Linux堆溢出漏洞利用之unlink_ZenDei技術網路在線

本文詳細介紹了unlink攻擊技術的核心原理，雖然上述介紹的unlink漏洞利用技術已經失效，但是還是有必要認真學習，因為它一方面可以進一步加深我們對glibc malloc的堆棧管理機制的理解，另一方面也為後續的各種堆溢出攻擊技術提供思路。 ...

Linux堆溢出漏洞利用之unlink

作者：走位@阿裡聚安全

0 前言

之前我們深入瞭解了glibc malloc的運行機制（文章鏈接請看文末▼），下麵就讓我們開始真正的堆溢出漏洞利用學習吧。說實話，寫這類文章，我是比較慫的，因為我當前從事的工作跟漏洞挖掘完全無關，學習這部分知識也純粹是個人愛好，於周末無聊時打發下時間，甚至我最初的目標也僅僅是能快速看懂、復現各種漏洞利用POC而已…鑒於此，後續的文章大致會由兩種內容構成：1)各種相關文章的總結，再提煉；2)某些好文章的翻譯及拓展。本文兩者皆有，主要參考文獻見這裡。

1 背景介紹

首先，存在漏洞的程式如下：

在代碼[3]中存在一個堆溢出漏洞：如果用戶輸入的argv[1]的大小比first變數的666位元組更大的話，那麼輸入的數據就有可能覆蓋掉下一個chunk的chunk header——這可以導致任意代碼執行。而攻擊的核心思路就是利用glibc malloc的unlink機制。

上述程式的記憶體圖如下所示：

2 unlink技術原理

2.1 基本知識介紹

unlink攻擊技術就是利用”glibc malloc”的記憶體回收機制，將上圖中的second chunk給unlink掉，並且，在unlink的過程中使用shellcode地址覆蓋掉free函數(或其他函數也行)的GOT表項。這樣當程式後續調用free函數的時候(如上面代碼[5])，就轉而執行我們的shellcode了。顯然，核心就是理解glibc malloc的free機制。

在正常情況下，free的執行流程如下文所述：

PS: 鑒於篇幅，這裡主要介紹非mmaped的chunks的回收機制，回想一下在哪些情況下使用mmap分配新的chunk，哪些情況下不用mmap？

一旦涉及到free記憶體，那麼就意味著有新的chunk由allocated狀態變成了free狀態，此時glibc malloc就需要進行合併操作——向前以及(或)向後合併。這裡所謂向前向後的概念如下：將previous free chunk合併到當前free chunk，叫做向後合併；將後面的free chunk合併到當前free chunk，叫做向前合併。

一、向後合併：

相關代碼如下：

首先檢測前一個chunk是否為free，這可以通過檢測當前free chunk的PREV_INUSE(P)比特位知曉。在本例中，當前chunk（first chunk）的前一個chunk是allocated的，因為在預設情況下，堆記憶體中的第一個chunk總是被設置為allocated的，即使它根本就不存在。

如果為free的話，那麼就進行向後合併：

1)將前一個chunk占用的記憶體合併到當前chunk;

2)修改指向當前chunk的指針，改為指向前一個chunk。

3)使用unlink巨集，將前一個free chunk從雙向迴圈鏈表中移除(這裡最好自己畫圖理解，學過數據結構的應該都沒問題)。

在本例中由於前一個chunk是allocated的，所以並不會進行向後合併操作。

二、向前合併操作：

首先檢測next chunk是否為free。那麼如何檢測呢？很簡單，查詢next chunk之後的chunk的PREV_INUSE (P)即可。相關代碼如下：

整個操作與”向後合併“操作類似，再通過上述代碼結合註釋應該很容易理解free chunk的向前結合操作。在本例中當前chunk為first，它的下一個chunk為second，再下一個chunk為top chunk，此時top chunk的 PREV_INUSE位是設置為1的(表示top chunk的前一個chunk，即second chunk,已經使用)，因此first的下一個chunk不會被“向前合併“掉。

介紹完向前、向後合併操作，下麵就需要瞭解合併後(或因為不滿足合併條件而沒合併)的chunk該如何進一步處理了。在glibc malloc中，會將合併後的chunk放到unsorted bin中(還記得unsorted bin的含義麽？)。相關代碼如下：

上述代碼完成的整個過程簡要概括如下：將當前chunk插入到unsorted bin的第一個chunk(第一個chunk是鏈表的頭結點，為空)與第二個chunk之間(真正意義上的第一個可用chunk)；然後通過設置自己的size欄位將前一個chunk標記為已使用；再更改後一個chunk的prev_size欄位，將其設置為當前chunk的size。

註意：上一段中描述的”前一個“與”後一個“chunk，是指的由chunk的prev_size與size欄位隱式連接的chunk，即它們在記憶體中是連續、相鄰的！而不是通過chunk中的fd與bk欄位組成的bin(雙向鏈表)中的前一個與後一個chunk，切記！。

