利用Metasploit 破解棧緩存溢出漏洞的一個例子

◆李維峰

（中國飛行試驗研究院 陜西 710089）

棧緩存溢出漏洞自1988年出現(xiàn)至今已過去30多年了[1]，它以其危害性及廣泛性早已引起了廣大信息安全領(lǐng)域研究人員的重視。多年以來，隨著攻防雙方技術(shù)的交替進(jìn)步，對于此類漏洞的控制已經(jīng)不像最初階段那么無力，但是不得不說，由于棧緩存溢出漏洞的產(chǎn)生根源是程序設(shè)計不嚴(yán)謹(jǐn)所導(dǎo)致，換個更直接的說法就是該漏洞的產(chǎn)生可認(rèn)為是人為的編碼疏忽，因此，在未來很長的一段時間內(nèi)它還將與我們共存。本文將利用Metasploit框架開發(fā)一個針對軟件bof-server棧緩存溢出漏洞的破解模塊，以此為例，講解此類漏洞的危害及預(yù)防措施。由于Metasploit框架是進(jìn)行滲透測試的優(yōu)秀工具，它提供了大量的漏洞滲透模塊庫，集成了優(yōu)秀的模塊開發(fā)環(huán)境，所以，我們選擇它作為本文的實驗工具。

1 棧緩存溢出漏洞的原理

在微軟的定義里，緩存溢出攻擊是一種攻擊者用自己的代碼覆蓋程序原有代碼的行為，如果被覆蓋的惡意代碼是一段受攻擊者控制的可執(zhí)行代碼，那么攻擊者就可以在目標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行意料之外的操作。

棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，棧中數(shù)據(jù)的寫入和讀取只能從棧頂進(jìn)行操作，它遵循后進(jìn)先出的原則。棧支持兩種操作：push和pop。push是將數(shù)據(jù)添加到棧頂。pop是將數(shù)據(jù)從棧頂彈出。讓我們看一下C程序的內(nèi)存布局、它的內(nèi)容以及它在函數(shù)調(diào)用和返回期間是如何工作的。如圖1所示。

其中，Text：包含要執(zhí)行的程序代碼。Data：包含程序的全局信息。Stack：包含函數(shù)參數(shù)，返回地址和函數(shù)的局部變量。它是后進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。隨著新函數(shù)的調(diào)用，它在內(nèi)存中向下增長（從較高的地址空間到較低的地址空間）。Heap：容納所有動態(tài)分配的內(nèi)存。每當(dāng)我們使用malloc動態(tài)獲取內(nèi)存時，它都是從堆中分配的。隨著需要越來越多的內(nèi)存，堆在內(nèi)存中的增長（從低到高）。

對于基于棧的緩存溢出，我們把注意力集中在寄存器EBP、EⅠP和ESP上。EBP指向堆棧底部的較高內(nèi)存地址，ESP則指向堆棧頂部的較低內(nèi)存位置。EⅠP中存儲的是下一條指令的地址。我們主要關(guān)注EⅠP寄存器，因為我們需要劫持程序的執(zhí)行順序。由于EⅠP只是一個寄存器，所以我們無法為其分配要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址。

圖1 C程序中的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

圖2 棧的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

當(dāng)函數(shù)執(zhí)行時，一個包含有函數(shù)信息的棧幀（stack frame）會被壓入棧中。一旦函數(shù)執(zhí)行完畢，棧幀會被彈出棧，函數(shù)完成執(zhí)行后，將從棧中彈出相關(guān)的棧幀，并在中斷的調(diào)用的函數(shù)中繼續(xù)執(zhí)行。CPU知道必須從何處繼續(xù)執(zhí)行程序，它是從調(diào)用函數(shù)時壓入棧的返回地址獲得此信息。

為了方便理解，我們舉一個例子：在主函數(shù)中調(diào)用func()。因此，當(dāng)程序開始時，將調(diào)用main()，并為其分配一個棧幀并將其壓入棧。接下來main()調(diào)用func()，同樣是分配棧幀，將其壓入棧并將執(zhí)行移交給func()，main()通過將這個值（返回地址）壓入棧，來指出當(dāng)func()返回（通常是在調(diào)用func()之后的代碼行）時，需要繼續(xù)執(zhí)行的地方。

圖3 棧幀結(jié)構(gòu)

在func()函數(shù)執(zhí)行完后，它的棧幀被彈出，其中存儲的返回地址被加載到EⅠP寄存器中，繼續(xù)執(zhí)行main()。如果我們能夠控制返回地址，我們就能在func()返回時劫持將要執(zhí)行的指令。

2 滲透思路

首先，我們下載并運行bof-server?？梢钥吹竭@個程序在端口200上提供TCP服務(wù)。如圖4所示：

圖4 程序在端口200上提供TCP服務(wù)

然后，我們向TCP 200端口發(fā)起TELNET連接，建立連接后向其發(fā)送若干隨機(jī)數(shù)據(jù)。如圖5所示：

圖5 建立連接后向其發(fā)送若干隨機(jī)數(shù)據(jù)

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提供一定數(shù)量的隨機(jī)數(shù)據(jù)之后，連接就斷開了，這是因為目標(biāo)服務(wù)器已經(jīng)崩潰。來看一看目標(biāo)服務(wù)器上的報錯信息，如圖6所示：

