Windows下的HEAP溢出及其利用(上)
这种问题我遇到过，曾经费了不少周折，把此篇敬献给大家：
Windows下的HEAP溢出及其利用
转自:http://www.focusexe.com/
一、概述
前一段时间ASP的溢出闹的沸沸扬扬，这个漏洞并不是普通的堆栈溢出，而是发生在HEAP中的溢出，这使大家重新认识到了Windows下的HEAP溢出的可利用性。其实WIN下的HEAP溢出比Linux和SOLARIS下面的还要简单得多，大家肯定已经都搞明白了，我来做是一个总结，以免自己将来忘了。由于缺乏这方面的资料及源代码，所有的分析结果都来自于反汇编和调试的分析，所以错误之处在所难免，敬请各位指正。
以下所有程序的测试环境为：
中文版Windows 2000 + SP2
VC++ 6.0
二、Windows的HEAP管理机制简述
同LINUX一样，Windows的HEAP区是程序动态分配一块内存区域。程序员一般调用C函数malloc/free或者C++的new/delete或者WIN32 API函数HeapAlloc/HeapFree来动态分配内存，这些函数最终都将调用ntdll.dll中的RtlAllocateHeap/RtlFreeHeap来进行实际的内存分配工作，所以我们只需要分析RtlAllocateHeap/RtlFreeHeap就行了。
对于一个进程来说可以有多个HEAP区，每一个HEAP的首地址以句柄来表示：hHeap，这也就是RtlAllocateHeap的第一个参数。每个HEAP区的整体结构如下：
+-------------------------------------------------------------------+
| HEAP总体管理结构区 | 双指针区 | 用户分配内存区 |
+-------------------------------------------------------------------+
^ ^
|_hHeap |_hHeap+0x178
heap总体管理结构区存放着一些用于HEAP总体管理的结构，这不是我们所关心的。双指针区存放着一些成对出现的指针，用于定位分配内存以及释放内存的位置，这可能是某种树结构，我还没完全搞清楚。用户分配内存区是用户动态分配内存时实际用到区域，也这是HEAP的主体。
当我们调用RtlAllocateHeap(HANDLE hHeap,DWORD dwFlags,SIZE_T dwBytes)来分配内存时将进行以下操作：
对参数进行检查,如果dwBytes过大或小于0都按照出错处理，根据dwFlags来设置一些管理结构；
检查是否为DEBUG程序，对于DEBUG的程序与实际运行的程序每个内存块之间的结构是不同的，所以我们下面说到的都是以RELEASE版编译的实际运行的程序（不是在MSDEV中调试的程序）；
根据要分配的内存的大小（dwBytes）决定不同的内存分配算法，我们只分析小于1024 bytes的情况；
从双指针区找到用户内存区的末尾位置，如果有足够的空间分配所需的内存，就在末尾+dwBytes+8的位置放置一对指针来指向双指针区的指向用户内存区末尾位置的地方；
在后面同时设置双指针区的指向用户内存区末尾位置的指针指向进行完分配之后的用户内存区末尾位置。这么说可能有点绕，不过这跟HEAP溢出没有太大的关系，所以我们就不细究了。
两块连续分配的内存块之间并不是紧挨着的，而是有8字节的管理结构，最末尾的一块内存后面还另外多了8字节的指针指向双指针区，就是上面提到过的。
假设有以下程序：
buf1 = HeapAlloc(hHeap, 0, 16);
buf2 = HeapAlloc(hHeap, 0, 16);
连续分配了两块16字节内存，实际在内存中（用户分配区）的情况是这样的：
第一次分配后：
+-----------------------------------------------+
| buf1 | 8 byte |4 byte|4 byte|
+-----------------------------------------------+
| 用户内存 | 管理结构 | 两个指针 |
第二次分配后：
+---------------------------------------------------------------------------------+
| buf1 | 8 byte | buf2 | 8 byte |4 byte|4 byte|
+---------------------------------------------------------------------------------+
| 用户内存 | 管理结构 | 用户内存 | 管理结构 | 两个指针 |
在第二次分配内存的时候会利用第一块内存管理结构后面那两个指针进行一些操作，其中会有一次写内存的操作：
77FCB397 mov [ecx], eax
77FCB399 mov [eax+4], ecx
这时的eax和ecx分别指向：
