。结合以上原因一直让我找不到一个合适的structure来hold这块内存。
过去我逐渐地其实不太关注PHP里面的安全了，有时候写代码也会发现一些问题，但也觉得就那么回事。直到最近看见了关于LockBit的新闻，突然有了兴趣，才有了《CVE-2023-3824: 幸运的Off-by-one (two?)》[5] 一文。在文章写完后的几天，我又去逛逛了安全圈看看大家都在研究什么，在这过程中发现那三只蝴蝶。
首先发现了一篇《WebAssembly安全研究总结》[6]。 这篇文章中重要介绍了如何通过构造恶意的bytecode来攻击Wasm引擎，挺有趣的，也行PHP opcache中的也有类似的问题。我个人比较喜欢解释器和编译器上的一些安全研究，然后我就想去看看有没有关于Wasm更深入一点研究，搜索了一下作者其他的文章。
第一只蝴蝶
我又发现了作者有许多关于JavaScriptCore (jsc) 的研究，我之前是没有接触过jsc，只短暂接触过V8。感觉似乎挺有趣的，那就来感受一下吧。在文章[7]和系列文章[8]的帮助下，使得我的博客中又多了一篇《CVE-2018-4262: Apple Safari RegExp Match Type Confusion by JIT》。在这过程中积累了一点点关于jsc的姿势。特别地，里面的部分构造(box/unbox)让我大开眼界，可谓是相当之精彩，以至于后面在PHP的构造中我都想重现它。 jsc里面有一个用来作为存储JSObject的properties和elements特殊结构叫butterfly, 因为其内存结构像一只带翅膀的蝴蝶，顾名butterfly。ascii graph来自[9]
--------------------------------------------------------
.. | propY | propX | length | elem0 | elem1 | elem2 | ..
--------------------------------------------------------
^
|
+---------------+
|
+-------------+
| Some Object |
+-------------+
在jsc的利用中都频繁地使用到了这个结构，包含我前面提到的box/unbox技术。这是第一只蝴蝶。
第二只蝴蝶
在看[9]的过程中，我又看到了saelo(前google project zero成员, 目前V8 JS引擎的安全负责人)的博客中《Pwning Lua through 'load'》[10]。 真苦恼，都是我喜欢读的东西，那就看吧。让我比较惊讶的Lua竟然没有bytecode verifier，文章内容和第一篇攻击Wasm引擎的内容比较相似。然后我又想看看Lua上的一些安全研究，搜索了到一系列来自bigshaq关于LuaJIT方面的安全研究[11]，在里面遇到了第二只蝴蝶。LuaJIT的jit complier会将收集到的trace翻译成的IR放在一个类似butterfly结构中。形如
-----------------------------------------
| | | | |
|const2|const1|inst1|inst2|
| | | | |
--------------------▲-----------─---------
│
│
┌──────┐ │
│ ir_p ├─────────┘
└──────┘
instructions在一边翅膀，而constants在另一边翅膀。在这短暂的LuaJIT之旅中，又积累了一些关于LuaJIT的知识，但是我觉得最后研究的安全问题太刻意，毕竟是CTF的题，可以理解嘛。不过利用JIT code中的guarded assertions来固定shellcode的技术确实不错。
最后一只蝴蝶
PHP 8中的JIT技术深受LuaJIT影响。以至于bigshaq博客在一篇关于PHP文章中，给PHP打了patch，就把LuaJIT上相关利用直接拿到PHP上。绕了一大圈我又回到了PHP，我突然发现Dmitry整出了一套JIT Compilation Framework [11]，名字就叫IR。Dmitry是那个一个人写了PHP中几乎全部optimizers的男人，我对其从心里佩服。听闻IR之后，让我内心久久不能平静，依托IR的全新JIT compiler已经merge到了PHP-src的主线上，令人抓狂的DynAsm终于不见了。我又马上看了一眼Dmitry对其的介绍[13]，未来我终于有机会不用在PHP bytecode上做优化了。我看到了类似V8 TurboFan中的Sea of Nodes，及其各种补全的优化算法。这一刻，我打算以后为它也做点什么。因为Dmitry写的那些optimizers曾经陪伴我了很多时候。
我又想到文中这个IR缺陷，我觉得它应该结束了。我又开始了审视它，目光又重新对准了PHP中zend_array，它那里不恰好也有一只蝴蝶吗？ 下面ascii来自[14]:
/*
* HashTable Data Layout
* =====================
*
* +=============================+
* | HT_HASH(ht, ht->nTableMask) | +=============================+
* | ... | | HT_INVALID_IDX |
