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Linux堆溢出之fastbin

前端时间参加RCTF比赛，遇到了一道堆溢出的题目shaxian。漏洞本身是比较明显的，但由于对堆溢出并不熟悉，没有能够找到利用方法。之后阅读了复旦六星战队的writeup，才知道应该通过溢出来操控fastbin。由于这方面中文资料较少，于是在此将自己查阅到的相关内容进行总结整理，希望能够帮助到对此有兴趣的小伙伴。

1. 背景知识
1.1 ptmalloc
我们都知道，在C中动态分配内存，使用的是malloc。其在GNU C(glibc)中的实现则是基于dlmalloc的ptmalloc。ptmalloc的基本思路是将堆上的内存区域划分为多个chunk，在分配/回收内存时，对chunk进行分割、回收等操作。

具体地，每个chunk除了包含最终返回用户的那部分mem，还包含头部用于保存chunk大小的相关信息。在32位系统下，chunk头的大小为8 Bytes，且每个chunk的大小也是8 Bytes的整数倍。一个典型的chunk如下图所示：

chunk头包括以下两部分：
prev_size: 如果当前chunk的相邻前一chunk未被使用，prev_size为此前一chunk的大小
size: 当前chunk的大小。由于chunk大小是8的整数倍，所以此size的后3 bit被用于存储其他信息。我们需要记住的便是最低bit，即图中P的位置，用于指示前一chunk是否已被使用(PREV_INUSE)。

如果当前chunk处于未被使用状态，则mem前8 bytes被用来存储其他信息，具体如下：
fd: 下一个未被使用的chunk的地址
bk: 上一个未被使用的chunk的地址

可以看到，chunk头中包含的大小信息，主要用来在获取内存中相邻chunk的地址（当前chunk地址减去前一chunk的大小，为前一chunk的地址；当前chunk地址加上当前chunk的大小，为后一chunk的地址）。而mem中的fd和bk只在当前chunk处于未被使用时才有意义。如果了解数据结构，便可以立刻看出，这些未被使用的chunks通过fd, bk组成了链表。事实上，malloc确实维护了一系列链表用于内存的分配和回收，这些链表被成为”bins”。

一般来说，每个bin链表中的chunk都有相同或将近的大小。根据bin所包含chunk的大小，可以将bin分为fastbin, unsorted bin, small bin, large bin。我们这里要研究的就是fastbin。

1.2 fastbin
fastbin所包含chunk的大小为16 Bytes, 24 Bytes, 32 Bytes, … , 80 Bytes。当分配一块较小的内存(mem<=64 Bytes)时，会首先检查对应大小的fastbin中是否包含未被使用的chunk，如果存在则直接将其从fastbin中移除并返回；否则通过其他方式（剪切top chunk）得到一块符合大小要求的chunk并返回。

而当free一块chunk时，也会首先检查其大小是否落在fastbin的范围中。如果是，则将其插入对应的bin中。顾名思义，fastbin为了快速分配回收这些较小size的chunk，并没对之前提到的bk进行操作，即仅仅通过fd组成了单链表而非双向链表，而且其遵循后进先出(LIFO)的原则。

举例来说，假设目前大小为40 Bytes的fastbin中已经包含了一个位于0x0804a000的chunk

当另一块大小为40 Bytes，位于0x0804a028的chunk被free时，其被放至同一fastbin中。具体地，0x0804a028成为该fastbin的首个chunk，之前的首个chunk 0x0804a000，则被保存于0x0804a028的fd中。

接下来，调用malloc分配一块32 Bytes的内存(实际大小为40 Bytes的chunk)时，该fastbin中的首个chunk, 0x0804a028会被移除并返回。此时该fastbin的首个chunk变为0x0804a028的fd内容，即0x0804a000。此时便恢复到之前的状态。

当然，在实际执行分配或回收时，还会对目标chunk的大小进行检查。但如果能够修改fd内容，那么在随后的malloc时便可能将修改后的地址返回，这进一步往往能够造成向任意地址写任意内容(write-anything-anywhere)的后果。

2. 实例
我们编写一个存在问题的简单程序如下：

 #include  #include  #include    int size = 40 | 0×1;   int main(int argc, char *argv[]) {     void *buf0, *buf1, *buf2;     buf0 = malloc(32);     buf1 = malloc(32);       free(buf1);     free(buf0);       buf0 = malloc(32);     read(0, buf0, 64);     buf1 = malloc(32);       buf2 = malloc(32);       printf(“buf2 is at %p/n”, buf2);       return 0; }

#include

int size = 40 | 0×1;

int main(int argc, char *argv[]) {

void *buf0, *buf1, *buf2;

buf0 = malloc(32);

buf1 = malloc(32);

free(buf1);

free(buf0);

buf0 = malloc(32);

read(0, buf0, 64);

buf1 = malloc(32);

buf2 = malloc(32);

printf(“buf2 is at %p/n”, buf2);

return 0;

}

可以看到，该代码在调用read时，向buf0写入的内容超过了其本身的大小，发生了堆溢出。我们可以利用此处漏洞，修改相邻chunk的fd内容，造成在为buf2分配内存时，从fastbin返回得到非正常的地址。

