作者：wzt
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1.1 简介
XNU的内核内存分配器层次比较多， 因为它是一个混合的内核，bsd、mach层都有自己的内存分配器接口， 但最底层的都是调用zone allocotr分配器。它的内存分配器设计非常简单，大概是我读过的众多主流os内核中无论数据结构还是分配算法都是最简单的一个。我时常在想XNU内核给MacOS提供了流畅的操作性，但是只从zone的内存分配器来看并不能支撑这个结论，或许慢慢随着笔者对XNU内核的深入理解，答案也会慢慢水落石出。不过本次我们将探讨下zone内存分配器的安全特性以及设计不足，值得肯定的是zone内存分配器在调试和安全特性上的支持已经远远甩出了FREEBSD内核，于linux的slab内存分配器也有过之而无不及， 各有春秋。
1.2 zone分配器的基本结构
Zone分配器的最基本管理结构为struct zone_page_metadata， 它相当于linux slab的slab管理结构体。
struct zone_page_metadata {
queue_chain_t pages;
union {
uint32_t freelist_offset;
uint32_t real_metadata_offset;
};
uint16_t free_count;
unsigned zindex : ZINDEX_BITS;
unsigned page_count : PAGECOUNT_BITS;
};结构成员中最重要的是freelist_offset, 它保存的是下一个空闲的item地址。 一个item在内存中的结构图为：
1.3 堆溢出检测
业界常用的检测堆溢出的算法为在一个item前后填充若干redzone值，申请或释放内存时对redzone值进行检测，以发现是否有溢出行为的发生。XNU内核只有在打开KASAN_ZALLOC内核选项时才会填充redzone。
osfmk/kern/zalloc.c：
static inline vm_offset_t
try_alloc_from_zone(zone_t zone,
vm_tag_t tag __unused,
boolean_t* check_poison)
{
#if KASAN_ZALLOC
kasan_poison_range(element, zone->elem_size, ASAN_VALID);
#endif
}
kasan_poison_range->kasan_poison
kasan_poison(vm_offset_t base, vm_size_t size, vm_size_t leftrz, vm_size_t rightrz, uint8_t flags)
{
uint8_t *shadow = SHADOW_FOR_ADDRESS(base);
uint8_t partial = size & 0x07;
vm_size_t total = leftrz + size + rightrz;
vm_size_t i = 0;
if (!kasan_enabled || !kasan_poison_active(flags)) {
return;
}
leftrz /= 8;
size /= 8;
total /= 8;
uint8_t l_flags = flags;
uint8_t r_flags = flags;
if (flags == ASAN_STACK_RZ) {
l_flags = ASAN_STACK_LEFT_RZ;
r_flags = ASAN_STACK_RIGHT_RZ;
} else if (flags == ASAN_HEAP_RZ) {
l_flags = ASAN_HEAP_LEFT_RZ;
r_flags = ASAN_HEAP_RIGHT_RZ;
}
for (; i < leftrz; i++) {
shadow[i] = l_flags;
}
for (; i < leftrz + size; i++) {
shadow[i] = ASAN_VALID; /* XXX: should not be necessary */
}
if (partial && (i < total)) {
shadow[i] = partial;
i++;
}
for (; i < total; i++) {
shadow[i] = r_flags;
}
}Zone依据内存分配器的不同阶段，调用kasan_poison时构造的item前后redzone填充值也不相同。
san/kasan.h
#define ASAN_VALID 0x00
#define ASAN_HEAP_RZ 0xe9
#define ASAN_HEAP_LEFT_RZ 0xfa
#define ASAN_HEAP_RIGHT_RZ 0xfb
#define ASAN_HEAP_FREED 0xfdRedzone的填充值与其他OS的实现一样都使用了默认值， exploit程序很容易对其绕过，在笔者给linux slab开发的内核加固补丁AKSP中，堆redzone使用了随机值，进一步提升了安全性。
1.4 DOUBLE FREE检测
Zone内存分配器可以做简单的double free检测。
osfmk/kern/zalloc.c：
static inline void
free_to_zone(zone_t zone,
vm_offset_t element,
boolean_t poison)
{
page_meta = get_zone_page_metadata((struct zone_free_element *)element, FALSE); [1]
old_head = (vm_offset_t)page_metadata_get_freelist(page_meta); [2]
if (__improbable(old_head == element)) [3]
panic("zfree: double free of %p to zone %s\n",
(void *) element, zone->zone_name);
}[1] 处通过参数element获取struct zone_page_metadata管理体地址，然后获取其保存的下一个空闲item地址old_head, 在[3]进行比对， 如果相等说明有重复释放的行为。
这种算法只能检测简单的double free操作，也就是连续释放两次相同的item地址。
Free(addr1);
Free(addr1);
对于下面这种情况就检测不到了。
Free(addr1);
Free(addr2);
Free(addr1);
在笔者给linux slab开发的内核加固补丁AKSP中，可以检测上述或者更复杂的多重释放问题。
1.5 UAF检测
业界常用的UFA检测算法是给item填充固定的poison值，在申请内存时检测posion是否改变以此来发现UAF的行为。
osfmk/kern/zalloc.c
static void *
zalloc_internal(
zone_t zone,
boolean_t canblock,
boolean_t nopagewait,
vm_size_t
#if !VM_MAX_TAG_ZONES
__unused
#endif
reqsize,
vm_tag_t tag)
{
zalloc_poison_element(check_poison, zone, addr);
}
void
zalloc_poison_element(boolean_t check_poison, zone_t zone, vm_offset_t addr)
