C语言格式化漏洞

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格式化字符串漏洞实验

在线实验环境：格式化字符串漏洞实验

文章转载自：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？

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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~

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

（ *%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。 

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

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？ 

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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。
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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.

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    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
  • 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 

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	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：
```c
/* 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。) 

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

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？

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。

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。

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。

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！ 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

附Syracuse SEED labs版权声明：

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.

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