+-----------------------------------------------+
| buf1 | 8 byte |4 byte|4 byte|
+---------------------------------^------^------+
| 用户内存 | 管理结构 |_eax |_ecx |
写到这里大家一定就明白HEAP溢出如何利用了吧？假设我们分配完buf1之后向其中拷贝内容，拷贝的内容大小超过buf1的大小，即16字节，就会发生溢出，当如果我们覆盖掉了那两个4字节的指针，而下一次分配buf2之前又没有把buf1释放掉的话，那么就会把一个4字节的内容写入一个地址当中，而这个内容和地址都是我们能够控制的，这样我们就可以控制函数的流程转向我们的shellcode了。
三、HEAP溢出的利用
上面就是这种溢出可以被利用的基本原理，下面我们就来看看具体是怎么回事。有这么一个程序：
/*
* Windows Heap overrun test - vul.c
* by isno
*/
#include
#include
#include
int main (int argc, char *argv[])
{
HANDLE hHeap;
char *buf1, *buf2;
char mybuf[] = \"AAAAAAAAAAAAAAAABBBBBBBBXXXXYYYY\";
//在进程的默认HEAP当中分配内存
hHeap=GetProcessHeap();
//先分配一块16字节内存buf1
buf1 = HeapAlloc(hHeap, 0, 16);
//把32字节的mybuf拷贝到16字节的buf1里面，发生溢出！
strcpy(buf1,mybuf);
//再次分配一块16字节的内存buf2，此时buf1还没有被释放
//由于buf1溢出了，所以当写内存的时候就会出错
buf2 = HeapAlloc(hHeap, 0, 16);
//释放这两块内存
HeapFree(hHeap, 0, buf1);
HeapFree(hHeap, 0, buf2);
return 0;
}
我们把这个程序用VC按照RELEASE方式编译，并在命令行下运行它（不要在MSDEV中调试运行）。如果你没有装SOFTICE的话就会弹出一个错误对话框显示：\"0x77fcb397\"指令引用的\"0x59595959\"内存。该内存不能为\"written\"。
可以注意到0x59595959就是YYYY，这就证明了程序在向YYYY指向的内存地址进行写操作，写的内容是什么呢？如果你启动了SOFTICE的话，运行这个程序的时候SOFTICE就会自动跳出来，并停在下面的指令处：
77FCB397 mov [ecx], eax
此时eax=0x58585858,ecx=0x59595959，因为0x59595959这个地址没有映射内存页面，所以执行这个指令的时候出错了。
0x58585858和0x59595959正是我们覆盖buf1所用的XXXX和YYYY，实际进行的内存分配操作就是上面我们说过的那样：
第一次分配后：
+-----------------------------------------------+
| buf1 | 8 byte |4 byte|4 byte|
+-----------------------------------------------+
| 用户内存 | 管理结构 | 两个指针 |
溢出后：
+-----------------------------------------------+
| buf1 | 8 byte |4 byte|4 byte|
+-----------------------------------------------+
| AAAAAAAAAAAAAAAA | BBBBBBBB | XXXX | YYYY |
这样当第二次分配buf2的时候就会把XXXX写入到YYYY所指向的地址当中去，由于XXXX和YYYY都是我们所能够控制的，所以我们就可以把shellcode地址写入到堆栈中保存的函数返回地址去，这样当函数返回的时候就会跳到我们的shellcode去执行。
当然这是比较理想的情况，实际上利用这个漏洞还有很多问题，下面我们以一个实际的例子来看看具体利用这个漏洞的情况。
四、实战
由于Windows下的溢出对于本地利用来说没有多大意义，所以我们一个存在HEAP溢出漏洞的网络程序为例：
/*
win_heap_vul.c
Windows下存在HEAP溢出漏洞的服务端程序
*/
#define PORT 1500
#define BUFFLEN 32 //分配内存的大小
#define COPYLEN 64 //实际拷贝的大小
#include
#include
#include
int main()
{
WSADATA wsd;
SOCKET sListen, sClient;
struct sockaddr_in local, client;
int iAddrSize;
HANDLE hHeap;
char *buf1, *buf2;
