基础知识
二进制文件概述
PE文件格式
PE（Portable Executable）是 Win32 平台下的可执行文件（如："*.exe","*.dll")，PE文件规定了所有信息（二进制机器代码、字符串、菜单、图标、位图、字体等）在可执行文件中如何组织。
PE 文件格式把可执行文件分成若干个数据节（section）：
- .text 二进制的机器代码
- .data 初始化的数据块
- .idata 动态链接库
- .rsrc 程序的资源
系统栈的工作原理
内存的不同用途
缓冲区溢出：大缓冲区向小缓冲区复制，撑爆了小缓冲区，从而冲掉了和小缓冲区相邻内存区域的其它数据而引起的内存问题。
进程使用的内存划分：
- 代码区
- 数据区
- 堆区
- 栈区
函数调用过程
同一文件不同函数的代码在内存代码区中是散乱无关的，但都在同一个 PE 文件的代码所映射的一个 “节” 里。
intfunc_B(int arg_B1, int arg_B2)
{
int var_B1, var_B2;
var_B1=arg_B1+arg_B2;
var_B2=arg_B1-arg_B2;
return var_B1*var_B2;
}
intfunc_A(int arg_A1, int arg_A2)
{
int var_A;
var_A = func_B(arg_A1,arg_A2) + arg_A1;
return var_A;
}
int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
int var_main;
var_main=func_A(4,3);
return var_main;
}
当函数被调用时，系统栈会为这个函数开辟一个新的栈帧，并把它压入栈中。这个栈帧的内存空间被它所属的函数独占。当函数返回时，系统栈会弹出该函数所对应的栈帧。
函数调用时，栈中的变化：
函数调用相关约定
如果要明确使用某一种调用约定，在函数前加上调用约定的声名即可。默认调用是__stdcall 调用方式，从右向左将参数入栈。
特例：C++类成员中的 this 指针，一般用 ECX 寄存器传递。用GCC编译器编译，他会作为最后一个参数压栈。
函数调用步骤：
- 参数入栈
- 返回地址入栈
- 代码区跳转
- 栈帧调整：
保存当前栈帧状态值，已备后面恢复本栈帧时使用（ EBP 入栈）；
将当前栈帧切换到新栈帧（将 ESP 值装入 EBP，更新栈帧底部）；
给新栈帧分配空间（把 ESP 减去所需空间的大小，抬高栈顶）；
__stdcall 调用约定，函数调用指令：
;调用前
push 参数 3 ;假设该函数有 3 个参数，将从右向左依次入栈
push 参数 2
push 参数 1
call 函数地址;call 指令将同时完成两项工作：
;a）向栈中压入当前指令在内存中的位置，即保存返回地址。
;b）跳转到所调用函数的入口地址函数入口处
push ebp ;保存旧栈帧的底部
mov ebp, esp ;设置新栈帧的底部（栈帧切换）
sub esp, xxx ;设置新栈帧的顶部（抬高栈顶，为新栈帧开辟空间）
函数返回的步骤：
-
保存返回值：通常保存在 EAX 中。
-
弹出当前栈帧，恢复上一个栈帧。
具体操作：
- 在堆栈平衡的基础上，给 ESP 加上栈帧的大小，降低栈顶，回收当前栈帧的空间
- 将当前栈帧底部保存的前栈帧 EBP 值弹入 EBP 寄存器，恢复出上一个栈帧。
- 将函数返回地址弹给 EIP 寄存器。
-
跳转
函数返回时，相关指令：
add esp, xxx ;降低栈顶，回收当前的栈帧
pop ebp;将上一个栈帧底部位置恢复到 ebp，
retn;这条指令有两个功能：
;a)弹出当前栈顶元素，即弹出栈帧中的返回地址。
;至此，栈帧恢复工作完成。
;b)让处理器跳转到弹出的返回地址，恢复调用前的代码区
修改邻接变量
修改邻接变量原理
函数的局部变量在栈中相邻排列。如果局部变量有数组之类的缓冲区，并且程序中存在数组越界缺陷，那么越界的数组就能破坏相邻变量，甚至能破坏 EBP 、返回地址。
#include <stdio.h>
#define PASSWORD "1234567"
int verify_password (char *password)
{
int authenticated;
char buffer[8];// add local buffto be overflowed
authenticated=strcmp(password,PASSWORD);
strcpy(buffer,password);//over flowed here!