* | HT_HASH(ht, -1) | | HT_INVALID_IDX |
* +-----------------------------+ +-----------------------------+
* ht->arData ---> | Bucket[0] | ht->arPacked ---> | ZVAL[0] |
* | ... | | ... |
* | Bucket[ht->nTableSize-1] | | ZVAL[ht->nTableSize-1] |
* +=============================+ +=============================+
*/
PHP中有两种特殊的数组，packed array和mixed array，我在考虑它们的时候，突然想起了这只蝴蝶。原来不用在内存稍前的位置写入那个null，完全可以在内存的中间写入这个null. 甚至我都忘记了可以通过拨动index来控制写入这个null的位置，这一错就是四年。原来那只蝴蝶一直都在那里，都在那个我能看得见的枝头。
0x03 PHP前置知识
之前我写PHP内核相关内容的时候，几乎不会去写相关的前置知识，因为我不太想复制粘贴大量的代码，观感不是很好。 但是这次我希望更多的人，能从这个文章中学到一些东西。这篇文章用到的前置知识不会太多，不用担心。如果有不懂的地方，都可以发我邮件问我，但我不能保证及时地回复。
3.1 zval 结构
PHP中的变量都是以zval 的形式出现的，它是一个tagged union形式:
// Zend/zend_types.h
typedef union _zend_value {
zend_long lval; /* long value */
double dval; /* double value */
zend_refcounted *counted;
zend_string *str;
zend_array *arr;
zend_object *obj;
zend_resource *res;
zend_reference *ref;
zend_ast_ref *ast;
zval *zv;
void *ptr;
zend_class_entry *ce;
zend_function *func;
struct {
uint32_t w1;
uint32_t w2;
} ww;
} zend_value;
struct _zval_struct {
zend_value value; /* value */
union {
uint32_t type_info;
struct {
ZEND_ENDIAN_LOHI_3(
zend_uchar type, /* active type */
zend_uchar type_flags,
union {
uint16_t extra; /* not further specified */
} u)
} v;
} u1;
union {
...
} u2;
};
这在编程语言设计中非常常见，比如JavaScriptCore里面对应的变量表示形式JSValue。所以在了解编程语言内部的时候，你需要提早关注它里面的变量表示形式。其中zval.value会存储变量对应的真正值，而zval.u1.type_info会存储变量对应的类型信息。
3.2 PHP基本类型
PHP中基本类型有
// Zend/zend_types.h
#define IS_UNDEF 0
#define IS_NULL 1
#define IS_FALSE 2
#define IS_TRUE 3
#define IS_LONG 4
#define IS_DOUBLE 5
#define IS_STRING 6
#define IS_ARRAY 7
#define IS_OBJECT 8
#define IS_RESOURCE 9
#define IS_REFERENCE 10
#define IS_CONSTANT_AST 11 /* Constant expressions */
它们出现在zval.u1.v.type中。
undefined，null，false和true可以直接用类型信息区分;long和double直接以primitive value存储在zval.value.lval和zval.value.dval中;string，array，object，resource，reference和constant_ast都有对应的具体结构，其地址将以指针的形式存放在zval.value.str,zval.value.arr... 中。
3.3 zend_string结构
zend_string用于描述上面提到的string类型。其结构如下:
typedef struct _zend_refcounted_h {
uint32_t refcount; /* reference counter 32-bit */
union {
uint32_t type_info;
} u;
} zend_refcounted_h;
struct _zend_string {
zend_refcounted_h gc;
zend_ulong h; /* hash value */
size_t len;
char val[1];
};
其中:
zend_string.gc: 我通常叫它gc_info，里面有一个比较重要是zend_string.gc.refcount表示引用计数;zend_string.h: 用于缓存对该string计算过的hash值;zend_string.len: 用于表示该string表示字符串长度;zend_string.val: 用于表示string表示字符串具体内容，可以看到字符串实际存储在zend_string结构后面连续的地方上。
3.4 Packed and Mixed Array
PHP中两种类型的数组:
- packed array : 用整数作为index连续存放的数组 i.e.,
$arr = [1,2,3,4]; - mixed array: 混合了以字符串以index作为的数组 i.e.,
$arr = [1, 'key1' => 'val1'];
我们来介绍一下在array中的butterfly. 首先是packed array:
+=============================+
| HT_INVALID_IDX |
| HT_INVALID_IDX |
+-----------------------------+
ht->arPacked ---> | ZVAL[0] |
| ... |
| ZVAL[ht->nTableSize-1] |
+=============================+
其中zend_array.arData 指向第1个元素，注意到它并不是指向申请的内存起始位置，前面还有两个index cells (一个cell大小为4字节)，在其上都存放着HT_INVALID_IDX == -1。因为packed array, 不需要对index做hash, 直接根据index取值就行。那这两个invalid index在这里是干啥呢？ 为了照顾未来使用非整数index来array fetch。我之前就困在packed array之上。
再一个就是mixed array:
+=============================+
| HT_HASH(ht, ht->nTableMask) |
| ... |
| HT_HASH(ht, -1) |
+-----------------------------+
ht->arData ---> | Bucket[0] |
| ... |
| Bucket[ht->nTableSize-1] |
+=============================+
PHP数组中的元素顺序存储, 位于一块连续的内存上。为了解决hash冲突，PHP将hash冲突的元素用一张链表连接。那么为了在mixed array中找到正确的元素，会做这样以下操作:
- 对index做hash, 得到值
h; - 根据
h计算它落在index table的位置h | ht->nTableMask, 其中index table就是第一个元素中的那块区域。每一个index cell中都存储目标元素所在链表的头结点与ht->arData的offset; - 因此会从
ht->arData[h | ht->nTableMask]开始遍历链表，比照real index，找到目标元素。
在mixed array中，index table中index cells的个数是这个array可存储元素容量的2倍。在array扩正的过程中依然会保持这个关系，例如如果array可以存储8个元素，那么就有16 index cells。它们总计大小，即是对应butterfly区域内存大小。
无论是packed array或者mixed array它们的容量最小都是8个元素，每次扩容都是double。特别地是，PHP数组存储单个元素的结构为Bucket, 其定义如下:
typedef struct _Bucket {
zval val;
zend_ulong h; /* hash value (or numeric index) */
zend_string *key; /* string key or NULL for numerics */
} Bucket;
Bucket.val存放元素对应的value;Bucket.h存放整型的index;Bucket.key存放元素对应的key。
3.5 Variable Assignment
这里讲一下两个zval *var, *val之间的赋值过程，它对应Zend/zend_execute.h中两个函数zend_assign_to_variable 和 zend_copy_to_variabl部分过程 。我用伪代码表示，因为适合突出一些重要的东西，并省略一些不太重要的信息。
// assign val to var
if var is refcouted:
var_value = get_value_from_zval(var);
copy_zval(var, val)
if (get_refcount(var_value) == 1)
free_value(var_value)
else
copy_zval(var, val)
它对应的两个函数明显会比我给出的伪代码复杂，但是我们不需要关注里面大多数cases。其中我们说一个zval是refcounted，意味它对应值需要额外分配内存，比如string， array和 object这些都是，而null，false， true，long 和double它们不是refcounted，因为它们的值是直接保存在zval中的。这里赋值过程的核心逻辑是我们特别需要注意var原本的值。