char buff[4096];
if (WSAStartup(MAKEWORD(2,2), &wsd) != 0)
{
printf(\"Failed to load Winsock!\\n\");
return 1;
}
//建立一个socket监听1500端口
sListen = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP);
local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
local.sin_family = AF_INET;
local.sin_port = htons(PORT);
if (bind(sListen, (struct sockaddr *)&local, sizeof(local)) == SOCKET_ERROR)
{
printf(\"bind() failed: %d\\n\", WSAGetLastError());
return 1;
}
listen(sListen, 8);
iAddrSize = sizeof(client);
sClient = accept(sListen, (struct sockaddr *)&client, &iAddrSize);
if (sClient == INVALID_SOCKET)
{
printf(\"accept() failed: %d\\n\", WSAGetLastError());
return 1;
}
printf(\"connect form: %s:%d\\n\", inet_ntoa(client.sin_addr), ntohs(client.sin_port));
//我们自己建立一个HEAP，以免破坏掉进程默认HEAP以后shellcode无法正常运行
hHeap = HeapCreate(HEAP_GENERATE_EXCEPTIONS, 0x10000, 0xfffff);
//动态分配一块BUFFLEN大小的(32 bytes)的内存buf1
buf1 = HeapAlloc(hHeap, 0, BUFFLEN);
recv(sClient, buff, 4096, 0);
//注意：这里溢出的不是buff，而是buf1，
//buff是在栈中开辟的缓冲区，它的大小是4096，上面recv的也是4096，所以不会溢出
printf(\"recv1: %s\\n\", buff);
//将从客户端接受到的内容（即buff）拷贝到buf1中
//如果接受到的内容大于32字节将发生溢出
//这里错误的使用了COPYLEN(64 bytes)，因此造成溢出
memcpy(buf1, buff, COPYLEN);
//如果覆盖到HEAP中的管理结构，那么当再次动态分配内存时将可能被利用
buf2 = HeapAlloc(hHeap, 0, BUFFLEN);
recv(sClient, buff, 4096, 0);
printf(\"recv2: %s\\n\", buf2);
HeapFree(hHeap, 0, buf1);
HeapFree(hHeap, 0, buf2);
closesocket(sListen);
WSACleanup();
return 0;
}
整个程序很简单，监听在1500端口，先分配了32字节的buf1，并把客户端发送过来的内容的前64字节拷贝到buf1里，这里是由于错误的使用了宏而发生的溢出（应该用BUFFLEN，但用了COPYLEN），这种情况在实际中也是很容易发生的。这样当再分配buf2的时候就会有写内存的操作，使得我们可以利用这个漏洞。
现在我们就可以写个攻击程序来溢出它，并且控制改写任意4字节的内存。那么到底改写什么地方比较合适呢？我想来想去有4种地方可以改写，用来控制去执行我们的shellcode：
1.堆栈中保存的函数返回地址
2.堆栈中保存的的异常处理指针
3.线程默认异常处理指针（顶层异常处理指针）
4.线程环境块（TEB）
1和2都是保存在堆栈中的地址，因此在不同的系统中可能是不一样的，如果改写这两个地址的话虽然也可能成功，但是无法保证程序的通用性，从实际攻击的成功率的角度考虑，就不能用这两种地址。
3是线程默认异常处理指针（即顶层异常处理指针），它在同一版本的操作系统中是一个固定的值。这里稍微介绍一下Windows结构化异常处理的基本原理。Windows的结构化异常处理（SEH）是一种对程序异常的处理机制，它是按照链式层状结构进行处理的。当线程中发生异常时，操作系统首先找到线程环境块TEB指向的第一个内存单元（即fs:[0]）中所包含的地址，这个地址指向的地方存放着上一层异常链指针，而在这个地址+4的地方存放着最低层异常处理指针，操作系统就自动跳到这个指针所指向的函数去执行来进行异常处理。当这个函数无法对异常进行处理的时候，再根据上一层的异常链指针来寻找到上一层的异常处理指针来处理，如果所有的异常处理函数都无法处理这个异常，那么系统就使用默认异常处理指针（即顶层异常处理指针）来处理异常情况，就是这个函数：
