Blind Return Oriented Programming (BROP) Attack - 攻击原理

◆0 写在前面



第一次在WooYun发文章，不知道是否符合众客官口味，望轻拍。

这篇文章翻译至我的这篇博客，主要介绍了一种叫做BROP的攻击，该文章主要介绍原理部分，对该攻击的重现可以参看我的另外一篇博客。

BROP攻击基于一篇发表在Oakland 2014的论文Hacking Blind，作者是来自Standford的Andrea Bittau，以下是相关paper和slide的链接：

paper

slide。

以及BROP的原网站地址：

Blind Return Oriented Programming (BROP) Website

可以说这篇论文是今年看过的最让我感到兴奋的论文（没有之一），如果要用一个词来形容它的话，那就只有“不能更帅”才能表达我对它的喜爱程度了！

这篇文章假设读者已经了解Return-Oriented Programming (ROP) 的基本概念，所以只是介绍BROP的实现原理，如果还不清楚什么是ROP，请先出门左转，看看Wiki的相关介绍。

BROP的实现真的是让人感到非常“cool”和“smart”，我希望能够通过这篇文章把它讲清楚。

◆1 BROP攻击的目标和前提条件



目标：通过ROP的方法远程攻击某个应用程序，劫持该应用程序的控制流。我们可以不需要知道该应用程序的源代码或者任何二进制代码，该应用程序可以被现有的一些保护机制如NX, ASLR, PIE, 以及stack canaries等保护，应用程序所在的服务器可以是32位系统或者64位系统。

初看这个目标感觉实现起来特别困难。其实这个攻击有两个前提条件的：

[*]必须先存在一个已知的stack overflow的漏洞，而且攻击者知道如何触发这个漏洞；
[*]服务器进程在crash之后会重新复活，并且复活的进程不会被re-rand（意味着虽然有ASLR的保护，但是复活的进程和之前的进程的地址随机化是一样的）。这个需求其实是合理的，因为当前像nginx, MySQL, Apache, OpenSSH, Samba等服务器应用都是符合这种特性的。

0x10 BROP的攻击流程 1 - 远程dump内存



由于我们不知道被攻击程序的内存布局，所以首先要做的事情就是通过某种方法从远程服务器dump出该程序的内存到本地，为了做到这点我们需要调用一个系统调用write，传入一个socket文件描述符，如下所示：

write(int sock, void *buf, int len)

将这条系统调用转换成4条汇编指令，如图所示：

图片：2014092705033845154.png

所以从ROP攻击的角度来看，我们只需要找到四个相应的gadget，然后在栈上构造好这4个gadget的内存地址，依次进行顺序调用就可以了。

但是问题是我们现在连内存分布都不知道，该如何在内存中找到这4个gadgets呢？特别是当系统部署了ASLR和stack canaries等保护机制，似乎这件事就更难了。

所以我们先将这个问题放一放，在脑袋里记着这个目标，先来做一些准备工作。

攻破Stack Canaries防护


如果不知道什么是stack canaries可以先看这里，简单来说就是在栈上的return address下面放一个随机生成的数（成为canary），在函数返回时进行检查，如果发现这个canary被修改了（可能是攻击者通过buffer overflow等攻击方法覆盖了），那么就报错。

那么如何攻破这层防护呢？一种方法是brute-force暴力破解，但这个很低效，这里作者提出了一种叫做“stack reading”的方法：

假设这是我们想要overflow的栈的布局：

图片：2014092705033845154.png

我们可以尝试任意多次来判断出overflow的长度（直到进程由于canary被破坏crash了，在这里即为4096+8=4104个字节），之后我们将这4096个字节填上任意值，然后一个一个字节顺序地进行尝试来还原出真实的canary，比如说，我们将第4097个字节填为x，如果x和原来的canary中的第一个字节是一样的话，那么进程不会crash，否则我们尝试下一个x的可能性，在这里，由于一个字节只有256种可能，所以我们只要最多尝试256次就可以找到canary的某个正确的字节，直到我们得到8个完整的canary字节，该流程如下图所示：

图片：2014092705033845154.png

我们同样可以用这种方法来得到保存好的frame pointer和return address。

寻找stop gadget


到目前为止，我们已经得到了合适的canary来绕开stack canary的保护, 接下来的目标就是找到之前提到的4个gadgets。

在寻找这些特定的gadgets之前，我们需要先来介绍一种特殊的gadget类型：stop gadget.