我来解释一下这里在做什么:
- 当
var是refcounted时，我们做以下操作:- 首先我们用
var_value记录了var的原值; - 我们直接通过
copy_zval将val拷贝到var上; - 判断
var的原值的引用计数是否为1，如果是1则释放掉var的原值。
- 首先我们用
- 反之，我们直接通过
copy_zval将val拷贝到var。
在1.3中var的原值的引用计数为1，意味着这个值只有var来用，当var被赋予新值之后，它的原值就没人用了，那么是可以释放掉的。其中copy_zval做了两件事情:
- 将
val的值直接拷贝到var上; - 按情况调整
val所指向值的引用计数。
这里我们暂时不讨论是什么情况会调整引用计数。
3.6 Copy on Write
它的中文名叫写时复制，是一种比较常见的优化。考虑如下代码
$a = 'aaaa';
$b = $a;
echo $b;
$b .= 'b';
echo $b;
在第二行这里并不会直接复制字符串'aaaa' 给变量$b，而是把$a指向的string上引用计数加1. 在第4行这里才会将前面的字符串重新复制一份，用于连接字符串b，再将新的结果写入$b. 那么写时复制是如何判断的呢？ 很简单，你只需要判断你指向的值的引用计数是否大于1.
以上就是这里我们需要知道的所有PHP里面的知识。
0x04 利用简述
我们的大致路线是:
- 构造fakeZval原语;
- 泄露堆上某个地址;
- 构造addressOf原语;
- 构造第一阶段有条件的读/写原语;
- 构造第二阶段稳定的任意读/写原语。
参考jsc中经常会fakeObj和addressOf原语， 我们来构造PHP中独特的fakeZval和addressOf。这篇文章不讨论后续利用，因为相关利用方式比较模板化，常规PHP漏洞利用中都有提到，不再累述，节省篇幅。
0x05 构造fake zval
这个技术的灵感来于jsc利用里面的fakeobj源语。
回忆一下，我们之前的想法
- 触发array的resize, 让array的butterfly被释放掉;
- 我们马上抢占这块butterfly对应的内存;
- 让
null写在我们抢占这块内存所使用的结构上。
这里我们先搞清楚两个问题:
-
null会写在butterfly的哪里？ -
结合我们前面理解的两个
zval直接的赋值过程，如何让写null这个操作顺利执行？
第1个问题，毫无意义，null写在你通过index指定的元素上. 例如我定义一个mixed array如下:
$a1_str = 'eeee'
$victim_arr = array(
'a1' => $a1_str,
'a2' => 1,
'a3' => 1,
'a4' => 1,
'a5' => 1,
'a6' => 1,
'a7' => 1,
'a8' => 1,
);
它对应的memory layout如下(我们前面提到过，8个元素对应16个index cells):
┌───────────────┐
│ index_cell15 │ │
├───────────────┤ │
│ ... │ │
├───────────────┤ │
│ index_cell1 │ │
├───────────────┤ │
│ index_cell0 │ │ addr
$victim_arr['a1']──────► |───────────────┤ │
│ bucket0 │ │
├───────────────┤ │
│ bucket1 │ │
├───────────────┤ ▼
│ ... │
├───────────────┤
│ bucket7 │
└───────────────┘
如果要写这个数组的第1个元素 $a[0] = $undef_var，那么写入的位置相对于这块butterfly的其实地址的offset应该为4 * 16 = 64。
第二问题，当上面的butterfly区域被释放后，我们马上构造一个大小合适的string来把它抢占。例如:
$zend_array_burket_size = 0x20;
$zend_table_index_size = 0x4;
$zend_string_size = 0x20;
$user_str_length = 16 * $zend_table_index_size + 8 * $zend_array_burket_size - $zend_string_size;
set_error_handler(function() {
$victim_arr['a9'] = 1;
$user_str = str_repeat('b', $user_str_length);
})
对于一个string, 它的前0x18字节属于header, 具体来说:
- +0x0 : 引用计数;
- +0x4 : gc信息;
- +0x08 : hash值缓存，如果对这个
string做过hash，得到的hash会放在这个地方; - +0x16 : 字符串长度;
- 其余部分存储字符串内容。
那么很显然要写的地方0x40落在了我们可控的字符串内容上。那么可以伪造一个zval，来满足前面提到过的赋值过程中的check，让null顺利的写到这个fake zval上。
0x06 泄露某个地址
绕过ASLR，或者是读写指定地址的内容，我们都需要先泄露一些地址，才能准确定位我们需要的地址。这里的过程比较trick，我们借助了PHP的弱类型转换。考虑如下代码:
$victim_arr['a1'] = true;
$victim_arr['a1'] .= null;
var_dump($victim_arr['a1']);
// output: string(1) "1"
在第3行这里，有一个string concact操作，会把$a['a1']和null连接起来。但是它们都不是string，所以这里会经历一个弱转，true会被转成字符串"1"，而null会被转成empty string。 最后值为"1"的string写到$a['a1']上，所以$a['a1']会保存这个string的指针。通过前面UAF， $a['a1']实际位于我们可以控制的内存 (即$user_str)上，它对应我们使用fakeZval构造的zval。通过读取$user_str，我们就拿到了这个string的地址。
此时$user_str内存布局应该为
┌──────────────┐
│ │
│ string_header│
│ │
├──────────────┤0x18
│ │
│ ... │
│ │ string: '1'
fake_zval_with_null──────────►├──────────────┤0x40 ◄─────────────┬────────────┐
│ zval_value │ 0x0 │ │ gc_header │
├────────────────►├──────────────┤0x48 ├────────────┤
│ zval_type │ 0x3 │ │ hash │
└────────────────►├──────────────┤ ├────────────┤
│ │ │ len │
│ │ ├────────────┤
│ │ │ content │
└──────────────┘ └────────────┘
注意里面的0x3表示是这个fake zval是一个true。因为这个fake zval作为一个待赋值的zval，它只是一个null，非前面我们提到的refcounted类型的值。所以这里的赋值过程非常简单:
- 将
string : "1"的地址复制到fake zval的zval.value.str中; - 将fake zval类型修改为
is_string。
注意这里有一个小问题，你会发现上述泄露出来的string地址不在PHP自己管理的堆上，用于存放各种PHP运行时结构。而是在glibc通过malloc/free管理的堆上。这是因为PHP对于字符串的一个小优化，PHP会将常见的字符串对应的string事先分配，如果在运行时，有碰到这些字符串，直接返回之前分配好的就行，避免频繁分配。而这些字符串在PHP是以persistent string出现的， 它们内存都是通过malloc分配的。
true弱转对应的当个字符"1"恰好就是这已知字符串中的一个，并且它在这里连接是一个empty string。使得最后结果依然这个已知的string。如果我们想到得到PHP自己堆上的一个地址，我们就必须绕过它。很简单，我们可以用int或者double来作为fake zval的值就行。
这里我使用的是int : (100)，最后我们就得到了string : "100"的地址。为什么使用100，后面会提到。
0x07 获取一块内存
目前我们有string : "100"的地址str100_addr，我们先来看一下string : "100"的memory layout:
string : "100"
┌────────────────────────┐
│ 0x0000001600000001 │gc_info
fake_string──►├────────────────────────┤
│ 0x0000000000000000 │hash
├────────────────────────┤
│ 0x0000000000000003 │len
├────────────────────────┤
fake_len─────►│ 0x00007fff00303031 │content
├────────────────────────┤
│ │
└────────────────────────┘
在content这里的0x303031其实对应字符串"100"。试想，我们如果利用fakeZval原语构造一个zval， 让它的类型为string，让它的值指向str100_addr + 0x8，即上图的fake_string处的位置。从fake_string开始，我们构造了一个新的string， 它的长度为0x00007fff00303031。其中出现的7fff是堆上的一些随机数据，这里的0x303031它是大于一个PHP中memory chunk的容量0x200000的，以至于这个fake_string能盖住整个memory chunk，这就是我之前用int : (100)的原因。
我们的想法是，我能不能利用这个fake_string读到内存后面的内容？ 那么我需要拿到这个fake_string，如下:
reset_victim_arr_and_user_str();
set_error_handler(function() {
// resize
global $victim_arr;
global $user_str_length;
global $user_str;
