C语言格式化字符串漏洞实验
护花罓使者
8年前
<h2>格式化字符串漏洞实验</h2> <p>在线实验环境： <a href="/misc/goto?guid=4959732953798718347" rel="nofollow,noindex">格式化字符串漏洞实验</a></p> <h3>一、 实验描述</h3> <p>格式化字符串漏洞是由像printf(user_input)这样的代码引起的，其中user_input是用户输入的数据，具有Set-UID root权限的这类程序在运行的时候，printf语句将会变得非常危险，因为它可能会导致下面的结果：</p> <ul> <li>使得程序崩溃</li> <li>任意一块内存读取数据</li> <li>修改任意一块内存里的数据</li> </ul> <p>最后一种结果是非常危险的，因为它允许用户修改set-UID root程序内部变量的值，从而改变这些程序的行为。</p> <p>本实验将会提供一个具有格式化漏洞的程序，我们将制定一个计划来探索这些漏洞。</p> <h3>二、实验预备知识讲解</h3> <p>2.1 什么是格式化字符串？</p> <pre> <code class="language-cpp">printf ("The magic number is: %d", 1911);</code></pre> <p>试观察运行以上语句，会发现字符串"The magic number is: %d"中的格式符％d被参数（1911）替换，因此输出变成了“The magic number is: 1911”。 格式化字符串大致就是这么一回事啦。</p> <p>除了表示十进制数的％d，还有不少其他形式的格式符，一起来认识一下吧~</p> <table> <thead> <tr> <th>格式符</th> <th>含义</th> <th>含义（英）</th> <th>传</th> </tr> </thead> <tbody> <tr> <td>%d</td> <td>十进制数（int）</td> <td>decimal</td> <td>值</td> </tr> <tr> <td>%u</td> <td>无符号十进制数 (unsigned int)</td> <td>unsigned decimal</td> <td>值</td> </tr> <tr> <td>%x</td> <td>十六进制数 (unsigned int)</td> <td>hexadecimal</td> <td>值</td> </tr> <tr> <td>%s</td> <td>字符串 ((const) (unsigned) char *)</td> <td>string</td> <td>引用（指针）</td> </tr> <tr> <td>%n</td> <td>%n符号以前输入的字符数量 (* int)</td> <td>number of bytes written so far</td> <td>引用（指针）</td> </tr> </tbody> </table> <p>（ * <strong>%n</strong> 的使用将在1.5节中做出说明）</p> <p>2.2 栈与格式化字符串</p> <p>格式化函数的行为由格式化字符串控制，printf函数从栈上取得参数。</p> <pre> <code class="language-cpp">printf ("a has value %d, b has value %d, c is at address: %08x\n",a, b, &c);</code></pre> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/232341e2709e1f138d1fdd09e403c314.png"></p> <p>2.3 如果参数数量不匹配会发生什么？</p> <p>如果只有一个不匹配会发生什么？</p> <pre> <code class="language-cpp">printf ("a has value %d, b has value %d, c is at address: %08x\n",a, b);</code></pre> <ul> <li>在上面的例子中格式字符串需要3个参数，但程序只提供了2个。</li> <li>该程序能够通过编译么？ <ul> <li>printf()是一个参数长度可变函数。因此，仅仅看参数数量是看不出问题的。</li> <li>为了查出不匹配，编译器需要了解printf()的运行机制，然而编译器通常不做这类分析。</li> <li>有些时候，格式字符串并不是一个常量字符串，它在程序运行期间生成(比如用户输入)，因此，编译器无法发现不匹配。</li> </ul> </li> <li>那么printf()函数自身能检测到不匹配么？ <ul> <li>printf()从栈上取得参数，如果格式字符串需要3个参数，它会从栈上取3个，除非栈被标记了边界，printf()并不知道自己是否会用完提供的所有参数。</li> <li>既然没有那样的边界标记。printf()会持续从栈上抓取数据，在一个参数数量不匹配的例子中，它会抓取到一些不属于该函数调用到的数据。</li> </ul> </li> <li>如果有人特意准备数据让printf抓取会发生什么呢？</li> </ul> <p>2.4 访问任意位置内存</p> <ul> <li>我们需要得到一段数据的内存地址，但我们无法修改代码，供我们使用的只有格式字符串。