return authenticated;
}
main()
{
int valid_flag=0;
char password[1024];
while(1)
{
printf("please input password: ");
scanf("%s",password);
valid_flag = verify_password(password);
if(valid_flag)
{
printf("incorrect password!\n\n");
}
else
{
printf("Congratulation! You have passed the
verification!\n");
break;
}
}
}
当程序执行到 int verify_password(char *password)时，栈帧状态如下图：
改变程序流程思路：
可以发现，authenticated 变量来源于 strcmp 函数的返回值，它被返回给main函数作为验证标志。当 authenticated 为 0 时，标识验证成功；反之，验证不成功。
当我们输入超过 7 个字符的密码（注意：字符截断符 NULL 将占用一个字节），就有机会把 authenticated 覆盖为 0，从而绕过密码验证。
突破密码验证程序
|
推荐使用的环境 |
备 注 |
| 操作系统 |
Windows XP SP3 |
其他 Win32 操作系统也可进行本实验 |
| 编译器 |
Visual C++ 6.0 |
如使用其他编译器，需重新调试 |
| 编译选项 |
默认编译选项 |
VS2003 和 VS2005 中的 GS 编译选项会使栈溢出实验失败 |
| build 版本 |
debug 版本 |
如使用 release 版本，则需要重新调试 |
说明： 如果完全采用实验指导所推荐的实验环境，将精确地重现指导中所有的细节；否则需要根据具体情况重新调试。
（1）先验证一下正确密码，输入“1234567”，通过验证，结果如下图所示：
（2）再来分析一下具体覆盖时，栈中的情况，输入“qqqqqqq”，因为“qqqqqqq”>“1234567”，所以 strcmp 应该返回 1，即 authenticated 为 1。
| 局部变量名 |
内存地址 |
偏移 3 处的值 |
偏移 2 处的值 |
偏移 1 处的值 |
偏移 0 处的值 |
| buffer[0～3] |
0x0012FB18 |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
| buffer[4～7] |
0x0012FB1C |
NULL |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
| authenticated |
0x0012FB20 |
0x00 |
0x00 |
0x00 |
0x01 |
观察内存时，注意 “内存数据” 与 “数值数据” 的区别。Win32 系统在内存中由低位向高位存储一个 4 字节的双字（DWORD），但在作为 ”数值“ 应用的时候，却是按照由高位字节向低位字节进行解释。“内存数据” 中的 DWORD 和我们逻辑上使用的 “数值数据” 是按字节序逆序过的。
（3）输入超过 7 个字符，“qqqqqqqqrst”，结果如下图：
| 局部变量名 |
内存地址 |
偏移 3 处的值 |
偏移 2 处的值 |
偏移 1 处的值 |
偏移 0 处的值 |
| buffer |
0x0012FB18 |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
|
0x0012FB1C |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
| authenticated 被覆盖前 |
0x0012FB20 |
0x00 |
0x00 |
0x00 |
0x01 |
| authenticated 被覆盖后 |
0x0012FB20 |
NULL |
0x74 (‘t’) |
0x73 (‘s’) |
0x72(‘r’) |
我们已经知道，通过溢出 buffer 我们能修改 authenticated 的值，若要改变程序流程，就需要把 authenticated 覆盖为 0，而我们的字符截断符 NULL，就刚好能实现，当我们输入 8 个 ‘q' 时，buffer所拥有的 8 个字节将全部被 ’q‘ 填充，而 NULL 则刚好写入内存 0x0012FB20 出，即下一个双字的低位字节，恰好能把 authenticated 从 0x 00 00 00 01 改成 0x 00 00 00 00，如下图所示：
| 局部变量名 |
内存地址 |
偏移 3 处的值 |
偏移 2 处的值 |
偏移 1 处的值 |
偏移 0 处的值 |
| buffer |
0x0012FB18 |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
|
0x0012FB1C |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
| authenticated 被覆盖前 |
0x0012FB20 |
