Linux pwn中如何格式化字符串漏洞

這期內(nèi)容當中小編將會給大家?guī)碛嘘PLinux pwn中如何格式化字符串漏洞，文章內(nèi)容豐富且以專業(yè)的角度為大家分析和敘述，閱讀完這篇文章希望大家可以有所收獲。

0x00 printf函數(shù)中的漏洞

printf函數(shù)族是一個在C編程中比較常用的函數(shù)族。通常來說，我們會使用printf([格式化字符串]，參數(shù))的形式來進行調(diào)用，例如

char s[20] = “Hello world!\n”;printf(“%s”, s);

然而，有時候為了省事也會寫成

char s[20] = “Hello world!\n”;printf(s);

事實上，這是一種非常危險的寫法。由于printf函數(shù)族的設計缺陷，當其第一個參數(shù)可被控制時，攻擊者將有機會對任意內(nèi)存地址進行讀寫操作。

0x01 利用格式化字符串漏洞實現(xiàn)任意地址讀

首先我們來看一個自己寫的簡單例子~/format_x86/format_x86這是一個代碼很簡單的程序，為了留后門，我調(diào)用system函數(shù)寫了一個showVersion().剩下的就是一個無線循環(huán)的讀寫，并使用有問題的方式調(diào)用了printf().正常來說，我們輸入什么都會被原樣輸出但是當我們輸入一些特定的字符時輸出出現(xiàn)了變化。

可以看到，當我們輸入printf可識別的格式化字符串時，printf會將其作為格式化字符串進行解析并輸出。原理很簡單，形如printf(“%s”, “Hello world”)的使用形式會把第一個參數(shù)%s作為格式化字符串參數(shù)進行解析，在這里由于我們直接用printf輸出一個變量，當變量也正好是格式化字符串時，自然就會被printf解析。那么后面輸出的內(nèi)容又是什么呢？我們繼續(xù)做實驗。

我們直接在call _printf一行下斷點然后以調(diào)試方式啟動程序，然后輸入一大串%x.，輸出結果如圖此時的棧情況如圖我們很容易發(fā)現(xiàn)輸出的內(nèi)容正好是esp-4開始往下的一連串數(shù)據(jù)。所以理論上我們可以通過疊加%x來獲取有限范圍內(nèi)的棧數(shù)據(jù)。那么我們有可能泄露其他數(shù)據(jù)嗎？我們知道格式化字符串里有%s，用于輸出字符。其本質(zhì)上是讀取對應的參數(shù)，并作為指針解析，獲取到對應地址的字符串輸出。我們先輸入一個%s觀察結果。我們看到輸出了%s后還接了一個換行，對應的棧和數(shù)據(jù)如下：

棧頂是第一個參數(shù)，也就是我們輸入的%s, 第二個參數(shù)的地址和第一個參數(shù)一樣，作為地址解析指向的還是%s和回車0x0A。由于此時我們可以通過輸入來操控棧，我們可以輸入一個地址，再讓%s正好對應到這個地址，從而輸出地址指向的字符串，實現(xiàn)任意地址讀。

通過剛剛的調(diào)試我們可以發(fā)現(xiàn)，我們的輸入從第六個參數(shù)開始(上圖從棧頂往下數(shù)第六個‘000A7325’ = %s\n\x00)。所以我們可以構造字符串”\x01\x80\x04\x08%x.%x.%x.%x.%s“。這里前面的地址是ELF文件加載的地址08048000+1，為什么不是08048000后面再說，有興趣的可以自己試驗一下。

