0x00 前言

作者: Cigital公司的安全顾问Qsl1pknotp
题目: Exploiting memory corruption bugs in PHP Part 3: Popping Remote Shells
地址:http://www.inulledmyself.com/2015/05/exploiting-memory-corruption-bugs-in.html

这片文章所花的时间比我想象中的要长, 不过这时间花得值! 我想通过视频的方式来讲解如何利用这漏洞, 所以这片文章没有之前两篇描述得详细.

可能会让一些人失望的是, 这篇文章只是介绍了如何写一个 POC (并没有实际放出 POC). 文章末尾的视频会给你们展示我的自动化远程利用工具, 以及在现实环境中为了能让这 POC 成功执行所使用的 tips & trick.

0x01 查找数据

为了能更简单的解释如何利用这个漏洞, 我使用下面的代码作为演示, 具体情况具体分析.

<?php
echo serialize(unserialize(base64_decode($_GET['data'])));
?>

我们的目的是能够执行任意 PHP 代码. 当然啦, 我们可以尝试去注入 shellcode 来达到目的, 但是这种方法既没有创造性, 也不优雅(高版本的 PHP 可能不会成功). 如果你还记得Part1, 为了能够执行任意 PHP 代码, 我们需要调用php_execute_script和zend_eval_string. 然而, 我们希望能够进行远程攻击, 所以我们必须找到executor_globals以及JMP_BUF. 至于为什么要这样做, 后面会详细介绍.

简而言之, 我们需要找到 (没有特别的顺序):

executor_globals
zend_eval_string
JMP_BUF
将任意数据写入 stack 的方法

比较幸运的是, 上面所列举的要求, 有些还是比较好找的, 因为它们就在 binary 中. 我们直接 dump PHP binay 的 strtab.

Great! 我们直接从里面找到zend_eval_string的地址, 然后在 GDB 中验证这个地址是否正确.

查找zend_eval_string的地址
在 gdb 中查看对应的地址
查找executor_global的地址
在 gdb 中查看对应的地址

Awesome! 现在我们要怎么找到JMP_BUF呢? 通过阅读代码, 我们找到了_zend_executor_globals对象, 并在其中发现了一个JMP_BUF指针, 名为bailout. 让我们挂上 GDB 看看地址是否正确.

查看zend_executor_globals对象
打印zend_executor_globals->bailout

好, 我们拿到了这个地址, 但是这个地址指向的是什么? 有什么用? 好吧, 在 PHP 中JMP_BUF被用来实现 PHP 的 "try{} - catch{}" 机制. 后面会详细介绍这个.

0x02 利用方法 1 - ROP

我们现在还只差一样东西: 将任意数据写入 stack. 利用方法 2 会详细讨论 Stefan 在 2010 Syscan 公布的方法. 既然我们可以释放任意内存, 那我们下一步该干什么呢? 我们该怎么写数据到 stack 中? 怎么确保写入的数据以后不会被覆盖? (Google is your friend :))

RFC, 更确切的说是:RFC 1867

这个 RFC 指明允许带有 multipart/form-data 的 POST 请求的数据写入到 stack 中, 而且完全不会被 php 覆盖(由于各种各样的原因). 让我们上传一个"普通"的文件吧.

Awesome! 我们可以写入任意数据到 stack 中. 但是我们要写什么到 stack 中?

Hint: 我们之前所寻找的东西 : )

既然之前我们花了那么多时间去找那么多地址, 该时候使用它们了! 所以, 我们应该如何使用之前的地址呢? 经过一些研究, 我们需要这样布局:

从最简单的开始: 一开始我们就用 readelf 获取到了zend_eval_string的地址.Ret Pointer和Zend_Bailout我们都不需要理会(会导致 PHP crash). 我们在 stack 中填写两次指向eval_string的指针, 下面就是我们现有的数据:

POP; RET - ?????
XCHG EAX, ESP; RET - ????
Zend_Eval_String - 0x082da150
Zend_Bailout - 0x00000000
Pointer_To_Eval_String - 0xbfffda04
Ret Pointer - 0x00000000
Pointer_To_Eval_String - 0xbfffda04

Sweet! 我们快填写完这些东西了, excellent! 但是, 看起来我们还需要一些 ROP gadgets. 我个人比较喜欢用 ROPGadget, 不过其它工具也是可以的. 我们需要查找 XCHG EAX, ESP; RET (0x94 0xc3), 还需要找 POP EBP; RET (0x5d 0x3c). 一旦找到了这些 gadgets, 我们就可以继续下一步了.

