干货|CVE-2019-11043: PHP-FPM在Nginx特定配置下任意代码执行漏洞分析

近期，国外安全研究员Andrew Danau，在参加夺旗赛（CTF: Capture the

Flag）期间，偶然发现php-fpm组件处理特定请求时存在缺陷：在特定Nginx配置下，特定构造的请求会造成php-fpm处理异常，进而导致远程执行任意代码。当前，作者已经在github上公布了相关漏洞信息及自动化利用程序。鉴于Nginx+PHP组合在Web应用开发领域拥有极高的市场占有率，该漏洞影响范围较为广泛。

漏洞概述

PHP-FPM在Nginx特定配置下存在任意代码执行漏洞。具体为：

使用Nginx + PHP-FPM搭建的服务器在使用类似如下配置的nginx.conf时：

location ~ [^/]\.php(/|$) {
        fastcgi_split_path_info ^(.+?\.php)(/.*)$;
        fastcgi_param PATH_INFO       $fastcgi_path_info;
        fastcgi_pass   php:9000;
        ...

Nginx中fastcgi_split_path_info 在处理存在"\n"(%oA) 的path_info时，会将传递给PHP-FPM的PATH_INFO置为空（PATH_INFO="")，影响关键指针的指向，导致后续path_info[0]=0的置零操作位置可控，通过构造特定长度和内容的请求，可以覆盖写特定位置数据，插入特定环境变量，进而导致代码执行。

漏洞分析

首先，分析其补丁：在进行request_info结构体初始化的static void init_request_info(void)函数中，增添对pilen 和slen的大小校验，规避了指针的非预期回溯移动。

     // php-src/sapi/fpm/fpm/fpm_main.c
     ...
     if (pt) {
        while ((ptr = strrchr(pt, '/')) || (ptr = strrchr(pt, '\\'))) {
             // 对传入PATH_INFO 进行校验。通过判断文件状态，获取真实PATH_INFO
             *ptr = 0;
             f (stat(pt, &st) == 0 && S_ISREG(st.st_mode)) {
             int ptlen = strlen(pt); # Path-translated CONTENT_LENGTH
             int slen = len - ptlen;  //script length
            int pilen = env_path_info ? strlen(env_path_info) : 0;  //Path info 长度 0
            int tflag = 0;
            char *path_info;

            if (apache_was_here) {
                /* recall that PATH_INFO won't exist */
                path_info = script_path_translated + ptlen;
                tflag = (slen != 0 && (!orig_path_info || strcmp(orig_path_info, path_info) != 0));
            } else {
        -       path_info = env_path_info ? env_path_info + pilen - slen : NULL; // 通过偏移设置新env_path_info，但是未对偏移量做校验
        -       tflag = (orig_path_info != path_info);
        +       path_info = (env_path_info && pilen > slen) ? env_path_info + pilen - slen : NULL;
        +       tflag = path_info && (orig_path_info != path_info);
            }

            if (tflag) {
                if (orig_path_info) {
                char old;

                FCGI_PUTENV(request, "ORIG_PATH_INFO", orig_path_info);
                old = path_info[0];
                path_info[0] = 0; //置零操作
                if (!orig_script_name ||
                    strcmp(orig_script_name, env_path_info) != 0) {
                    if (orig_script_name) {
                        FCGI_PUTENV(request, "ORIG_SCRIPT_NAME", orig_script_name);//触发入口
                    }
                    SG(request_info).request_uri = FCGI_PUTENV(request, "SCRIPT_NAME", env_path_info);
                    } else {
                    SG(request_info).request_uri = orig_script_name;
                    }
                    path_info[0] = old;
                }
        ...