由于字符串里包括了不可寫字符，我們沒辦法直接輸入，這回我們用pwntools+IDA附加的方式進行調(diào)試。

我們成功地泄露出了地址0x08048001內(nèi)的內(nèi)容。

經(jīng)過剛剛的試驗，我們用來泄露指定地址的payload對讀者來說應該還是能夠理解的。由于我們的輸入本體恰好在printf讀取參數(shù)的第六個參數(shù)的位置，所以我們把地址布置在開頭，使其被printf當做第六個參數(shù)。接下來是格式化字符串，使用%x處理掉第二到第五個參數(shù)(我們的輸入所在地址是第一個參數(shù))，使用%s將第六個參數(shù)作為地址解析。但是如果輸入長度有限制，而且我們的輸入位于printf的第幾十個參數(shù)之外要怎么辦呢？疊加%x顯然不現(xiàn)實。因此我們需要用到格式化字符串的另一個特性。

格式化字符串可以使用一種特殊的表示形式來指定處理第n個參數(shù)，如輸出第五個參數(shù)可以寫為%4$s，第六個為%5$s，需要輸出第n個參數(shù)就是%(n-1)$[格式化控制符]。因此我們的payload可以簡化為”\x01\x80\x04\x08%5$s”

0x02 使用格式化字符串漏洞任意寫

雖然我們可以利用格式化字符串漏洞達到任意地址讀，但是我們并不能直接通過讀取來利用漏洞getshell，我們需要任意地址寫。因此我們在本節(jié)要介紹格式化字符串的另一個特性——使用printf進行寫入。
printf有一個特殊的格式化控制符%n，和其他控制輸出格式和內(nèi)容的格式化字符不同的是，這個格式化字符會將已輸出的字符數(shù)寫入到對應參數(shù)的內(nèi)存中。我們將payload改成“\x8c\x97\x04\x08%5$n”，其中0804978c是.bss段的首地址，一個可寫地址。執(zhí)行前該地址中的內(nèi)容是0printf執(zhí)行完之后該地址中的內(nèi)容變成了4，查看輸出發(fā)現(xiàn)輸出了四個字符“\x8c\x97\x04\x08”，回車沒有被計算在內(nèi)。我們再次修改payload為“\x8c\x97\x04\x08%2048c%5$n”，成功把0804978c里的內(nèi)容修改成0x804

現(xiàn)在我們已經(jīng)驗證了任意地址讀寫，接下來可以構造exp拿shell了。

由于我們可以任意地址寫，且程序里有system函數(shù)，因此我們在這里可以直接選擇劫持一個函數(shù)的got表項為system的plt表項，從而執(zhí)行system(“/bin/sh”)。劫持哪一項呢？我們發(fā)現(xiàn)在got表中只有四個函數(shù)，且printf函數(shù)可以單參數(shù)調(diào)用，參數(shù)又正好是我們輸入的。因此我們可以劫持printf為system，然后再次通過read讀取”/bin/sh”，此時printf(“/bin/sh”)將會變成system(“/bin/sh”)。根據(jù)之前的任意地址寫實驗，我們很容易構造payload如下：

printf_got = 0x08049778system_plt = 0x08048320payload = p32(printf_got)+”%”+str(system_plt-4)+”c%5$n”

p32(printf_got)占了4字節(jié)，所以system_plt要減去4

將payload發(fā)送過去，可以發(fā)現(xiàn)此時got表中的printf項已經(jīng)被劫持

此時再次發(fā)送”/bin/sh”就可以拿shell了。

但是這里還有一個問題，如果讀者真的自己調(diào)試了一遍就會發(fā)現(xiàn)單步執(zhí)行時call _printf一行執(zhí)行時間額外的久，且最后io.interactive()時屏幕上的光標會不停閃爍很長一段時間，輸出大量的空字符。使用io.recvall()讀取這些字符發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量高達128.28MB。這是因為我們的payload中會輸出多達134513436個字符