LONG UnhandledExceptionFilter(STRUCT _EXCEPTION_POINTERS *ExceptionInfo);
这个函数负责显示一个错误对话框，来指出出错的原因，这就是我们一般的程序出错的时候显示错误对话框的原因。
我们可以通过SetUnhandledExceptionFilter这个函数来设置默认异常处理指针，把SetUnhandledExceptionFilter反汇编一下可以发现它非常简单：
LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER SetUnhandledExceptionFilter(
LPTOP_LEVEL_EXCEPTION_FILTER lpTopLevelExceptionFilter
)
.text:77E6BE11 SetUnhandledExceptionFilter proc near
.text:77E6BE11 mov ecx, [esp+lpTopLevelExceptionFilter]
.text:77E6BE15 mov eax, dword_77EBF44C
.text:77E6BE1A mov dword_77EBF44C, ecx
.text:77E6BE20 retn 4
.text:77E6BE20 SetUnhandledExceptionFilter endp
它所做的就只是把参数即用户指定的默认异常处理指针放入0x77ebf44c这个地址所指向的内存单元之中。然后UnhandledExceptionFilter在进行默认异常处理的时候就从0x77ebf44c中取出这个指针，然后跳到那里去执行。因此我们只要改写0x77ebf44c这个地址中的内容就可以改变默认异常处理的函数了，这个0x77ebf44c在同一版本（包括ServicePack版本）的系统当中应该是固定的（但是在一些系统中即使系统和SP的版本都相同，这个地址也不相同，不知道是为什么，可能是某些补丁修改了这个地址），在中文版Windows+SP2中就是0x77ebf44c，在别的版本中可能不一样，我写了个小程序来获取这个地址：
#include
#include
void main()
{
unsigned int sehaddr;
int *un;
HMODULE hk = LoadLibrary(\"KERNEL32.dll\");
un = (int *)GetProcAddress(hk,\"SetUnhandledExceptionFilter\");
_asm{
mov eax,un
add eax,5
mov ebx,[eax]
mov sehaddr,ebx
}
printf(\"the top seh: 0x%x\\r\\n\",sehaddr);
_getch();
return;
}
运行这个程序就可以获得你当前系统中存放默认异常处理的地址了。再回到我们HEAP溢出的问题上，我们可以通过改写默认异常处理来改变程序的流程，也就是改写0x77ebf44c这个内存单元的值为shellcode的地址。这是一个比较通用的方法，成功率也比较高。
还有一种方法是改写TEB即fs:[0]的地方，系统发生异常的时候会从这个地方取出最底层的异常链来进行异常处理，我们可以自己构造一个异常处理结构指向我们的shellcode，这样就可以达到控制程序流程的目的了，这个fs:[0]对于单线程的程序是比较固定的，但是对于多线程的不同线程会有所变化，所以还是不如改写默认异常处理好，因此我们最后决定改写默认异常处理的内存单元。
下面就是shellcode存放在哪里的问题了，我觉得这个问题没有通用的方法，要根据发生溢出的程序的情况而定，如果可以放在一个发生异常时有寄存器能够指向的地方那就是最完美的情况，这样就可以用一个系统DLL中有JMP EXX指令的地址来改写默认异常处理，其中EXX是指向shellcode的寄存器。但是这种情况似乎比较少见，一般shellcode也没办法放到这种位置上来，那就只能用shellcode的地址来直接定位，可以在shellcode前面放上大量NOP来提高成功率。对于前面那个漏洞程序，我们就使用shellcode的地址来改写默认异常处理的方法。
但是这里还有一个小问题，发生写内存操作的有两个指令：
77FCB397 mov [ecx], eax
77FCB399 mov [eax+4], ecx
这样不但会把shellcode地址写进默认异常处理地址中，也会把默认异常处理地址写进[shellcode地址+4]的内存单元当中，这样就把shellcode中要执行的指令给破坏了。要解决这个问题，我们可以用一个jmp 6这样的指令来代替nop，这样就能够跳过后面被破坏的字节。
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2007/8/12 16:27:00
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