C语言格式化字符串漏洞实验

你的名字 2022-05-15 14:22 188阅读 0赞

## 格式化字符串漏洞实验 ##

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在线实验环境：[格式化字符串漏洞实验][Link 1]  
文章转载自：[https://github.com/shiyanlou/seedlab/blob/master/formatstring.md][https_github.com_shiyanlou_seedlab_blob_master_formatstring.md]

### 一、 实验描述 ###

格式化字符串漏洞是由像printf(user\_input)这样的代码引起的，其中user\_input是用户输入的数据，具有Set-UID root权限的这类程序在运行的时候，printf语句将会变得非常危险，因为它可能会导致下面的结果：

*  使得程序崩溃
 *  任意一块内存读取数据
 *  修改任意一块内存里的数据

最后一种结果是非常危险的，因为它允许用户修改set-UID root程序内部变量的值，从而改变这些程序的行为。

本实验将会提供一个具有格式化漏洞的程序，我们将制定一个计划来探索这些漏洞。

### 二、实验预备知识讲解 ###

#### 2.1 什么是格式化字符串？ ####

printf ("The magic number is: %d", 1911);

试观察运行以上语句，会发现字符串"The magic number is: %d"中的格式符％d被参数（1911）替换，因此输出变成了“The magic number is: 1911”。  
格式化字符串大致就是这么一回事啦。

除了表示十进制数的％d，还有不少其他形式的格式符，一起来认识一下吧~

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>格式符</th> 
   <th>含义</th> 
   <th>含义（英）</th> 
   <th>传</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>%d</td> 
   <td>十进制数（int）</td> 
   <td>decimal</td> 
   <td>值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%u</td> 
   <td>无符号十进制数 (unsigned int)</td> 
   <td>unsigned decimal</td> 
   <td>值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%x</td> 
   <td>十六进制数 (unsigned int)</td> 
   <td>hexadecimal</td> 
   <td>值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%s</td> 
   <td>字符串 ((const) (unsigned) char *)</td> 
   <td>string</td> 
   <td>引用（指针）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>%n</td> 
   <td>%n符号以前输入的字符数量 (* int)</td> 
   <td>number of bytes written so far</td> 
   <td>引用（指针）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

（ \* **%n**的使用将在2.5节中做出说明）

#### 2.2 栈与格式化字符串 ####

格式化函数的行为由格式化字符串控制，printf函数从栈上取得参数。

printf ("a has value %d, b has value %d, c is at address: %08x\n",a, b, &c);

![gdtpVzX.png][]

#### 2.3 如果参数数量不匹配会发生什么？ ####

如果只有一个不匹配会发生什么？

printf ("a has value %d, b has value %d, c is at address: %08x\n",a, b);

*  在上面的例子中格式字符串需要3个参数，但程序只提供了2个。
 *  该程序能够通过编译么？
    
     *  printf()是一个参数长度可变函数。因此，仅仅看参数数量是看不出问题的。
     *  为了查出不匹配，编译器需要了解printf()的运行机制，然而编译器通常不做这类分析。
     *  有些时候，格式字符串并不是一个常量字符串，它在程序运行期间生成(比如用户输入)，因此，编译器无法发现不匹配。
 *  那么printf()函数自身能检测到不匹配么？
    
     *  printf()从栈上取得参数，如果格式字符串需要3个参数，它会从栈上取3个，除非栈被标记了边界，printf()并不知道自己是否会用完提供的所有参数。
     *  既然没有那样的边界标记。printf()会持续从栈上抓取数据，在一个参数数量不匹配的例子中，它会抓取到一些不属于该函数调用到的数据。
 *  如果有人特意准备数据让printf抓取会发生什么呢？

#### 2.4 访问任意位置内存 ####

*  我们需要得到一段数据的内存地址，但我们无法修改代码，供我们使用的只有格式字符串。
 *  如果我们调用 printf(%s) 时没有指明内存地址, 那么目标地址就可以通过printf函数，在栈上的任意位置获取。printf函数维护一个初始栈指针,所以能够得到所有参数在栈中的位置
 *  观察: 格式字符串位于栈上. 如果我们可以把目标地址编码进格式字符串，那样目标地址也会存在于栈上，在接下来的例子里，格式字符串将保存在栈上的缓冲区中。

int main(int argc, char *argv[])
    { 
    	char user_input[100];
    	... ... /* other variable definitions and statements */
    	scanf("%s", user_input); /* getting a string from user */
    	printf(user_input); /* Vulnerable place */
    	return 0;
    }