我们拿到了这两个地址了(为啥这些地址相差那么大, 因为它们是相对地址), 我们可以继续完成 stack 中的数据:

POP; RET - 0x000e8e68
XCHG EAX, ESP; RET - 0x000057b7
Zend_Eval_String - 0x082da150
Zend_Bailout - 0x00000000
Pointer_To_Eval_String - 0xbfffda04
Ret Pointer - 0x00000000
Pointer_To_Eval_String - 0xbfffda04

好了, 该是时候测试了.

Hmmm, 这不是我想要的结果, 现在怎么办? 看起来好像我们的代码尝试跳到我们的 gadget (c394). 不幸的是, 你还需要知道一些事情. SPLObjectStorage 要求这些 gadget 在 php 是可以访问的, 所以我们还需要修改一下. 经过修改之后:

0x03 利用方法 2 - Stefan

方法 1 就到此为止了, 方法 1 只能影响老版本的 PHP. 我们继续研究新版本的 PHP 利用方法.

比较走运的是, 之前找到php_execute_script和jmp_buf地址, 在新 exploit 中都会被用到.

jmp_buf在 setjmp & longjmp 中被用来保存 "环境" 以预防 "不可恢复" 的错误. 在 32 位系统中,jmp_buf是一个存储 6 个 int 的数组, 在 64 位系统中,jmp_buf存储的是 8 个 int 的数组. 不幸的是, 需要自己查看代码来判断jmp_buf保存的寄存器的顺序. 这里有个jmp_buf样例布局. 让我们看一下 PHP 中的内容...

在我的机器上, 寄存器的顺序是: ebx, esp, ebp, esi, edi, eip. 值得完成的事情一般都不怎么容易完成, 在这里也一样, 我们的 edi & eip 看起来貌似被 Glibc 混淆了, Glibc 有个宏叫PTR_MANGLE, 在视频中, 我们会讲解如何破解 JMPBUF.

一旦破解出了 edi & eip, 我们就可以继续重写和释放内存了. 幸运的是, 我们可以继续利用SPLObjectStorage远程释放内存. 剩下的事情就是将如何写到 stack 中. 和Part 2, 我们可以任意操纵 PHP 内存. 我们先释放一些内存, 然后再写 7 byte 数据填充, 当 php 重写我们的数据时, 再重复之前的操作. 第二次重写能够让我们写入任意长度的数据到 stack 中 (我测试的时候, 这个长度大概可以达到 2048 byte). 我们写入的数据和之前使用 ROP 的那个例子差不多. 我们还要继续 "加密" 我们写入 stack 中的数据. 这是攻击效果:

0x04 视频地址

video, 自备梯子

视频笔记

x86 Instruction Chart -http://sparksandflames.com/files/x86InstructionChart.html
Elf Header lowest 3 bits are 000
Elf layout -http://geezer.osdevbrasil.net/osd/exec/elf.txt
PMAP is your friend when trying to find the "Magic"
A look at PTR_MANGLEhttp://hmarco.org/bugs/CVE-2013-4788.html

0x05 译者总结

就和作者说的一样, 这篇文章没有之前两篇写得详细.

1. 作者那个 PHP binary 文件从哪来的?

原文下有评论, 作者说他通过 memory leak 获取了整个 php binary 文件.

正常情况下, 一般的套路就是:

查找 ELF magic header\x7fELF找到起始地址
通过strtab,symtab找到zend_eval_string,php_execute_script,executor_globals地址.

2. jmpbuf 是什么?

jmpbuf 是 setjmp, longjmp 所使用的数据结构, 以实现 try--catch 机制的东西, 和 goto 语法效果差不多, setjmp 相当于在某个位置的 label, longjmp 相当于 goto, 但是 goto 语法并不能跨函数跳转. jmpbuf 主要保存着 caller 的寄存器信息以方便 longjmp 恢复. 另外 glibc 会混淆一些寄存器的值(除了有漏洞的glibc).

3. 如何解出 jmpbuf?