在本例中，只是將first chunk添加到unsorted bin中。

2.2 開始攻擊

現在我們再來分析如果一個攻擊者在代碼[3]中精心構造輸入數據並通過strcpy覆蓋了second chunk的chunk header後會發生什麼情況。

假設被覆蓋後的chunk header相關數據如下：

1) prev_size =一個偶數，這樣其PREV_INUSE位就是0了，即表示前一個chunk為free。

2) size = -4

3) fd = free函數的got表地址address – 12；(後文統一簡稱為“free addr – 12”)

4) bk = shellcode的地址

那麼當程式在[4]處調用free(first)後會發生什麼呢？我們一步一步分析。

一、向後合併

鑒於first的前一個chunk非free的，所以不會發生向後合併操作。

二、向前合併

先判斷後一個chunk是否為free，前文已經介紹過，glibc malloc通過如下代碼判斷：

PS：在本例中next chunk即second chunk，為了便於理解後文統一用next chunk。

從上面代碼可以知道，它是通過將nextchunk + nextsize計算得到指向下下一個chunk的指針，然後判斷下下個chunk的size的PREV_INUSE標記位。在本例中，此時nextsize被我們設置為了-4，這樣glibc malloc就會將next chunk的prev_size欄位看做是next-next chunk的size欄位，而我們已經將next chunk的prev_size欄位設置為了一個偶數，因此此時通過inuse_bit_at_offset巨集獲取到的nextinuse為0，即next chunk為free！既然next chunk為free，那麼就需要進行向前合併，所以就會調用unlink(nextchunk, bck, fwd);函數。真正的重點就是這個unlink函數！

在前文2.1節中已經介紹過unlink函數的實現，這裡為了便於說明攻擊思路和過程，再詳細分析一遍，unlink代碼如下：

此時P = nextchunk, BK = bck, FD = fwd。

1)首先FD = nextchunk->fd = free地址– 12;

2)然後BK = nextchunk->bk = shellcode起始地址；

3)再將BK賦值給FD->bk，即（free地址– 12）->bk = shellcode起始地址；

4)最後將FD賦值給BK->fd，即(shellcode起始地址)->fd = free地址– 12。

前面兩步還好理解，主要是後面2步比較迷惑。我們作圖理解：

結合上圖就很好理解第3，4步了。細心的朋友已經註意到，free addr -12和shellcode addr對應的prev_size等欄位是用虛線標記的，為什麼呢？因為事實上它們對應的記憶體並不是chunk header，只是在我們的攻擊中需要讓glibc malloc在進行unlink操作的時候將它們強制看作malloc_chunk結構體。這樣就很好理解為什麼要用free addr – 12替換next chunk的fd了，因為(free addr -12)->bk剛好就是free addr，也就是說第3步操作的結果就是將free addr處的數據替換為shellcode的起始地址。

由於已經將free addr處的數據替換為了shellcode的起始地址，所以當程式在代碼[5]處再次執行free的時候，就會轉而執行shellcode了。

至此，整個unlink攻擊的原理已經介紹完畢，剩下的工作就是根據上述原理，編寫shellcode了。只不過這裡需要註意一點，glibc malloc在unlink的過程中會將shellcode + 8位置的4位元組數據替換為free addr – 12，所以我們編寫的shellcode應該跳過前面的12位元組。

3 對抗技術

當前，上述unlink技術已經過時了(但不代表所有的unlink技術都失效，詳情見後文)，因為glibc malloc對相應的安全機制進行了加強，具體而言，就是添加瞭如下幾條安全檢測機制。

3.1 Double Free檢測

該機制不允許釋放一個已經處於free狀態的chunk。因此，當攻擊者將second chunk的size設置為-4的時候，就意味著該size的PREV_INUSE位為0，也就是說second chunk之前的first chunk(我們需要free的chunk)已經處於free狀態，那麼這時候再free(first)的話，就會報出double free錯誤。相關代碼如下：

3.2 next size非法檢測

該機制檢測next size是否在8到當前arena的整個系統記憶體大小之間。因此當檢測到next size為-4的時候，就會報出invalid next size錯誤。相關代碼如下：

3.3 雙鏈表衝突檢測

該機制會在執行unlink操作的時候檢測鏈表中前一個chunk的fd與後一個chunk的bk是否都指向當前需要unlink的chunk。這樣攻擊者就無法替換second chunk的fd與fd了。相關代碼如下：

4 另一種unlink攻擊技術

經過上述3層安全檢測，是否意味著所有unlink技術都失效了呢？答案是否定的，因為進行漏洞攻擊的人腦洞永遠比天大！之前剛好看到一篇好文(強烈推薦)，主講在Android4.4上利用unlink機制實現堆溢出攻擊。眾所周知，Android內核基於linux，且其堆記憶體管理也是使用的glibc malloc，雖然在一些細節上有些許不同，但核心原理類似。該文介紹的攻擊方式就成功繞過了上述三層檢測。