一般情况下，如果我们把栈上的return address覆盖成某些我们随意选取的内存地址的话，程序有很大可能性会挂掉（比如，该return address指向了一段代码区域，里面会有一些对空指针的访问造成程序crash，从而使得攻击者的连接（connection）被关闭）。但是，存在另外一种情况，即该return address指向了一块代码区域，当程序的执行流跳到那段区域之后，程序并不会crash，而是进入了无限循环，这时程序仅仅是hang在了那里，攻击者能够一直保持连接状态。于是，我们把这种类型的gadget，成为stop gadget，这种gadget对于寻找其他gadgets取到了至关重要的作用。

寻找可利用的（potentially useful）gadgets


假设现在我们找到了某个可以造成程序block住的stop gadget，比如一个无限循环，或者某个blocking的系统调用（sleep），那么我们该如何找到其他 useful gadgets呢？（这里的“useful”是指有某些功能的gadget，而不是会造成crash的gadget）。

到目前为止我们还是只能对栈进行操作，而且只能通过覆盖return address来进行后续的操作。假设现在我们猜到某个useful gadget，比如pop rdi; ret, 但是由于在执行完这个gadget之后进程还会跳到栈上的下一个地址，如果该地址是一个非法地址，那么进程最后还是会crash，在这个过程中攻击者其实并不知道这个useful gadget被执行过了（因为在攻击者看来最后的效果都是进程crash了），因此攻击者就会认为在这个过程中并没有执行到任何的useful gadget，从而放弃它，这个步骤如下图所示：

图片：2014092705033845154.png

但是，如果我们有了stop gadget，那么整个过程将会很不一样. 如果我们在需要尝试的return address之后填上了足够多的stop gadgets，如下图所示：

图片：2014092705033845154.png

那么任何会造成进程crash的gadget最后还是会造成进程crash，而那些useful gadget则会进入block状态。尽管如此，还是有一种特殊情况，即那个我们需要尝试的gadget也是一个stop gadget，那么如上所述，它也会被我们标识为useful gadget。不过这并没有关系，因为之后我们还是需要检查该useful gadget是否是我们想要的gadget.

最后一步：远程dump内存


到目前为止，似乎准备工作都做好了，我们已经可以绕过canary防护，并且得到很多不会造成进程crash的“potential useful gadget”了，那么接下来就是该如何找到我们之前所提到的那四个gadgets呢？

图片：2014092705033845154.png

如上图所示，为了找到前两个gadgets：pop %rsi; ret和pop %rdi; ret，我们只需要找到一种所谓的BROP gadget就可以了，这种gadget很常见，它做的事情就是恢复那些callee saved registers. 而对它进行一个偏移就能够生成pop %rdi和pop %rsi这两个gadgets.

不幸的是pop %rdx; ret这个gadget并不容易找到，它很少出现在代码里, 所以作者提出一种方法，相比于寻找pop %rdx指令，他认为可以利用strcmp这个函数调用，该函数调用会把字符串的长度赋值给%rdx，从而达到相同的效果。另外strcmp和write调用都可以在程序的Procedure Linking Table (PLT)里面找到.

所以接下来的任务就是：

[*]找到所谓的BROP Gadget；
[*]找到对应的PLT项。

寻找BROP Gadget


事实上BROP gadgets特别特殊，因为它需要顺序地从栈上pop 6个值然后执行ret。所以如果我们利用之前提到的stop gadget的方法就可以很容易找到这种特殊的gadget了，我们只需要在stop gadget之前填上6个会造成crash的地址:

图片：2014092705033845154.png

如果任何useful gadget满足这个条件且不会crash的话，那么它基本上就是BROP gadgets了。

寻找PLT项


PLT是一个跳转表，它的位置一般在可执行程序开始的地方，该机制主要被用来给应用程序调用外部函数（比如libc等），具体的细节可以看相关的Wiki。它有一个非常独特的signature：每一个项都是16个字节对齐，其中第0个字节开始的地址指向改项对应函数的fast path，而第6个字节开始的地址指向了该项对应函数的slow path：