其中

     //以http://localhost/info.php/test?a=b为例
     PATH_INFO=/test
     PATH_TRANSLATED=/docroot/info.php/test
     SCRIPT_NAME=/info.php
     REQUEST_URI=/info.php/test?a=b
     SCRIPT_FILENAME=/docroot/info.php
     QUERY_STRING=a=b

     pt = script_path_translated; // = env_script_filename => "/docroot/info.php/test"
    len = script_path_translated_len  // 为"/docroot/info.php/test"

    // 经过重新计算处理后
    int ptlen = strlen(pt); // strlen("/docroot/info.php")
    int pilen = env_path_info ? strlen(env_path_info) : 0;  // 即len(PATH_INFO) "/test"
    int slen = len - ptlen;   // len("/test")

    path_info = env_path_info + pilen - slen; // pilen 取值可能未0 或slen, 即偏移为0 或 -N

可见，当PATH_INFO为空时，path_info 指向发生向前偏移，偏移长度为test的长度。进而path_info[0] = 0;可以将特定位置 单字节置零。但是，普通位置的置零并不会造成RCE，进一步利用需要将特定控制位置零，且该控制位恰巧能控制写入位置。request->env->data->pos便是这样一处位置。这里需要说明一下各变量的存储方式。

通过fastcgi协议传入的各环境变量会存储到_fcgi_request->env 这个fcgi_hash结构体中，供后续执行取用，结构具体定义如下：

     // php-src/sapi/fpm/fpm/fastcgi.c
     typedef struct _fcgi_hash_bucket {
         unsigned int              hash_value;
         unsigned int              var_len;
         char                     *var;
         unsigned int              val_len;
         char                     *val;
         struct _fcgi_hash_bucket *next;
         struct _fcgi_hash_bucket *list_next;
   } fcgi_hash_bucket;

    typedef struct _fcgi_hash_buckets {
        unsigned int               idx;
        struct _fcgi_hash_buckets *next;
        struct _fcgi_hash_bucket   data[FCGI_HASH_TABLE_SIZE];
    } fcgi_hash_buckets;

    typedef struct _fcgi_data_seg {
        char                  *pos;
        char                  *end;
        struct _fcgi_data_seg *next;
        char                   data[1];
    } fcgi_data_seg;

    typedef struct _fcgi_hash {
        fcgi_hash_bucket  *hash_table[FCGI_HASH_TABLE_SIZE];
        fcgi_hash_bucket  *list;
        fcgi_hash_buckets *buckets;
        fcgi_data_seg     *data;
    } fcgi_hash;
    ...
    /* hash table */
    //初始化操作
    static void fcgi_hash_init(fcgi_hash *h)
    {
        memset(h->hash_table, 0, sizeof(h->hash_table));
        h->list = NULL;
        h->buckets = (fcgi_hash_buckets*)malloc(sizeof(fcgi_hash_buckets));
        h->buckets->idx = 0;
        h->buckets->next = NULL;
        h->data = (fcgi_data_seg*)malloc(sizeof(fcgi_data_seg) - 1 + FCGI_HASH_SEG_SIZE); // 默认分配 (4*8 - 1) + 4096
        h->data->pos = h->data->data; //指向环境变量初始写入位置
        h->data->end = h->data->pos + FCGI_HASH_SEG_SIZE; 指向//data_seg末尾
        h->data->next = NULL;
    }
    ...

其中我们主要关注其中的get/set操作，实现如下：

     static char *fcgi_hash_get(fcgi_hash *h, unsigned int hash_value, char *var, unsigned int var_len, unsigned int *val_len)
     // 关联 FCGI_GETENV()
     {
         unsigned int      idx = hash_value & FCGI_HASH_TABLE_MASK;
        fcgi_hash_bucket *p = h->hash_table[idx];

         while (p != NULL) {
         //需要hast_value值相同，var_len相同才能取出值
             if (p->hash_value == hash_value &&
                p->var_len == var_len &&
                memcmp(p->var, var, var_len) == 0) {
                *val_len = p->val_len;
                return p->val;
            }
            p = p->next;
        }
        return NULL;
    }

    static char* fcgi_hash_set(fcgi_hash *h, unsigned int hash_value, char *var, unsigned int var_len, char *val, unsigned int val_len)
    // 关联 FCGI_PUTENV()
    {
        unsigned int      idx = hash_value & FCGI_HASH_TABLE_MASK;  // 计算hash_value确定 index
        fcgi_hash_bucket *p = h->hash_table[idx];  //获取原有hash_table中的对应值

        while (UNEXPECTED(p != NULL)) {
            if (UNEXPECTED(p->hash_value == hash_value) &&
                p->var_len == var_len &&
                memcmp(p->var, var, var_len) == 0) {