</li> <li>如果我们调用 printf(%s) 时没有指明内存地址, 那么目标地址就可以通过printf函数，在栈上的任意位置获取。printf函数维护一个初始栈指针,所以能够得到所有参数在栈中的位置</li> <li>观察: 格式字符串位于栈上. 如果我们可以把目标地址编码进格式字符串，那样目标地址也会存在于栈上，在接下来的例子里，格式字符串将保存在栈上的缓冲区中。</li> </ul> <pre> <code class="language-cpp">int main(int argc, char *argv[]) { char user_input[100]; ... ... /* other variable definitions and statements */ scanf("%s", user_input); /* getting a string from user */ printf(user_input); /* Vulnerable place */ return 0; }</code></pre> <ul> <li> <p>如果我们让printf函数得到格式字符串中的目标内存地址 (该地址也存在于栈上), 我们就可以访问该地址.</p> <pre> <code class="language-cpp">printf ("\x10\x01\x48\x08 %x %x %x %x %s");</code></pre> </li> <li> <p>\x10\x01\x48\x08 是目标地址的四个字节， 在C语言中, \x10 告诉编译器将一个16进制数0x10放于当前位置（占1字节）。如果去掉前缀\x10就相当于两个ascii字符1和0了，这就不是我们所期望的结果了。</p> </li> <li>%x 导致栈指针向格式字符串的方向移动（参考1.2节）</li> <li>下图解释了攻击方式，如果用户输入中包含了以下格式字符串 <img src="https://simg.open-open.com/show/a2201ebb7717bc3af16aa2b3543f83c8.png"></li> <li>如图所示，我们使用四个%x来移动printf函数的栈指针到我们存储格式字符串的位置，一旦到了目标位置，我们使用％s来打印，它会打印位于地址0x10014808的内容，因为是将其作为字符串来处理，所以会一直打印到结束符为止。</li> <li>user_input数组到传给printf函数参数的地址之间的栈空间不是为了printf函数准备的。但是，因为程序本身存在格式字符串漏洞，所以printf会把这段内存当作传入的参数来匹配％x。</li> <li>最大的挑战就是想方设法找出printf函数栈指针(函数取参地址)到user_input数组的这一段距离是多少，这段距离决定了你需要在%s之前输入多少个%x。</li> </ul> <p>2.5 在内存中写一个数字</p> <p>%n: 该符号前输入的字符数量会被存储到对应的参数中去</p> <pre> <code class="language-cpp">int i; printf ("12345%n", &i);</code></pre> <ul> <li>数字5（%n前的字符数量）将会被写入i 中</li> <li>运用同样的方法在访问任意地址内存的时候，我们可以将一个数字写入指定的内存中。只要将上一小节(1.4)的%s替换成%n就能够覆盖0x10014808的内容。</li> <li>利用这个方法，攻击者可以做以下事情: <ul> <li>重写程序标识控制访问权限</li> <li>重写栈或者函数等等的返回地址</li> </ul> </li> <li>然而，写入的值是由%n之前的字符数量决定的。真的有办法能够写入任意数值么？ <ul> <li>用最古老的计数方式， 为了写1000，就填充1000个字符吧。</li> <li>为了防止过长的格式字符串，我们可以使用一个宽度指定的格式指示器。(比如（%0数字x）就会左填充预期数量的0符号)</li> </ul> </li> </ul> <h3>三、 实验内容</h3> <p>用户需要输入一段数据，数据保存在user_input数组中，程序会使用printf函数打印数据内容，并且该程序以root权限运行。更加可喜的是，这个程序存在一个格式化漏洞。让我们来看看利用这些漏洞可以搞些什么破坏。</p> <p>程序说明：</p> <p>程序内存中存在两个秘密值，我们想要知道这两个值，但发现无法通过读二进制代码的方式来获取它们（实验中为了简单起见，硬编码这些秘密值为0x44和0x55）。尽管我们不知道它们的值，但要得到它们的内存地址倒不是特别困难，因为对大多数系统而言，每次运行程序，这些内存地址基本上是不变的。实验假设我们已经知道了这些内存地址，为了达到这个目的，程序特意为我们打出了这些地址。</p> <p>有了这些前提以后我们需要达到以下目标：</p> <ul> <li>找出secret[1]的值</li> <li>修改secret[1]的值</li> <li>修改secret[1]为期望值</li> </ul> <p>注意：因为实验环境是64位系统，所以需要使用%016llx才能读取整个字。但为了简便起见，对程序进行了修改了，使用%08x也能完成实验。