global $first_elem_offset;
global $zend_string_header;
global $str100_addr;
$victim_arr['a9'] = 1;
$user_str = str_repeat('b', $user_str_length);
// construct fake zval that contains a fake zend_string;
// 1. zval.value.str <= $leak_addr + 0x8;
// 2. zval.u1.type_info <= is_string_ex == (6 | (1 << 8));
writestr64($user_str, $first_elem_offset - $zend_string_header, $str100_addr + 0x8);
writestr64($user_str, $first_elem_offset - $zend_string_header + 0x8, (6 | (1 << 8)));
});
$heap = $victim_arr['a1'] .= $undef_var;
- 第1行
reset_victim_arr_and_user_str()表示重置$victim_arr和$user_str，以保证后面UAF的触发; - 在error_handler里面我们构造了一个fake zval, 指向我们的fake_string;
- 注意第15行这里，我们用
$heaphold了后面这个array assign的计算结果。后面array assign的计算结果是fake_string拼接一个empty string，那么这意味着$heap就是fake_string。
我们可以通过读取$heap来漫游PHP堆上的内容。这不算完，我们还可以修改$heap对应fake_string的内容，但不会触发copy-on-write。不会触发copy-on-write是这里最关键的。按道理，$heap hold了array assign的计算结果，即为fake_string，那么fake_string的引用计数是需要加1的，如果fake_string的引用计数大于1，在我们修改$heap的时候，就会发生copy-on-write，造成我们根本修改不到fake_string上的内容。再退一步说，我们可能会在copy-on-write的时候会导致PHP直接结束，因为fake_string的size可能会很大，你要拷贝一份fake_string显然就会失败，比如参考前面的0x00007fff00303031。
那么这里为什么不会发生copy-on-write，我们看fake_string的gc_info，它的值是原来string : "100"的hash，即为0x00。而PHP检查一个值是不是refcounted，就会检查gc_info是不是不为0x00。这就意味着PHP认为fake_string不是refcounted，即不是gc关注的对象。意味着array assign计算结果也不是refcounted，那么这里根本就不存在什么copy-on-write。以为copy-on-write只针对refcounted values。
0x08 构造addressOf
现在我们就有一个可读可写，并且我们知道它位置的内存。实际做到一步，我们已经可以停手了。比如像[5]中的利用方式一样:
- 在堆上喷射大量我们想要读取的内存结构，拿到我们想要的地址。
- 在堆上喷射大量我们想要写入的内容结构，写入我们希望的值。
在第一版exploitation我是这样的利用的。但是这里还是有很多不确定性，比如我们喷射的内存结构不在我们可以漫游的memory chunk中，就可能会失败。这时候我们需要重新调整fake_string的位置，比如先喷射大量的string : "100"，让我们迁移到全新的memory chunk上。
没人喜欢不确定性，我也一样。这里我们来构造一个更加稳定的addressOf来帮助我们定位想要的内存结构位置。比如
$num = 1111;
$num_value = addressOf($num);
$str = "aaaaaaa";
$str_addr = addressOf($func);
$obj = new stdClass();
$obj_addr = addressOf($obj);
它有如下功能 :
- 对于不是refcounted的值，我们直接可以通过addressOf来获取它的immediate value。比如上面的
$num。 - 对于refcounted的值，我们可以通过addressOf来获取它的地址。比如上面的
$str和$obj。
我们的想法是在前面这块内存上布置一个array : [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] 。如下
array : [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
┌───────────────┐
│packed_arr_flag│ butterfly
├───────────────┤ ┌────────────────┐
│ ... │ │ invalid_idx │
│ ... │ ├────────────────┤
├───────────────┤ │ invalid_idx │