先查看 setjmp 代码:

(gdb) disassemble setjmp
Dump of assembler code for function setjmp:
   0xb7c94410 <+0>: mov    eax,DWORD PTR [esp+0x4]
   0xb7c94414 <+4>: mov    DWORD PTR [eax],ebx        # 1. 保存 ebx
   0xb7c94416 <+6>: mov    DWORD PTR [eax+0x4],esi    # 2. 保存 esi
   0xb7c94419 <+9>: mov    DWORD PTR [eax+0x8],edi    # 3. 保存 edi
   0xb7c9441c <+12>:    lea    ecx,[esp+0x4]
   0xb7c94420 <+16>:    xor    ecx,DWORD PTR gs:0x18
   0xb7c94427 <+23>:    rol    ecx,0x9
   0xb7c9442a <+26>:    mov    DWORD PTR [eax+0x10],ecx # 4. 保存 esp
   0xb7c9442d <+29>:    mov    ecx,DWORD PTR [esp]
   0xb7c94430 <+32>:    xor    ecx,DWORD PTR gs:0x18
   0xb7c94437 <+39>:    rol    ecx,0x9                  
   0xb7c9443a <+42>:    mov    DWORD PTR [eax+0x14],ecx # 5. 保存 eip
   0xb7c9443d <+45>:    mov    DWORD PTR [eax+0xc],ebp  # 6. 保存 ebp
   0xb7c94440 <+48>:    push   0x1
   0xb7c94442 <+50>:    push   DWORD PTR [esp+0x8]
   0xb7c94446 <+54>:    call   0xb7c943c0 <__sigjmp_save>
   0xb7c9444b <+59>:    pop    ecx
   0xb7c9444c <+60>:    pop    edx
   0xb7c9444d <+61>:    ret

上面的寄存器保存的都是 caller 的寄存器状态, 其中 esp, eip 都被混淆过了(作者自己的图也是 esp 和 eip 被混淆), 就是使用PTR_MANGLE进行混淆.

PTR_MANGLE和PTR_DEMANGLE宏定义如下:

#  define PTR_MANGLE(reg)   xorl %gs:POINTER_GUARD, reg;              \
                 roll $9, reg
#  define PTR_DEMANGLE(reg) rorl $9, reg;                     \
                 xorl %gs:POINTER_GUARD, reg

其中 gs:0x18 就是上面的POINTER_GUARD

setjmp() 使用PTR_MANGLE进行混淆寄存器, longjmp() 使用PTR_DEMANGLE解出正常的寄存器. 为了后续能过正常覆盖 jmpbuf, 所以我们需要获得POINTER_GUARD的值, 由于 jmpbuf 数据结构可以越界读, caller 的 eip 也可以拿到, 所以通过PTR_DEMANGLE就可以获得POINTER_GUARD的值.

4. 如何获取到 setjmp caller 的 eip ?

通过阅读代码, 我们可以知道php_execute_script调用了 setjmp, 并将 jmpbuf 保存到 EG(bailout) 中, 通过泄漏php_execute_script地址即可知道调用 setjmp 时到 eip.

5. 如何覆盖到 jmpbuf ?

jmpbuf 地址向前搜索数值 XX 00 00 00 (XX>0x0c and XX<0x8f), 搜索到一个这样的值之后, 可以把这个值当作一个 memory block.

先看看 ZMM 的几个结构体:

/* mm block type */
typedef struct _zend_mm_block_info {
    size_t _size;
    size_t _prev;
} zend_mm_block_info;

typedef struct _zend_mm_free_block {
    zend_mm_block_info info;

    struct _zend_mm_free_block *prev_free_block;
    struct _zend_mm_free_block *next_free_block;

    struct _zend_mm_free_block **parent;
    struct _zend_mm_free_block *child[2];
} zend_mm_free_block;

struct _zend_mm_heap {
    int                 use_zend_alloc;
    void               *(*_malloc)(size_t);
    void                (*_free)(void*);
    void               *(*_realloc)(void*, size_t);
    size_t              free_bitmap;
    size_t              large_free_bitmap;
    size_t              block_size;
    size_t              compact_size;
    zend_mm_segment    *segments_list;
    zend_mm_storage    *storage;
    size_t              real_size;
    size_t              real_peak;
    size_t              limit;
    size_t              size;
    size_t              peak;
    size_t              reserve_size;
    void               *reserve;
    int                 overflow;
    int                 internal;
#if ZEND_MM_CACHE
    unsigned int        cached;
    zend_mm_free_block *cache[ZEND_MM_NUM_BUCKETS];
#endif
    zend_mm_free_block *free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS*2];
    zend_mm_free_block *large_free_buckets[ZEND_MM_NUM_BUCKETS];
    zend_mm_free_block *rest_buckets[2];
    int                 rest_count;
};