|
|
|
0x01 |
| authenticated 被覆盖后 |
0x0012FB20 |
|
|
|
0x00 (NULL) |
经上述分析，我们只要输入 8 个（大于 ”1234567“） 字符的字符串，那么最后的 NULL 就能将 authenticated 低字节中的 1 覆盖为 0，从而绕过验证程序。
authenticated = strcmp( password, PASSWORD )，
当输入的字符串大于 ”1234567“时，返回1（0x 00 00 00 01），这时可以用NULL 淹没 authenticated 的低位字节从而突破验证；
当输入的字符串小于 ”1234567“时，返回 -1（0x FF FF FF FF），这时如果任然用上述方法淹没，其值变为 0xFF FF FF 00，所以这时是不能冲破验证程序的。
修改函数返回地址
返回地址与程序流程
更改邻接变量对环境要求很苛刻。而更改 EBP 和函数返回地址，往往更通用，更强大。
上节实验输入 7 个 “q“ ，程序栈状态：
| 局部变量名 |
内存地址 |
偏移 3 处的值 |
偏移 2 处的值 |
偏移 1 处的值 |
偏移 0 处的值 |
| buffer |
0x0012FB18 |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
|
0x0012FB1C |
NULL |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
0x71 (‘q’) |
| authenticated |
0x0012FB20 |
0x00 |
0x00 |
0x00 |
0x01 |
| 前栈帧 EBP |
0x0012FB24 |
0x00 |
0x12 |
0xFF |
0x80 |
| 返回地址 |
0x0012FB28 |
0x00 |
0x40 |
0x10 |
0xEB |
如果继续增加输入的字符，我们就能让字符串中相应位置字符的 ASCII 码覆盖掉这些栈帧状态值。
这里用 19 个字符作为输入，看看淹没返回地址会对程序产生什么影响。出于双字对齐的目的，我们输入的字符串按照 “ 4321 ” 为一个单元进行组织，最后输入的字符串为“ 4321432143214321432”。
| 局部变量名 |
内存地址 |
偏移 3 处的值 |
偏移 2 字节 |
偏移 1 字节 |
偏移 0 字节 |
| buffer[0~3] |
0x0012FB18 |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| buffer[4~7] |
0x0012FBIC |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| authenticated（被覆盖前） |
0x0012FB20 |
0x00 |
0x00 |
0x00 |
0x01 |
| authenticated（被覆盖后） |
0x0012FB20 |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| 前栈帧 EBP（被覆盖前） |
0x0012FB24 |
0x00 |
0x12 |
0xFF |
0x80 |
| 前栈帧 EBP（被覆盖后） |
0x0012FB24 |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| 返回地址（被覆盖前） |
0x0012FB28 |
0x00 |
0x40 |
0x10 |
0xEB |
| 返回地址（被覆盖后） |
0x0012FB28 |
0x00(NULL) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
返回地址用于在当前函数返回时重定向程序的代码。在函数返回的“ retn” 指令执行时，栈顶元素恰好是这个返回地址。“retn”指令会把这个返回地址弹入 EIP 寄存器，之后跳转到这个地址去执行。
返回地址本来是 0x004010EB，对应的是 main 函数代码区的指令，现在我们通过溢出 buff 覆盖返回地址为 0x00323334，函数返回时，将 0x00323334 装入 EIP 寄存器，从内存 0x00323334 处取址，由于此处没有合法指令，处理器不知如何处理，报错。
但如果这里是一个有效的指令地址，就能让处理器跳转到任意指令区去执行，我们可以通过淹没返回地址而控制程序的执行流程。
控制程序的执行流程
用键盘输入字符的 ASCII 表示范围有限，很多值（如 0x11、 0x12 等符号）无法直接用键盘输入，所以我们将程序的输入由键盘改为从文件中读取字符串。
#include <stdio.h>
#define PASSWORD "1234567"
int verify_password (char *password)
{
int authenticated;
char buffer[8];
authenticated=strcmp(password,PASSWORD);
strcpy(buffer,password);//over flowed here!