*  如果我们让printf函数得到格式字符串中的目标内存地址 (该地址也存在于栈上), 我们就可以访问该地址.

printf ("\x10\x01\x48\x08 %x %x %x %x %s");

*  \\x10\\x01\\x48\\x08 是目标地址的四个字节， 在C语言中, \\x10 告诉编译器将一个16进制数0x10放于当前位置（占1字节）。如果去掉前缀\\x10就相当于两个ascii字符1和0了，这就不是我们所期望的结果了。
 *  %x 导致栈指针向格式字符串的方向移动（参考1.2节）
 *  下图解释了攻击方式，如果用户输入中包含了以下格式字符串  
    ![gHmSCX6.png][]
 *  如图所示，我们使用四个%x来移动printf函数的栈指针到我们存储格式字符串的位置，一旦到了目标位置，我们使用％s来打印，它会打印位于地址0x10014808的内容，因为是将其作为字符串来处理，所以会一直打印到结束符为止。
 *  user\_input数组到传给printf函数参数的地址之间的栈空间不是为了printf函数准备的。但是，因为程序本身存在格式字符串漏洞，所以printf会把这段内存当作传入的参数来匹配％x。
 *  最大的挑战就是想方设法找出printf函数栈指针(函数取参地址)到user\_input数组的这一段距离是多少，这段距离决定了你需要在%s之前输入多少个%x。

#### 2.5 在内存中写一个数字 ####

%n: 该符号前输入的字符数量会被存储到对应的参数中去

int i;
    	printf ("12345%n", &i);

*  数字5（%n前的字符数量）将会被写入i 中
 *  运用同样的方法在访问任意地址内存的时候，我们可以将一个数字写入指定的内存中。只要将上一小节(1.4)的%s替换成%n就能够覆盖0x10014808的内容。
 *  利用这个方法，攻击者可以做以下事情:
    
     *  重写程序标识控制访问权限
     *  重写栈或者函数等等的返回地址
 *  然而，写入的值是由%n之前的字符数量决定的。真的有办法能够写入任意数值么？
    
     *  用最古老的计数方式， 为了写1000，就填充1000个字符吧。
     *  为了防止过长的格式字符串，我们可以使用一个宽度指定的格式指示器。(比如（%0数字x）就会左填充预期数量的0符号)

### 三、 实验内容 ###

用户需要输入一段数据，数据保存在user\_input数组中，程序会使用printf函数打印数据内容，并且该程序以root权限运行。更加可喜的是，这个程序存在一个格式化漏洞。让我们来看看利用这些漏洞可以搞些什么破坏。

程序说明：

> 程序内存中存在两个秘密值，我们想要知道这两个值，但发现无法通过读二进制代码的方式来获取它们（实验中为了简单起见，硬编码这些秘密值为0x44和0x55）。尽管我们不知道它们的值，但要得到它们的内存地址倒不是特别困难，因为对大多数系统而言，每次运行程序，这些内存地址基本上是不变的。实验假设我们已经知道了这些内存地址，为了达到这个目的，程序特意为我们打出了这些地址。
> 
> 有了这些前提以后我们需要达到以下目标：
> 
>  *  找出secret\[1\]的值
>  *  修改secret\[1\]的值
>  *  修改secret\[1\]为期望值

> **注意**：因为实验环境是64位系统，所以需要使用%016llx才能读取整个字。但为了简便起见，对程序进行了修改了，使用%08x也能完成实验。

有了之前预备知识的铺垫，先自己尝试一下，祝玩的愉快：）

程序如下：

/* vul_prog.c */ 
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    
    #define SECRET1 0x44
    #define SECRET2 0x55
    
    int main(int argc, char *argv[])
    { 
      char user_input[100];
      int *secret;
      long int_input;
      int a, b, c, d; /* other variables, not used here.*/
    
      /* The secret value is stored on the heap */
      secret = (int *) malloc(2*sizeof(int));
    