我们需要关注的是_zend_mm_heap中的 cached. ZMM 会将 0x10 大小的内存块放进 cached 中, 所以当我们找到一个可以当做 memory block 之后, 最后几个字节(7 byte 数据)伪造一个 memory header (_zend_mm_block_info), 然后再用 string 重用这个伪造后的 memory block, 如果写入的长度不足以覆盖 jmpbuf, 继续伪造 memory header 相关的操作, 直到能够覆盖 jmpbuf 为止.

6. 能够覆盖 jmpbuf 之后 ?

将 eip 设置为zend_eval_string, 将 esp 设置为一个直接可控的 stack(比如说 jmpbuf 之后), 填充好 jmpbuf, 该混淆的寄存器继续混淆. 然后在这个可控的 stack 上设置好zend_eval_string的参数,zend_eval_string的定义如下:

ZEND_API int zend_eval_string(char *str, zval *retval_ptr, char *string_name TSRMLS_DC)

最后触发一个 exception, 即可执行我们想要的代码.

7. PHP7 的变化 ?

php7 的 zval 格式有很大的变化, 通过字符串数据覆盖 zval 结构没法再做到读取任意地址数据了, 只能向后读取数据(drops这篇文章的作者 libnex 说他有办法, 期待新文章).

struct _zval_struct {
    zend_value        value;            /* value */
    union {
        struct {
            ZEND_ENDIAN_LOHI_4(
                zend_uchar    type,         /* active type */
                zend_uchar    type_flags,
                zend_uchar    const_flags,
                zend_uchar    reserved)     /* call info for EX(This) */
        } v;
        uint32_t type_info;
    } u1;
    union {
        uint32_t     var_flags;
        uint32_t     next;                 /* hash collision chain */
        uint32_t     cache_slot;           /* literal cache slot */
        uint32_t     lineno;               /* line number (for ast nodes) */
        uint32_t     num_args;             /* arguments number for EX(This) */
        uint32_t     fe_pos;               /* foreach position */
        uint32_t     fe_iter_idx;          /* foreach iterator index */
    } u2;
};

struct _zend_string {
    zend_refcounted_h gc;
    zend_ulong        h;                /* hash value */
    size_t            len;
    char              val[1];
};

如果通过数据去覆盖zval_struct, 只能通过修改 len 来实现向后读取.

总结 exploit 利用步骤

利用 part 2 介绍的方法可以泄漏std_object_handlers信息, 随便找一个数值较小的地址
利用 part 2 介绍的任意地址读取的方法向前读取数据, 直到出现\x7FELF.
通过 strtab, symtab 可以泄漏zend_eval_string,php_execute_script,executor_globals(作者图省事, 文章直接本地 readelf)
通过excutor_globals可以拿到 bailout 地址 (也就是 jmpbuf 地址)
通过php_execute_script获取到调用 setjmp 时的 eip
获取到了 setjmp caller 的 eip, 再获取到 jmpbuf 地址中 eip 混淆后的值, 通过PTR_DEMANGLE即可获得POINTER_GUARD的值.
通过反复释放重用内存, 直到能过覆盖 jmpbuf
将zend_eval_string的地址与之前的POINTER_GUARD进行PTR_MANGLE写入到 jmpbuf 的 eip 中.
将 esp 设置为一个我们可写的 stack 范围, 比如说 jmpbuf 之后的内存, 进行PTR_MANGLE之后写入到 jmpbuf 的 esp 中.
在刚刚能覆盖 jmpbuf 的内存块后面依次写入返回地址, php 代码地址, php 函数名, php 结果返回地址, php 文件名, php 代码.
触发一个 exception.

如果还有疑惑的地方, 可以去看看作者的视频以及树人的 paper. 如果我补充的有不正确的地方, 请不吝赐教.

安全研究

PHP中的内存破坏漏洞利用（CVE-2014-8142和CVE-2015-0231）（连载之第三篇）