return authenticated;
}
main()
{
int valid_flag=0;
char password[1024];
FILE * fp;
if(!(fp=fopen("password.txt","rw+")))
{
exit(0);
}
fscanf(fp,"%s",password);
valid_flag = verify_password(password);
if(valid_flag)
{
printf("incorrect password!\n");
}
else
{
printf("Congratulation! You have passed the verification!\n");
}
fclose(fp);
}
程序的基本逻辑和上一节中的代码大体相同，只是现在将从同目录下的 password.txt 文件中读取字符串。
|
推荐使用的环境 |
备 注 |
| 操作系统 |
Windows XP SP3 |
其他 Win32 操作系统也可进行本实验 |
| 编译器 |
Visual C++ 6.0 |
如使用其他编译器，需重新调试 |
| 编译选项 |
默认编译选项 |
VS2003 和 VS2005 中的 GS 编译选项会使栈溢出实验失败 |
| build 版本 |
debug 版本 |
如使用 release 版本，则需要重新调试 |
用 VC6.0 将上述代码编译链接（使用默认编译选项， Build 成 debug 版本），在与 PE 文件同目录下建立 password.txt 并写入测试用的密码之后，就可以用 OllyDbg 加载调试了。
动态调试时，需要我们做的工作：
（1）摸清楚栈中的状况，如函数地址距离缓冲区的偏移量等。
（2）得到程序中密码验证通过的指令地址，以便程序直接跳去这个分支执行。
（3）在 password.txt 文件的相应偏移处填上这个地址。
这样 verify_password 函数返回后就能直接跳转到验证通过的分支执行了。
用OllyDbg 加载 可执行文件，【找到验证的程序分支的指令地址为】按G调出程序执行的流程图，分析一下程序执行流程。
从上面的流程图中，可以发现，在401111处的指令进行了程序验证。
0x00401102 调用了 verify_password 函数，之后在 0x0040110A 处将EAX中的返回值取出，在 0x0040110D处与0比较，然后决定跳转到提示验证通过的分支或是提示验证失败的分支。
提示验证通过的分支从 0x00401122处的参数压栈开始。如果我们把返回地址覆盖成这个地址，那么在 0x00401102处的函数调用返回后，程序将跳转到验证通过的分支，而不是进入分支判断代码。
通过动态调试，发现栈帧中的变量分布情况基本没变。这样我们按如下方法构造 password.txt 中的数据。
构造思路：用2个 “4321”来填充 buffer[8]，第3个“4321”来覆盖 authenticated，第4个“4321”覆盖前栈帧 EBP，第5个“4321” 的 ASCII码值 0x34333231 修改成验证通过分支的指令地址 0x00401122。
在构造 password.txt 时，我们需要用到一个软件 Ultraedit，通过它来编辑十六进制。
构造步骤：
- 创建一个 password.txt文件，写入5个“4321”，放在实验程序的目录中。
- 用 Ultraedit32 打开 password.txt
- 切换至十六进制编辑模式。
- 将最后4个字节修改为新的返回地址 0x00401122，注意：由于“大顶端”，我们需要逆序输入这4个字节
将 password.txt 保存后，用 OllyDbg 加载程序并调试，可以看到最终的栈状态如表所示。
| 局部变量名 |
内存地址 |
偏移 3 处的值 |
偏移 2 处的值 |
偏移 1 处的值 |
偏移 0 处的值 |
| buffer[0~3] |
0x0012FB14 |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| buffer[4~7] |
0x0012FB18 |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| authenticated（被覆盖前） |
0x0012FB1C |
0x00 |
0x00 |
0x00 |
0x01 |
| authenticated（被覆盖后） |
0x0012FB1C |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| 前栈帧 EBP（被覆盖前） |
0x0012FB20 |
0x00 |
0x12 |
0xFF |
0x80 |
| 前栈帧 EBP（被覆盖后） |
0x0012FB20 |
0x31 (‘1’) |
0x32 (‘2’) |
0x33 (‘3’) |
0x34 (‘4’) |
| 返回地址（被覆盖前） |
0x0012FB24 |
0x00 |
0x40 |
0x11 |
0x07 |
| 返回地址（被覆盖后） |
0x0012FB24 |
0x00 |
0x40 |
0x11 |
0x22 |
程序执行状态如下图所示。
由于站内EBP被覆盖为无效值，使得程序在退出时堆栈无法平衡，导致崩溃。
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发表于 2023-2-15 23:08