由于我們所有的試驗都是在本機/虛擬機和docker之間進行，所以不會受到網(wǎng)絡環(huán)境的影響。而在實際的比賽和漏洞利用環(huán)境中，一次性傳輸如此大量的數(shù)據(jù)可能會導致網(wǎng)絡卡頓甚至中斷連接。因此，我們必須換一種寫exp的方法。
我們知道，在64位下有%lld, %llx等方式來表示四字(qword)長度的數(shù)據(jù)，而對稱地，我們也可以使用%hd, %hhx這樣的方式來表示字(word)和字節(jié)(byte)長度的數(shù)據(jù)，對應到%n上就是%hn, %hhn。為了防止修改的地址有誤導致程序崩潰，我們?nèi)匀恍枰淮涡园裧ot表中的printf項改掉，因此使用%hhn時我們就必須一次修改四個字節(jié)。那么我們就得重新構造一下payload
首先我們給payload加上四個要修改的字節(jié)

printf_got = 0x08049778
system_plt = 0x08048320

payload = p32(printf_got)payload += p32(printf_got+1)payload += p32(printf_got+2)payload += p32(printf_got+3)

然后我們來修改第一位。由于x86和x86-64都是大端序，printf_got對應的應該是地址后兩位0x20

payload += “%”payload += str(0x20-16)payload += “c%5$hhn”

這時候我們已經(jīng)修改了0x08049778處的數(shù)據(jù)為0x20，接下來我們需要修改0x08049778+2處的數(shù)據(jù)為0x83。由于我們已經(jīng)輸出了0x20個字節(jié)(16個字節(jié)的地址+0x20-16個%c)，因此我們還需要輸出0x83-0x20個字節(jié)

payload += “%”payload += str(0x83-0x20)payload += “c%6$hhn”

繼續(xù)修改0x08049778+4，需要修改為0x04，然而我們前面已經(jīng)輸出了0x83個字節(jié)，因此我們需要輸出到0x04+0x100=0x104字節(jié)，截斷后變成0x04

payload += “%”payload += str(0x104-0x83)payload += “c%7$hhn”

修改0x08049778+6

payload += “%”payload += str(0x08-0x04)payload += “c%8$hhn”

最后的payload為'\x78\x97\x04\x08\x79\x97\x04\x08\x7a\x97\x04\x08\x7b\x97\x04\x08%16c%5$hhn%99c%6$hhn%129c%7$hhn%4c%8$hhn'
當然，對于格式化字符串payload，pwntools也提供了一個可以直接使用的類Fmtstr，具體文檔見http://docs.pwntools.com/en/stable/fmtstr.html ，我們較常使用的功能是fmtstr_payload(offset, {address:data}, numbwritten=0, write_size=’byte’)。第一個參數(shù)offset是第一個可控的棧偏移(不包含格式化字符串參數(shù))，代入我們的例子就是第六個參數(shù)，所以是5。第二個字典看名字就可以理解，numbwritten是指printf在格式化字符串之前輸出的數(shù)據(jù)，比如printf(“Hello [var]”)，此時在可控變量之前已經(jīng)輸出了“Hello ”共計六個字符，應該設置參數(shù)值為6。第四個選擇用 %hhn(byte), %hn(word)還是%n(dword).在我們的例子里就可以寫成fmtstr_payload(5, {printf_got:system_plt})
獲取本例子shell的腳本見于附件，此處不再贅述。

0x03 64位下的格式化字符串漏洞利用

學習完32位下的格式化字符串漏洞利用，我們繼續(xù)來看現(xiàn)在已經(jīng)變成主流的64位程序。我們打開例子~/format_x86-64/format_x86-64。事實上，這個程序和上一節(jié)中使用的例子是同一個代碼文件，只不過編譯成了64位的形式。和上一個例子一樣，我們首先看一下可控制的棧地址偏移。根據(jù)上個例子，我們的輸入位于棧頂，所以是第一個參數(shù)，偏移應該是0.但是問題來了，棧頂不應該是字符串地址嗎？別忘了64位的傳參順序是rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9，接下來才是棧，所以這里的偏移應該是6.我們可以用一串%llx.來證明這一點。有了偏移，got表中的printf和plt表中的system也可以直接從程序中獲取，我們就可以使用fmtstr_payload來生成payload了。然而我們會發(fā)現(xiàn)這個payload無法修改got表中的printf項為plt的system然而查看內(nèi)存，發(fā)現(xiàn)payload并沒有問題那么問題出在哪呢？我們看一下printf的輸出