圖6 目標(biāo)服務(wù)器上的報錯信息

點擊“click here”，查看詳細(xì)情況，發(fā)現(xiàn)程序是由于無法在地址41414141處找到下一條要執(zhí)行的指令，從而導(dǎo)致了程序的崩潰。因為我們隨機(jī)輸入的是若干個字母A，而值41就是字母A的十六進(jìn)制表示，這說明我們輸入的數(shù)據(jù)已經(jīng)超出了緩存的范圍，而且覆蓋了EⅠP寄存器。接下來，程序試圖執(zhí)行41414141這個地址上指令，顯然這不是一個有效的地址，因此，程序崩潰了。

由于我們的輸入數(shù)據(jù)超出了程序棧的緩存范圍，引發(fā)了程序的棧緩存溢出漏洞，導(dǎo)致程序崩潰。如果我們控制好輸入的數(shù)據(jù)，使得覆蓋EⅠP寄存器的內(nèi)容恰好是我們想要執(zhí)行的代碼地址，那么我們就控制了服務(wù)器，從而完成了漏洞利用。

3 滲透的步驟

根據(jù)上一節(jié)的思路，我們將利用Metasploit框架開發(fā)一個破解模塊，觸發(fā)漏洞并運行我們想要執(zhí)行的其他代碼。

模塊開發(fā)的第一個步驟是找出偏移量，在這個過程中將用到Metasploit中的兩款工具，分別是pattern_create和pattern_offset。工具pattern_create用來按一定規(guī)律生成字符，例如：#./pattern_create.rb 1000，表示生成1000個字符。將這些字符發(fā)送給目標(biāo)服務(wù)器后如果程序崩潰，就能得到一個地址的值，我們得到的地址值是72413372，將該值作為參數(shù)，使用工具pattern_offset就能得到具體的偏移量，例如：#./pattern_offset.rb 72413372 1000，表示EⅠP中的地址為72413372，填充1000個字符。最后，我們得出的偏移量是520，在520個字節(jié)后面的4個字節(jié)的數(shù)據(jù)就會覆蓋EⅠP寄存器。

接下來，我們還將使用Metasploit中的另一個工具msfpescan來找到程序中JMP ESP指令的地址，在這里我們利用bof-server程序調(diào)用的一個DLL 文件ws2_32.dll 。命令如下：#./msfpescan -j esp -f/root/Desktop/ws2_32.dll，參數(shù)-j后面的是寄存器名，這里用到的寄存器是ESP，返回結(jié)果為0x71ab9372，這是ws2_32.dll文件中JMP ESP指令的地址。只需要用這個地址來重寫EⅠP寄存器中的內(nèi)容，就可以執(zhí)行我們的代碼。

到目前為止，我們已經(jīng)掌握了開發(fā)Metasploit程序破解模塊的主要內(nèi)容，讓我們看看代碼是怎樣的。如下所示：

在分析代碼之前，我們先看看模塊中用到的庫，請看表1。

表1 模塊中用到的庫

破解模塊開頭就是包含各種必要的路徑和文件。我們把模塊類型定義為Msf::Exploit::Remote，意味著它是一個遠(yuǎn)程破解模塊。接下來，我們在initialize方法中定義name,description,author等基本信息。另外，我們還看到大量的其他聲明。請看表2：

表2 破解模塊

避免程序崩潰或payload 不執(zhí)行

讓我們看看上面代碼中用到的一些重要函數(shù)，如表3。

表3 重要函數(shù)

在我們之前編寫的模塊中，run方法是輔助模塊的默認(rèn)方法。然而，對于破解模塊而言，默認(rèn)的方法是exploit。

我們使用connect連接目標(biāo)。使用make_nops函數(shù)創(chuàng)造520個NOP，這個數(shù)來自initialize函數(shù)中定義的target的Offset。把520個NOPs存儲到變量buf中。下一條指令，我們通過從target聲明的Ret字段中獲取其值，將JMP ESP地址附加到buf。使用函數(shù)pack(‘V’),我們得到地址的小端格式。在Ret地址之后，我們附加幾個NOPs作為ShellCode之前的填充。使用Metasploit的優(yōu)點之一是能在運行中切換payload。因此，只需要簡單地使用payload.encoded就能把當(dāng)前所選的payload附加在變量buf之后。

圖7 步驟1

接下來，使用函數(shù)sock.put建立與目標(biāo)的連接，參數(shù)是buf。使用handler方法檢查目標(biāo)是否被成功破解，如果成功破解則會建立連接。最后，用disconnect斷開連接。我們來看看使用的效果：我們設(shè)置必要的參數(shù)，payload設(shè)置為Windows/meterpreter/bind_tcp，這意味著到目標(biāo)的直接連接。讓我們看看使用exploit命令后會發(fā)生什么（圖8）。

圖8 步驟2

顯然，我們編寫的破解模塊成功了，獲得一個meterpreter會話，通過該會話可以在目標(biāo)服務(wù)器上進(jìn)行非授權(quán)操作。

4 總結(jié)

通過上述例子，我們發(fā)現(xiàn)棧緩存溢出漏洞雖然早在二十世紀(jì)八十年代就存在，但至今仍對信息系統(tǒng)安全有著重要的影響。為了規(guī)避該漏洞，目前一般有幾種做法：使內(nèi)存執(zhí)行的堆棧部分為非可執(zhí)行文件；使用更加健壯的C和C++庫；通過編譯器保護(hù)返回地址；使用防火墻[2]等等。最理想的辦法是雇傭最好的程序員謹(jǐn)慎編碼，當(dāng)然這本身就不是一件容易的事。因此，我們需要對程序進(jìn)行嚴(yán)格的模糊測試，降低棧緩存溢出漏洞發(fā)生的概率。