{
vm_offset_t inner_size = zone->elem_size;
if (__improbable(check_poison && addr)) {
vm_offset_t *element_cursor = ((vm_offset_t *) addr) + 1; [1]
vm_offset_t *backup = get_backup_ptr(inner_size, (vm_offset_t *) addr);[2]
for ( ; element_cursor < backup ; element_cursor++)[3]
if (__improbable(*element_cursor != ZP_POISON))
zone_element_was_modified_panic(zone,
addr,
*element_cursor,
ZP_POISON,
((vm_offset_t)element_cursor) - addr);
}
}[1] 处首先取得poison的首地址，注意item的第一个地址为加密后的next pointer值，它是与zp_nopoison_cookie异或计算的结果，所以要跳过第一个地址， [2]处取得posion的最后一个地址，在前面的item内存结构视图中可以看到item的最后一个地址保存的是next_pointer的值，它是与zp_poisoned_cookie或者zp_nopoison_cookie异或计算的结果。
zp_poisoned_cookie与zp_nopoison_cookie是在zone子系统初始化时动态随机生成的，所有的zone共用同一个值。[3]处与默认填充的poison值进行比对, 如果比对失败，说明这个item在分配之前已经被改写过了。
前面分析过item的第一个地址保存的是next pointer的一个混淆值， 在item的最后还保存了一个next pointer的混淆值副本。所以除了填充poison的方法， zone内存分配器还可以使用next pointer和其副本的对比，来发现UAF的行为。
static inline vm_offset_t
try_alloc_from_zone(zone_t zone,
vm_tag_t tag __unused,
boolean_t* check_poison)
{
if (__improbable(next_element != (next_element_backup ^ zp_nopoison_cookie))) {
if (__improbable(next_element != (next_element_backup ^ zp_poisoned_cookie)))
/* Neither cookie is valid, corruption has occurred */
backup_ptr_mismatch_panic(zone, element, next_element_primary, next_element_backup);
}
}由于next pointer的副本根据是否需要填充poison使用不同的xor值，所以分别进行了两次比对。
在进行完UAF检查后，zalloc_poison_element还会堆next pointer进行擦除，以后防止地址泄露，并且从泄露的地址推测zp_nopoison_cookie随机值。
void
zalloc_poison_element(boolean_t check_poison, zone_t zone, vm_offset_t addr)
{
if (addr) {
vm_offset_t *primary = (vm_offset_t *) addr;
vm_offset_t *backup = get_backup_ptr(inner_size, primary);
*primary = ZP_POISON;
*backup = ZP_POISON;
}
}1.6 item地址随机化
内核堆的攻击技术链中，item的地址初始化顺序十分重要， exploit以此来精确控制要覆盖的item地址， linux slab使用了洗牌算法将slab里item的初始化顺序完全打乱。但是XNU内核使用的item随机化只有两种情况， 正向顺序或逆向顺序，这只能在一定程度上缓解地址随机化问题，相比linux的洗牌算法会变弱了很多。
random_free_to_zone(
zone_t zone,
vm_offset_t newmem,
vm_offset_t first_element_offset,
int element_count,
unsigned int *entropy_buffer)
{
assert(element_count && element_count <= ZONE_CHUNK_MAXELEMENTS);
elem_size = zone->elem_size;
last_element_offset = first_element_offset + ((element_count * elem_size) - elem_size);
for (index = 0; index < element_count; index++) {
assert(first_element_offset <= last_element_offset);
if (
#if DEBUG || DEVELOPMENT
leak_scan_debug_flag || __improbable(zone->tags) ||
#endif /* DEBUG || DEVELOPMENT */
random_bool_gen_bits(&zone_bool_gen, entropy_buffer, MAX_ENTROPY_PER_ZCRAM, 1)) {[1]
element_addr = newmem + first_element_offset;
first_element_offset += elem_size;
} else {[2]
element_addr = newmem + last_element_offset;
last_element_offset -= elem_size;
}
if (element_addr != (vm_offset_t)zone) {
zone->count++; /* compensate for free_to_zone */
free_to_zone(zone, element_addr, FALSE);
}
zone->cur_size += elem_size;
}
}random_bool_gen_bits产生一些随机的0或1，从而选择是正向顺序分配还是逆向顺序分配item地址。
1.7 内存拷贝检查
Zone内存分配器提供了一个启动参数-no-copyio-zalloc-check, 当发生从用户空间向内核空间拷贝数据时，会检测内核空间是否属于zone的空间，如果属于那么拷贝的字节数就不能大于zone的item size，这是一个非常棒的安全检测功能。有点类似linux slab的hardened user copy算法， 只不过它防止的是从内核向用户空间拷贝敏感的数据，限制了拷贝的范围。
1.8 双向安全链表
尽管针对内核堆溢出的攻击中， 很少见到改写双向链表节点的攻击手段。但是为了防患于未然，或者说养成良好的安全编程习惯， NT和linux内核都使用了安全双向链表检查，而XNU未提供此能力。
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