      /* getting the secret */
      secret[0] = SECRET1; secret[1] = SECRET2;
    
      printf("The variable secret's address is 0x%8x (on stack)\n", &secret);
      printf("The variable secret's value is 0x%8x (on heap)\n", secret);
      printf("secret[0]'s address is 0x%8x (on heap)\n", &secret[0]);
      printf("secret[1]'s address is 0x%8x (on heap)\n", &secret[1]);
    
      printf("Please enter a decimal integer\n");
      scanf("%d", &int_input);  /* getting an input from user */
      printf("Please enter a string\n");
      scanf("%s", user_input); /* getting a string from user */
    
      /* Vulnerable place */
      printf(user_input);  
      printf("\n");
    
      /* Verify whether your attack is successful */
      printf("The original secrets: 0x%x -- 0x%x\n", SECRET1, SECRET2);
      printf("The new secrets: 0x%x -- 0x%x\n", secret[0], secret[1]);
      return 0;
    }

(ps： 编译时可以添加以下参数关掉栈保护。)

gcc -z execstack -fno-stack-protector -o vul_prog vul_prog.c

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一点小提示：你会发现secret\[0\]和secret\[1\]存在于malloc出的堆上，我们也知道secret的值存在于栈上，如果你想覆盖secret\[0\]的值,ok,它的地址就在栈上，你完全可以利用格式化字符串的漏洞来达到目的。然而尽管secret\[1\]就在它的兄弟0的旁边，你还是没办法从栈上获得它的地址，这对你来说构成了一个挑战，因为没有它的地址你怎么利用格式字符串读写呢。但是真的就没招了么？

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#### 3.1 找出secret\[1\]的值 ####

1.首先定位int\_input的位置，这样就确认了％s在格式字符串中的位置。  
![FwK544g.png][]

2.输入secret\[1\]的地址，记得做进制转换，同时在格式字符串中加入％s。  
![NLD7k8e.png][]

大功告成！U的ascii码就是55。

#### 3.2 修改secret\[1\]的值 ####

1.只要求修改，不要求改什么？简单！不明白%n用法的可以往前回顾一下。  
![mEDs0NO.png][]

大功告成x2！

#### 3.3 修改secret\[1\]为期望值 ####

1.要改成自己期望的值，咋办？填1000岂不累死？！可以用填充嘛！  
![EAy5uaS.png][]  
哦对了，0x3e8 = 1000。  
大功告成x3！

### 四、 练习 ###

在实验楼环境安步骤进行实验，并截图

您已经完成本课程的所有实验，**干的漂亮！**

### License ###

本课程所涉及的实验来自[Syracuse SEED labs][]，并在此基础上为适配[实验楼][Link 2]网站环境进行修改，修改后的实验文档仍然遵循GNU Free Documentation License。

本课程文档github链接：[https://github.com/shiyanlou/seedlab][https_github.com_shiyanlou_seedlab]

> Copyright © 2014 Wenliang Du, Syracuse University.  
> The development of this document is/was funded by the following grants from the US National Science Foundation:  
> No. 1303306 and 1318814. Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document  
> under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the  
> Free Software Foundation. A copy of the license can be found at [http://www.gnu.org/licenses/fdl.html][http_www.gnu.org_licenses_fdl.html].

[Link 1]: http://www.shiyanlou.com/courses/228
[https_github.com_shiyanlou_seedlab_blob_master_formatstring.md]: https://github.com/shiyanlou/seedlab/blob/master/formatstring.md
[gdtpVzX.png]: http://i.imgur.com/gdtpVzX.png
[gHmSCX6.png]: http://i.imgur.com/gHmSCX6.png
[FwK544g.png]: http://i.imgur.com/FwK544g.png
[NLD7k8e.png]: http://i.imgur.com/NLD7k8e.png
[mEDs0NO.png]: http://i.imgur.com/mEDs0NO.png
[EAy5uaS.png]: http://i.imgur.com/EAy5uaS.png
[Syracuse SEED labs]: http://www.cis.syr.edu/~wedu/seed/
[Link 2]: http://www.shiyanlou.com
[https_github.com_shiyanlou_seedlab]: https://github.com/shiyanlou/seedlab
[http_www.gnu.org_licenses_fdl.html]: http://www.gnu.org/licenses/fdl.html