可以看到我們第一次輸入的payload只剩下空格(\x20)，\x10和`(\x60)三個字符。這是為什么呢？

我們回頭看看payload，很容易發(fā)現(xiàn)緊接在\x20\x10\x60三個字符后面的是\x00，而\x00正是字符串結束符號，這就是為什么我們在上一節(jié)中選擇0x08048001而不是0x08048000測試讀取。由于64位下用戶可見的內(nèi)存地址高位都帶有\(zhòng)x00(64位地址共16個16進制數(shù))，所以使用之前構造payload的方法顯然不可行，因此我們需要調(diào)整一下payload，把地址放到payload的最后。

由于地址中帶有\(zhòng)x00，所以這回就不能用%hhn分段寫了，因此我們的payload構造如下

offset = 6printf_got = 0x00601020system_plt = 0x00400460payload = “%” + str(system_plt) + “c%6$lln” + p64(printf_got)

這個payload看起來好像沒什么問題，不過如果拿去測試，你就會發(fā)現(xiàn)用io.recvall()讀完輸出后程序馬上就會崩潰。這是為什么呢？如果你仔細看右下角的棧，你就會發(fā)現(xiàn)構造好的地址錯位了。

因此我們還需要調(diào)整一下payload，使地址前面的數(shù)據(jù)恰好為地址長度的倍數(shù)。當然，地址所在offset也得調(diào)整。調(diào)整后的結果如下：

offset = 8printf_got = 0x00601020system_plt = 0x00400460payload = “a%” + str(system_plt-1) + “c%6$lln” + p64(printf_got)

這回就可以了。

0x04 使用格式化字符串漏洞使程序無限循環(huán)

從上面的兩個例子我們可以發(fā)現(xiàn)，之所以能成功利用格式化字符串漏洞getshell，很多時候都是因為程序中存在循環(huán)。如果程序中不存在循環(huán)呢？之前我們試過使用ROP技術劫持函數(shù)返回地址到start，這回我們將使用格式化字符串漏洞做到這一點。
我們打開例子~/MMA CTF 2nd 2016-greeting/greeting

同樣的，這個32位程序的got表中有system（看左邊），而且存在一個格式化字符串漏洞。計算偏移值和詳細構造payload的步驟此處不再贅述。這個程序主要的問題在于我們需要用printf來觸發(fā)漏洞，然而我們從代碼中可以看到printf執(zhí)行完之后就不會再調(diào)用其他got表中的函數(shù)，這就意味著即使成功觸發(fā)漏洞劫持got表也無法執(zhí)行system。這時候就需要我們想辦法讓程序可以再次循環(huán)。

之前的文章中我們就提到過，雖然寫代碼的時候我們以main函數(shù)作為程序入口，但是編譯成程序的時候入口并不是main函數(shù)，而是start代碼段。事實上，start代碼段還會調(diào)用__libc_start_main來做一些初始化工作，最后調(diào)用main函數(shù)并在main函數(shù)結束后做一些處理。其流程見于鏈接http://dbp-consulting.com/tutorials/debugging/linuxProgramStartup.html

大致如下圖簡單地說，在main函數(shù)前會調(diào)用.init段代碼和.init_array段的函數(shù)數(shù)組中每一個函數(shù)指針。同樣的，main函數(shù)結束后也會調(diào)用.fini段代碼和.fini._arrary段的函數(shù)數(shù)組中的每一個函數(shù)指針。

而我們的目標就是修改.fini_array數(shù)組的第一個元素為start。需要注意的是，這個數(shù)組的內(nèi)容在再次從start開始執(zhí)行后又會被修改，且程序可讀取的字節(jié)數(shù)有限，因此需要一次性修改兩個地址并且合理調(diào)整payload。可用的腳本同樣見于附件。