</p> <p>有了之前预备知识的铺垫，先自己尝试一下，祝玩的愉快：）</p> <p>程序如下：</p> <pre> <code class="language-cpp">/* vul_prog.c */ #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #define SECRET1 0x44 #define SECRET2 0x55 int main(int argc, char *argv[]) { char user_input[100]; int *secret; long int_input; int a, b, c, d; /* other variables, not used here.*/ /* The secret value is stored on the heap */ secret = (int *) malloc(2*sizeof(int)); /* getting the secret */ secret[0] = SECRET1; secret[1] = SECRET2; printf("The variable secret's address is 0x%8x (on stack)\n", &secret); printf("The variable secret's value is 0x%8x (on heap)\n", secret); printf("secret[0]'s address is 0x%8x (on heap)\n", &secret[0]); printf("secret[1]'s address is 0x%8x (on heap)\n", &secret[1]); printf("Please enter a decimal integer\n"); scanf("%d", ∫_input); /* getting an input from user */ printf("Please enter a string\n"); scanf("%s", user_input); /* getting a string from user */ /* Vulnerable place */ printf(user_input); printf("\n"); /* Verify whether your attack is successful */ printf("The original secrets: 0x%x -- 0x%x\n", SECRET1, SECRET2); printf("The new secrets: 0x%x -- 0x%x\n", secret[0], secret[1]); return 0; }</code></pre> <p>(ps： 编译时可以添加以下参数关掉栈保护。)</p> <pre> <code class="language-cpp">gcc -z execstack -fno-stack-protector -o vul_prog vul_prog.c</code></pre> <p>一点小提示：你会发现secret[0]和secret[1]存在于malloc出的堆上，我们也知道secret的值存在于栈上，如果你想覆盖secret[0]的值,ok,它的地址就在栈上，你完全可以利用格式化字符串的漏洞来达到目的。然而尽管secret[1]就在它的兄弟0的旁边，你还是没办法从栈上获得它的地址，这对你来说构成了一个挑战，因为没有它的地址你怎么利用格式字符串读写呢。但是真的就没招了么？</p> <p>3.1 找出secret[1]的值</p> <p>1.首先定位int_input的位置，这样就确认了％s在格式字符串中的位置。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/ee1f305aafe5a03fd7856d85140e28aa.png"></p> <p>2.输入secret[1]的地址，记得做进制转换，同时在格式字符串中加入％s。</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/8585790d3ab47312e4b43e68a412086a.png"></p> <p>大功告成！U的ascii码就是55。</p> <p>3.2 修改secret[1]的值</p> <p style="text-align:center">1.只要求修改，不要求改什么？简单！不明白%n用法的可以往前回顾一下。 <img src="https://simg.open-open.com/show/4f9d9060c70c4487891e9436573873bf.png"></p> <p>大功告成x2！</p> <p>3.3 修改secret[1]为期望值</p> <p>1.要改成自己期望的值，咋办？填1000岂不累死？！可以用填充嘛！</p> <p style="text-align:center"><img src="https://simg.open-open.com/show/b0385bdb1ac16349c41c5212195e98fc.png"></p> <p>哦对了，0x3e8 = 1000。 大功告成x3！</p> <h3> </h3> <p> </p> <p>来自：https://github.com/shiyanlou/seedlab/blob/master/formatstring.md</p> <p> </p>