图片：2014092705033845154.png

另外，大部分的PLT项都不会因为传进来的参数的原因crash，因为它们很多都是系统调用，都会对参数进行检查，如果有错误会返回EFAULT而已，并不会造成进程crash。所以攻击者可以通过下面这个方法找到PLT：如果攻击者发现好多条连续的16个字节对齐的地址都不会造成进程crash，而且这些地址加6得到的地址也不会造成进程crash，那么很有可能这就是某个PLT对应的项了。

那么当我们得到某个PLT项，我们该如何判断它是否是strcmp或者write呢？

对于strcmp来说, 作者提出的方法是对其传入不同的参数组合，通过该方法调用返回的结果来进行判断。由于BROP gadget的存在，我们可以很方便地控制前两个参数，strcmp会发生如下的可能性：

arg1 | arg2 | result
:--: | :--: | :--:
readable | ◆ | crash
◆ | readable | crash
◆ | ◆ | crash
readable | readable | nocrash

根据这个signature, 我们能够在很大可能性上找到strcmp对应的PLT项。

而对于write调用，虽然它没有这种类似的signature，但是我们可以通过检查所有的PLT项，然后触发其向某个socket写数据来检查write是否被调用了，如果write被调用了，那么我们就可以在本地看到传过来的内容了。

最后一步就是如何确定传给write的socket文件描述符是多少了。这里有两种办法：1. 同时调用好几次write，把它们串起来，然后传入不同的文件描述符数；2. 同时打开多个连接，然后使用一个相对较大的文件描述符数字，增加匹配的可能性。

到这一步为止，攻击者就能够将整个.text段从内存中通过socket写到本地来了，然后就可以对其进行反编译，找到其他更多的gadgets，同时，攻击者还可以dump那些symbol table之类的信息，找到PLT中其它对应的函数项如dup2和execve等。

0x11 BROP的攻击流程 2 - 实施攻击



到目前为止，最具挑战性的部分已经被解决了，我们已经可以得到被攻击进程的整个内存空间了，接下来就是按部就班了（从论文中翻译）：

[*]将socket重定向到标准输入/输出（standard input/output）。攻击者可以使用dup2或close，跟上dup或者fcntl(F_DUPFD)。这些一般都能在PLT里面找到。
[*]在内存中找到/bin/sh。其中一个有效的方法是从symbol table里面找到一个可写区域（writable memory region），比如environ，然后通过socket将/bin/sh从攻击者这里读过去。
[*]execve shell. 如果execve不在PLT上, 那么攻击者就需要通过更多次的尝试来找到一个pop rax; ret和syscall的gadget.

归纳起来，BROP攻击的整个步骤是这样的：

[*]通过一个已知的stack overflow的漏洞，并通过stack reading的方式绕过stack canary的防护，试出某个可用的return address；
[*]寻找stop gadget：一般情况下这会是一个在PLT中的blocking系统调用的地址（sleep等），在这一步中，攻击者也可以找到PLT的合法项；
[*]寻找BROP gadget：这一步之后攻击者就能够控制write系统调用的前两个参数了；
[*]通过signature的方式寻找到PLT上的strcmp项，然后通过控制字符串的长度来给%rdx赋值，这一步之后攻击者就能够控制write系统调用的第三个参数了；
[*]寻找PLT中的write项：这一步之后攻击者就能够将整个内存从远端dump到本地，用于寻找更多的gadgets；
[*]有了以上的信息之后，就可以创建一个shellcode来实施攻击了。

0x100 后记



以上就是BROP攻击的原理，在这篇博文中重现了这个攻击，有兴趣的可以去看看。

其实在整个攻击过程中最酷的要数第一个步骤：如何dump内存，之后的步骤其实就是传统的ROP攻击了。明白了原理之后，其实最好的了解该攻击的方法就是看源代码了，这个对了解整个ROP会有非常大的帮助。