Freebsd UMA 内核堆安全特性解读

作者：wzt
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1.1 简介

Freebsd的内核内存分配器叫做UMA(Universal Memory Allocator)，这篇文章只关心它的安全特性，对于常规功能实现请读者朋友参考网络上的其他文章。它的安全功能特性相比XNU、NT、LINUX都少了很多，并且还存在一些不安全的构架设计，下面将会详细分析。

1.2 架构设计缺点

UMA的总体架构也是基于solaris slab，我们直接看最底层的slab结构，一个slab大小为PAGE_SIZE，slab的管理体结构依据slab里的每个item大小而决定，对于小块item，slab管理结构体放在slab里，并且是放到PAGE_SIZE的最后。对于大块item，管理结构体则单独分配一个内存，不包含在slab里。

对于小块item， slab这种设计属于严重的安全错误设计，slab header放在所有item的最后，如果最后一个item发生溢出，就可以直接覆盖slab header里的数据结构。

struct uma_slab {
        uma_keg_t       us_keg;                 /* Keg we live in */
...
}

Slab header结构为struct Uma_slab，它的第一个成员是us_keg。

struct uma_keg {
 LIST_HEAD(,uma_zone)    uk_zones;       /* Keg's zones */
...
}

Uk_zones结构为：

struct uma_zone {
        uma_ctor        uz_ctor;        /* Constructor for each allocation */
        uma_dtor        uz_dtor;
}

结构体成员uz_ctor和uz_dtor为每个zone在创建和销毁时调用的析构函数指针，exploit程序一般都会替换这两个函数指针，使其指向shellcode地址。Slab header放在最后，使堆溢出攻击相对linux变得更加简单，因为linux的slab header就是放在最前面的。我们在设计内存分配器时就要避免这个糟糕的设计，同时管理结构体中函数指针的定义一定要做到最少，防止被exploit程序滥用。

1.3 安全特性缺失

1.3.1 溢出检测

能检测到溢出情况的发生是每个内存分配器的基础安全能力，业界的通用算法是在内存区块的前后加入redzone，在初始化时填充一个固定值，在内存释放时检测redzone里的固定值是否有改变来判断是否有溢出行为的发生。

UMA的redzone结构为：

在data的前面分别为struct stack 保存的是当前栈信息，size为data的大小，0x42则为redzone的固定值，一共16字节。在data的最后同样为16字节的固定值。

由于设置redzone会占用更多的内存，同时会使初始化和释放逻辑变得复杂，从而影响效率，所以检测溢出的发生都是作为debug选项来开启的。几乎所有主流的os内核内存分配器在设置redzone时都使用了固定值，笔者认为这也是一个不安全的设计，exploit编写者可以精心构造内存结构，使其shellcode地址指向0x42424242，就可以绕过检测。