stack frame与缓冲区溢出

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CSAPP课后习题3.38,是利用缓冲区溢出来攻击一段程序,使其输出结果为0xdeadbeef。程序的源代码可以从http://csapp.cs.cmu.edu/public/ics/code/asm/bufbomb.c获得。
程序的主体是下面两个函数:
int getbuf()
{
     char buf[12];
     getxs(buf);
     return 1;
}

void test()
{
     int val;
     printf("Type Hex string:");
     val = getbuf();
     printf("getbuf returned 0x%x\n", val);
}
初看之下,函数getbuf始终返回1,那么最后打印出来的一定是"getbuf returned 0x1"(笔者的环境是win2k+cygwin2.427+gcc3.33)
回忆一下高等语言的函数调用是如何被汇编语言具体实现的:

%ebp是当前函数的FramePoimter,指的是当前Frame的起始位置,该位置存放的是调用本函数的函数的%ebp。(此处可以参考《结构化计算机组成》中的call指令的微码实现,相当于图中的LV指针。)
在ISA指令call执行时,用户当前的寄存器%eip会被压入到栈中,然后跳转到被调用的函数。ISA指令ret执行时,CPU会从栈中pop一个值,放到%eip中,程序就跳到这个指令继续执行。
从上面的stack frame,我们可以看到两个方面的东西:
1、内存布局。其中%ebp+4存放的是函数返回的指令地址,局部变量存放在图中的Locals and Temporaries里面,例如函数getbuf声明了字符串数组buf[12],位置就应该是%ebp-n(n为正数,大与12,具体的值和编译器有关)。buf在图中增长的方向是向上,那么buf[16]所在的位置就可能是现在%ebp所指的位置,buf[20]的位置可能就是函数的Return Address。只要改写这里,就可以让函数执行我们需要的代码,这就是缓冲区溢出的根本危害。
2、函数调用规则。IA32的寄存器在使用习惯上分为两种:所谓caller save registers指由调用者负责处理,而被调用者可以随便用而不用恢复的寄存器。包括%eax, %edx和 %ecx,编译器生成汇编代码的时候,如果发现被调用函数需要使用这些寄存器,会首先把被使用到的这几个寄存器入栈。还有一种callee save registers指的被调用的函数负责保存其状态的寄存器,函数调用前后,调用者看不到其变化的寄存器。函数调用之前,可能会首先将caller save registers入栈(是否发生依据被调用函数需要使用的寄存器数目而定),然后将函数的参数从后向前依次压栈,接下来就是call调用(改步骤会将当前%eip入栈)。我们需要打印出0xdeadbeef,那么在调用函数printf的时候,就必须将其放在%esp+4的位置。

背景介绍到这里,下面就是具体的解题步骤:
首先,函数getbuf()的返回值存放在寄存器$eax里面,是无法修改的。程序的目的是要打印出"getbuf returned 0xdeadbeef"
1、编译文件gcc -O2 -g bufbomb.c -o bufbomb.exe

2、使用gdb反编译获得的可执行文件,获得其汇编代码

其中,指令就是正常情况下的返回EIP,也就对应着函数printf的参数val压栈,是将函数printf的参数"getbuf returned 0x%x\n"压栈,也就是我们将要跳转的指令。
在这一步,我们获得了第一个有用信息:目标的EIP是0x0040113b.

3、在函数test入口设置断点,获得函数的寄存器信息。

从上面的反汇编代码可以知道,printf的第参数val地址是0x4($esp,1),也就是0x22ef34。这样,我们就获得了第二个有用信息:0xdeadbeef将要被放在地址0x22ef34开始的四个字节

4、在函数getbuf入口设置短点,获得buf的地址,和该函数的寄存器信息:

可知第三个有用信息:buf的起始位置是0x22ef10,$ebp是0x22ef28(换言之,0x22ef10到0x22ef27之间的内容可以任意填写,为了计数方便,我们写入的内容就是其内存地址的最低位)

5、观察$ebp所指的内存地址的内容:

其中0x4(%ebp)也就是0x22ef2c就是getbuf返回以后的指令地址,现在的值是0x00401137,也就是将val压栈的指令。我们获得了第四个有用信息:需要将内存地址0x22ef2c的内容修改为为0x0040113b

6、综合上面的几个信息:初步得到这样的字符串:
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1a 1b 1c 1d 1e 1f 20 21 22 23 24 25 26 27(这一段不重要)
38 ef 22 00(原来的ebp)
3b 11 40 00(新的返回地址)
00 30 40 00(字符串"getbuf returned 0x%x\n"指针)
ef be ed de(想要打印的字符)
98 ef 22(此处存放函数main的$ebp,字符串以00结尾,必须加这几个字符,保证该地址内容不被修改)

程序运行的结果如下图:


linux环境下,处理的方法类似,结果如下图:

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