                p->val_len = val_len;
                p->val = fcgi_hash_strndup(h, val, val_len);
                return p->val;
            }
            p = p->next;
        }

       if (UNEXPECTED(h->buckets->idx >= FCGI_HASH_TABLE_SIZE)) {
            fcgi_hash_buckets *b = (fcgi_hash_buckets*)malloc(sizeof(fcgi_hash_buckets));
            b->idx = 0;
            b->next = h->buckets;
            h->buckets = b;
        }

        p = h->buckets->data + h->buckets->idx;
        h->buckets->idx++;
        p->next = h->hash_table[idx];
        h->hash_table[idx] = p;
        p->list_next = h->list;
        h->list = p;

        p->hash_value = hash_value;
        p->var_len = var_len;
        p->var = fcgi_hash_strndup(h, var, var_len);
        p->val_len = val_len;
        p->val = fcgi_hash_strndup(h, val, val_len);
        return p->val;
    }

    static inline char* fcgi_hash_strndup(fcgi_hash *h, char *str, unsigned int str_len)
    // 实际操作request->env->data,进行数据写入。
    {
        char *ret;

        if (UNEXPECTED(h->data->pos + str_len + 1 >= h->data->end)) {
        //如果准备写入的数据长度大于当前指向的fcgi_hash_seg大小，则向前插入新的fcgi_hash_seg
                unsigned int seg_size = (str_len + 1 > FCGI_HASH_SEG_SIZE) ? str_len + 1 : FCGI_HASH_SEG_SIZE;//较长值，不跨越两个seg进行写入。
                fcgi_data_seg *p = (fcgi_data_seg*)malloc(sizeof(fcgi_data_seg) - 1 + seg_size);
                p->pos = p->data;
                p->end = p->pos + seg_size;
                p->next = h->data;
                h->data = p;
            }

            ret = h->data->pos;
           memcpy(ret, str, str_len); //于h->data->pos后写入数据
            ret[str_len] = 0;
            h->data->pos += str_len + 1; //后移h->data->pos到新的可写入位置
            return ret;
    }

由此，我们可以得出：request->env->data->pos的指向直接影响我们环境变量Key，Value的写入位置，只要我们控制了char* pos的指向，就可能覆盖已有的数据。但是，要想达成RCE还存在以下要求及限制：

1. 指针前移受当前fcgi_hash_seg空间结构影响，过短无法将char*
   
   pos置零，过长会分配到新fcgi_hash_seg空间。(如传递"形如"http://127.0.0.1/Somefile_exits/AAAAA.php/"也可造成指针后移，)

2. path_info[0] = 0 仅能将单字节置零，最好为最低位，否则会造成指针位置偏离过多。

3. 鉴于条件 2 被覆盖写的地址最低位应为0，且其后为符合条件的可覆盖的环境变量。

4. 被覆盖位置环境变量的key必须与预期写入的key满足：var、hash_value和var_len均相同，才可能被读取。

5. 执行FCGI_PUTENV(request, "ORIG_PATH_INFO",
   
   orig_path_info);时，分别写入ORIG_SCRIPT_NAME、orig_script_name（"ORIG_SCRIPT_NAME/index.php/PHP_VALUE\nAAAAAA"）。

相应地，我们可以：

1. 通过控制query_string的长度，使path_info恰好处于新fcgi_hash_seg的data首位，这时我们仅需移动8+8+8+len("PATH_INFO\0")+N= 34 + N即可完成对char* pos的篡改。满足条件1，2的要求。
2. 通过自定义http header，操纵request header的长度将预期覆盖的环境变量放置到特定的位置（0x____00+len("ORIG_SCRIPT_NAME")+len("/index.php/")）。满足条件3，5要求。（在NGINX中，HTTP中的请求头会以"HTTP_XXX"的形式传入PHP-FPM，随后写入到request-env中）
3. Exp作者提供了EBUT这个自定义头，其env变量名HTTP_EBUT与PHP_VALUE在长度和hash_value方面相等，且PHP_VALUE会在后续处理中被尝试读取(ini =
   
   FCGI_GETENV(request, "PHP_VALUE")