2021-2022-1 20212805 《Linux内核原理与分析》第十一周作业
格式化字符串漏洞实验
- 一、实验描述
- 二、实验前对预备知识的学习
-
- 2.1 什么是格式化字符串？
- 2.2 参数数量不匹配
-
- 如果只有一个不匹配会发生什么？
- 如果有人特意准备数据让 `printf` 抓取会发生什么？
- 三、实验
-
- 3.1 实验1说明
- 3.2 实验1实操
-
- 3.2.1 `vul_prog.c`源码
- 3.2.2 找出`secret[1]`的值
- 3.2.3 修改`secret[1]`的值
- 3.2.4 修改`secret[1]`为期望值
- 3.3 实验2
-
- 3.3.1 修改后的 `vul_prog.c` 程序
- 3.3.2 新建`write_string.c`
- 3.3.3 修改`secret[0]`的值
一、实验描述
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：
·使得程序崩溃
·任意一块内存读取数据
·修改任意一块内存里的数据
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，本次实验的目的就是探索给出程序的格式化漏洞。
二、实验前对预备知识的学习
2.1 什么是格式化字符串？
printf ("The magic number is: %d", 2805);
上面的这段 C 语言代码运行结果为 The magic number is: 2805 ，其中字符串 The magic number is: %d 中的格式符 %d 被参数（2805）替换。
另外，在本实验中还会用到：
%s-字符串
%n-符号以前输入的字符数量
printf ("a has value %d, b has value %d, c is at address: %08x\n",a, b, &c);
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。
2.2 参数数量不匹配
如果只有一个不匹配会发生什么？
printf ("a has value %d, b has value %d, c is at address: %08x\n",a, b);
·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。
·该程序能够通过编译么？
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。
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。
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。
·那么 printf() 函数自身能检测到不匹配么？
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。
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。
如果有人特意准备数据让 printf 抓取会发生什么？
·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。
·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
·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。
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;
}
·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。（注：代码中引号内容为 user_input 数组内容的展开）
printf ("\x10\x01\x48\x08 %x %x %x %x %s");
·\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。
·%x 导致栈指针向格式字符串的方向移动（参考 1.2 节）
·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
在这里插入图片描述
·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。
·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。
·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。
%n: 该符号前输入的字符数量会被存储到对应的参数中去
int i;
printf ("12345%n", &i);
·数字 5（%n 前的字符数量）将会被写入 i 中
·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。只要将上一小节的 %s 替换成 %n 就能够覆盖 0x10014808 的内容。
·利用这个方法，攻击者可以做以下事情:
重写程序标识控制访问权限
重写栈或者函数等等的返回地址
·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？
用最古老的计数方式， 为了写 1000，就填充 1000 个字符吧。
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)
三、实验
3.1 实验1说明
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。
程序说明：
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。
需要实现的目标：
·找出 secret[1] 的值
·修改 secret[1] 的值
·修改 secret[1] 为期望值
3.2 实验1实操
3.2.1 vul_prog.c源码
/* 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", &int_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;
}
$ gcc -z execstack -fno-stack-protector -o vul_prog vul_prog.c
$ sudo chmod u+s vul_prog
$ ll
3.2.2 找出secret[1]的值
1.运行 vul_prog 程序去定位 int_input 的位置，这样就确认了 %s 在格式字符串中的位置。
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 .
可以看到 secret[1] 的地址是 0x602014 ，转换成十进制就是 6299668。
第八个位置上替换成 %s 就能打印出 secret[1] 的值了。
3.2.3 修改secret[1]的值
3.2.4 修改secret[1]为期望值
3.3 实验2
3.3.1 修改后的 vul_prog.c 程序
/* 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;
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 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;
}
$ sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
3.3.2 新建write_string.c
/* write_string.c */
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
char buf[1000];
int fp, size;
unsigned int *address;
/* Putting any number you like at the beginning of the format string */
address = (unsigned int *) buf;
*address = 0x113222580;
/* Getting the rest of the format string */
scanf("%s", buf+4);
size = strlen(buf+4) + 4;
printf("The string length is %d\n", size);
/* Writing buf to "mystring" */
fp = open("mystring", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fp != -1) {
write(fp, buf, size);
close(fp);
} else {
printf("Open failed!\n");
}
}
3.3.3 修改secret[0]的值
$ rm vul_prog
$ gcc -z execstack -fno-stack-protector -o vul_prog vul_prog.c
$ gcc -o write_string write_string.c
$ ./vul_prog
$ ./mystring
$ ./vul_prog < mystring