具体地，在调用read之前，fastbin的结构如下图所示：

而如果我们利用read时的溢出，修改其后方buf1中fd的内容，那么在之后buf1=malloc(32)时，0x0804a028会被从fastbin中取出并返回。而且篡改的fd会被放入该fastbin，其指向的伪chunk会在之后buf2=malloc(32)时返回。值得注意的是，由于在分配时还会检查从fastbin中取出的chunk大小是否符合要求，因此我们的伪chunk的size也为0×29。恰好存在一个全部变量的值为0×29，我们便取其地址减4处，即0x080497e8，作为伪chunk的地址：

可以通过以下命令查看我们溢出的效果：

输出的结果显示，buf2会被分配至0x80497f0，而这里恰为伪chunk所对应的mem。

一般地，我们往往可以向分配得到的内存中写入数据。因此如果malloc返回的地址可被控制，那么便可实现write-anything-anywhere的效果。

3. House of Spirit
事实上，linux下堆溢出的攻击利用，早在十年前便已有人已深入研究。2005年，一篇名为”The Malloc Maleficarum”的文章便提出了5种攻击堆的方式：

The House of Prime
The House of Mind
The House of Force
The House of Lore
The House of Spirit
The House of Chaos

随后在2009年，Phrack 66期上也刊登了一篇名为”Malloc Des-Maleficarum”的文章，对这几种技术进行了进一步的分析。

在这其中，House of Spirit是与fastbin相关。因此在这里，我们也对这种攻击方式结合自己的理解进行简要介绍。

House of Spirit实现的最终效果，也是使攻击者构造的伪chunk通过fastbin被malloc返回。与之前例子中的溢出覆盖fd不同的是，House of Spirit是通过篡改free的目标地址，将伪chunk放入fastbin，进而使随后的malloc返回此伪chunk。

举例来说，如果存在以下代码片段：

 #include  #include  #include    int main(int argc, char *argv[]) {     void *p = malloc(32);     char buf[8];     read(0, buf, 0×80);       free(p);     malloc(32); }

#include

int main(int argc, char *argv[]) {

void *p = malloc(32);

char buf[8];

read(0, buf, 0×80);

free(p);

malloc(32);

}

可以看到，在read数据至buf时，可以溢出修改指针p的内容。如果知道了栈的地址，那么便可在read时构造伪chunk，并将p修改为伪chunk对应的mem地址。在测试用例中，buf位于0xffffd704，我们的伪chunk大小为40 Bytes，位于0xffffd728（注意chunk地址按8对齐），对应的mem则位于0xffffd730。

此外，glibc中在free时，还会对相邻后一个chunk的大小进行检查，如下图中行3901、3902所示：

因此我们在伪chunk之后，需要另一个伪chunk。这里只需其大小不过大或过小即可。最简单的方式如下图所示：

将payload1作为输入使用gdb调试，发现在free(p)之后，fastbin的内容如下：

可以看到，我们位于0xffffd728的伪chunk现在确实被放置于对应的fastbin中。在随后的malloc(32)，返回得到的地址便为栈上的伪mem, 0xffffd730。

4. 扩展
在研究完相关技术后，我便立刻搜索这种技术曾经在现实中的exploit被使用。可惜并没有找到直接对应的exploit（可能我的搜索方式不准确，如果有发现的还请告诉我）。

但是，如果我们将问题再抽象一下，便可发现这些技术利用的本质即为：allocator所需的chunk信息被溢出等方式修改，造成随后分配得到的地址为构造的非正常地址。如果以这种方式来回顾，那我们首先想到的便是不久前闹得沸沸扬扬的GHOST(CVE-2015-0235)。这一漏洞的深入分析可见https://www.qualys.com/2015/01/27/cve-2015-0235/GHOST-CVE-2015-0235.txt，在这里我们便不赘述了，仅对与内存分配相关的利用方式进行简要回顾。

GHOST漏洞利用的其中一环，便是”write-anything-anywhere”。而这是由Exim的内存分配引起的。具体地，Exim自己实现的内存分配器，使用了如下结构：

 typedef struct storeblock {   struct storeblock *next;   size_t length; } storeblock;

typedef struct storeblock {

struct storeblock *next;

size_t length;

} storeblock;

通过之前的溢出，覆盖这一结构体，进而修改next指针。其后果便是，此篡改的地址会被作为下一块可用的内存，被之后的内存分配返回。在随后的写入时便造成了”write-anything-anywhere”。

5. 总结
堆溢出的利用方式有很多，除了这里介绍的fastbin，还有大名鼎鼎的unlink。虽然利用的细节不同，但大多是围绕着对分配器内部数据结构的篡改展开。这篇文章仅仅是抛砖引玉，希望大牛们多多分享，共同提高。

5. 参考
Understanding glibc malloc
x86 Exploitation 101: this is the first witchy house
http://packetstorm.foofus.com/papers/attack/MallocMaleficarum.txt
http://phrack.org/issues/66/10.html
https://www.qualys.com/2015/01/27/cve-2015-0235/GHOST-CVE-2015-0235.txt

【via@银河实验室-nabla】

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