│ arData ├─────────────────►├────────────────┤
├───────────────┤ │ bucket0 │
│ ... │ ├────────────────┤
│ ... │ │ ... │
│ │ ├────────────────┤
│ │ │ bucket7 │
│ │ └────────────────┘
└───────────────┘
我们的想法:
- 控制这个fake array的引用计数为1;
- 使用fakeZval原语包装这个fake_array;
- 触发前面的UAF，fake_array被释放，我们马上申请一个相同的array
$hax，拿到这块内存; - 假设你要读取的值为
$val， 那么使得$hax[0] = $val; - 那么我们再去
$heap指定位置读butterfly上第一个元素的内容，即可获得我们想要的。
需要注意的是，在free一个小内存的时候，PHP是先定位它所在page，来判定它属于什么size的bin，再投放正确的到free_list上。所以你构造fake array的位置要确定好。如果你想绕过这个限制，你可以申请一块超大内存，来自己伪造memory chunk，具体可以参考[16]。
0x09 任意读/写原语
我目光对准了php://memory[15]，PHP运行我们以文件操作的形式操作一块内存。控制这块内存大小的结构为，
typedef struct {
char *data;
size_t fpos;
size_t fsize;
size_t smax;
int mode;
} php_stream_memory_data;
我们的想法:
- 在
$heap上布置和sizeof(php_stream_memory_data)大小的string; - 利用UAF释放掉这个
string，确保fopen("php://memory")在创建php_stream拿到; - 修改上面的
data指针和fpos以及fsize来读写任意的区域。
同样地，要注意释放string所在的page。
0x0A 完整的利用
暂时不提供，因为影响比较大，且没有修复。
0x0B 总结
我们分析了PHP IR中存在的问题，以及为什么长时间没有被修复，最后提出了一个修复建议。写下了我在探索这个问题时，给过我帮助的3只蝴蝶。最后给大家分享了我的利用方式，将JS引擎利用中的常见原语尝试搬到了PHP上。当走出了误区之后，在构造exploitation过程中诞生了许多ideas，实际这不是一个特别难的利用，只是我比较笨而已。我觉得不同解释器或者编译器的利用中都有很多相同点，可以相互借鉴学习，也许能帮你找到更多的思路。
最后，题目中的"PHP之殇"，更多是对过去的一种告别，未来我会更多关注PHP中可能马上会release的新的JIT complier，希望在未来给大家带来我关于它的一些有趣的故事。
0x0C 引用
- 风雪之隅, https://www.laruence.com/
- 深入理解PHP7内核之HashTable, 深入理解PHP7内核之HashTable - 风雪之隅
- crash.php, php-exploit/crash.php at master · m4p1e/php-exploit · GitHub
- zend_assign_dim_op, php-src/Zend/zend_vm_def.h at master · php/php-src · GitHub
- CVE-2023-3824: 幸运的Off-by-one (two?), CVE-2023-3824: 幸运的Off-by-one (two?) | maplgebra
- WebAssembly安全研究总结, https://mp.weixin.qq.com/s/cPUaDQaCWpZiBEgZqbqvPg
- JavaScript engine exploit（二）,JavaScript engine exploit（二）-安全客 - 安全资讯平台
- Browser Exploitation, Browser Exploitation - LiveOverflow
- Attacking JavaScript Engine, .:: Phrack Magazine ::.
- Pwning Lua through 'load', Pwning Lua through 'load'
- LuaJIT Internals: Intro, LuaJIT Internals: Intro
- dstogov/ir, GitHub - dstogov/ir: Lightweight JIT Compilation Framework
- https://www.researchgate.net/publication/374470404_IR_JIT_Framework_a_base_for_the_next_generation_JIT_for_PHP
- Zend/zend_types.h, php-src/Zend/zend_types.h at master · php/php-src · GitHub
- PHP memory wrapper PHP: php:// - Manual
- RWCTF2021 Mop 0day Writeup, RWCTF2021 Mop 0day Writeup | maplgebra