0x05 一些和格式化字符串漏洞相關的漏洞緩解機制

在checksec腳本的檢查項中，我們之前提到過了NX的作用，本節(jié)我們介紹一下另外兩個和Linux pwn中格式化字符串漏洞常用的利用手段相關的緩解機制RELRO和FORTIFY首先我們介紹一下RELRO，RELRO是重定位表只讀（Relocation Read Only）的縮寫。重定位表即我們經(jīng)常提到的ELF文件中的got表和plt表。關于這兩個表的來源和作用，我們會在介紹ret2dl-resolve的文章中詳細介紹?，F(xiàn)在我們首先需要知道的是這兩個表，正如其名，是為程序外部的函數(shù)和變量（不在程序里定義和實現(xiàn)的函數(shù)和變量，比如read。顯然你在自己的代碼里調(diào)用read函數(shù)的時候不用自己寫一個read函數(shù)的實現(xiàn)）的重定位做準備的。由于重定位需要額外的性能開銷，出于優(yōu)化考慮，一般來說程序會使用延遲加載，即外部函數(shù)的內(nèi)存地址是在第一次被調(diào)用時（例如read函數(shù)，第一次調(diào)用即為程序第一次執(zhí)行call read）被找到并且填進got表里面的。因此，got表必須是可寫的。但是got表可寫也給格式化字符串漏洞帶來了一個非常方便的利用方式，即修改got表。正如前面的文章所述，我們可以通過漏洞修改某個函數(shù)的got表項（比如puts）為system函數(shù)的地址，這樣一來，我們執(zhí)行call puts實際上調(diào)用的卻是system，相應的，傳入的參數(shù)也給了system，從而可以執(zhí)行system(“/bin/sh”)?？梢赃@么操作的程序使用checksec檢查的結果如下圖

其RELRO項為Partial RELRO.

而開頭的圖中顯示的RELRO: Full RELRO意即該程序的重定位表項全部只讀，無論是.got還是.got.plt都無法修改。我們找到這個程序（在《stack canary與繞過的思路》的練習題中），在call read上下斷點，修改第一個參數(shù)buf為got表的地址以嘗試修改got表，程序不會報錯，但是數(shù)據(jù)未被修改，read函數(shù)返回了一個-1

顯然，當程序開啟了Full RELRO保護之后，包括格式化字符串漏洞在內(nèi)，試圖通過漏洞劫持got表的行為都將會被阻止。

接下來我們介紹另一個比較少見的保護措施FORTIFY，這是一個由GCC實現(xiàn)的源碼級別的保護機制，其功能是在編譯的時候檢查源碼以避免潛在的緩沖區(qū)溢出等錯誤。簡單地說，加了這個保護之后（編譯時加上參數(shù)-D_FORTIFY_SOURCE=2）一些敏感函數(shù)如read, fgets, memcpy, printf等等可能導致漏洞出現(xiàn)的函數(shù)都會被替換成__read_chk, __fgets_chk, __memcpy_chk, __printf_chk等。這些帶了chk的函數(shù)會檢查讀取/復制的字節(jié)長度是否超過緩沖區(qū)長度，通過檢查·諸如%n之類的字符串位置是否位于可能被用戶修改的可寫地址，避免了格式化字符串跳過某些參數(shù)（如直接%7$x）等方式來避免漏洞出現(xiàn)。開啟了FORTIFY保護的程序會被checksec檢出，此外，在反匯編時直接查看got表也會發(fā)現(xiàn)chk函數(shù)的存在

上述就是小編為大家分享的Linux pwn中如何格式化字符串漏洞了，如果剛好有類似的疑惑，不妨參照上述分析進行理解。如果想知道更多相關知識，歡迎關注億速云行業(yè)資訊頻道。