(2022/1/17)Qiitaからhatenaに移行しました。
はじめに
この記事はアセンブリ言語に慣れることを目的としているため、かなり遠回りな解き方になっています。
セキュリティ・キャンプ2019 A【脆弱性・マルウェア解析トラック】問6
問題
以下にDebian 9.8（amd64）上で動作するプログラムflatteningのmain関数の逆アセンブル結果(1)とmain関数で使われているデータ領域のダンプ結果(2)があります。
このプログラムは、コマンドライン引数としてある特定の文字列を指定されたときのみ実行結果が0となり、それ以外の場合は実行結果が1となります。
この実行結果が0となる特定の文字列を探し、その文字列を得るまでに考えたことや試したこと、使ったツール、抱いた感想等について詳細に報告してください。
(*1)"objdump -d -Mintel flattening"の出力結果のうち、main関数の箇所を抜粋しました。
0000000000000530 <main>:
530: 48 8d 15 7d 03 00 00 lea rdx,[rip+0x37d] # 8b4 <_IO_stdin_used+0x4>
537: c7 44 24 f4 00 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x0
53e: 00
53f: 49 ba 9e fa 95 ef 92 movabs r10,0xedd5a792ef95fa9e
546: a7 d5 ed
549: 41 b9 cc ff ff ff mov r9d,0xffffffcc
54f: 90 nop
550: 8b 44 24 f4 mov eax,DWORD PTR [rsp-0xc]
554: 83 f8 0d cmp eax,0xd
557: 77 23 ja 57c <main+0x4c>
559: 48 63 04 82 movsxd rax,DWORD PTR [rdx+rax*4]
55d: 48 01 d0 add rax,rdx
560: ff e0 jmp rax
562: 66 0f 1f 44 00 00 nop WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
568: c7 44 24 f4 09 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x9
56f: 00
570: 8b 44 24 f4 mov eax,DWORD PTR [rsp-0xc]
574: 83 c1 01 add ecx,0x1
577: 83 f8 0d cmp eax,0xd
57a: 76 dd jbe 559 <main+0x29>
57c: b8 01 00 00 00 mov eax,0x1
581: c3 ret
582: 66 0f 1f 44 00 00 nop WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
588: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
58b: c7 44 24 f4 0c 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xc
592: 00
593: 44 0f b6 44 04 f8 movzx r8d,BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8]
599: eb b5 jmp 550 <main+0x20>
59b: 0f 1f 44 00 00 nop DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
5a0: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
5a3: 45 8d 1c 08 lea r11d,[r8+rcx*1]
5a7: c7 44 24 f4 0b 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xb
5ae: 00
5af: 44 30 5c 04 f8 xor BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8],r11b
5b4: eb 9a jmp 550 <main+0x20>
5b6: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
5bd: 00 00 00
5c0: 83 f9 07 cmp ecx,0x7
5c3: 0f 86 18 01 00 00 jbe 6e1 <main+0x1b1>
5c9: c7 44 24 f4 0d 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xd
5d0: 00
5d1: e9 7a ff ff ff jmp 550 <main+0x20>
5d6: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
5dd: 00 00 00
5e0: c7 44 24 f4 09 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x9
5e7: 00
5e8: 31 c9 xor ecx,ecx
5ea: e9 61 ff ff ff jmp 550 <main+0x20>
5ef: 90 nop
5f0: c7 44 24 f4 08 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x8
5f7: 00
5f8: 45 89 c8 mov r8d,r9d
5fb: e9 50 ff ff ff jmp 550 <main+0x20>
600: 83 f9 08 cmp ecx,0x8
603: 0f 85 73 ff ff ff jne 57c <main+0x4c>
609: c7 44 24 f4 07 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x7
610: 00
611: e9 3a ff ff ff jmp 550 <main+0x20>
616: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
61d: 00 00 00
620: 83 c1 01 add ecx,0x1
623: c7 44 24 f4 02 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x2
62a: 00
62b: e9 20 ff ff ff jmp 550 <main+0x20>
630: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
633: 80 7c 04 f8 00 cmp BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8],0x0
638: 0f 85 96 00 00 00 jne 6d4 <main+0x1a4>
63e: c7 44 24 f4 06 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x6
645: 00
646: e9 05 ff ff ff jmp 550 <main+0x20>
64b: 0f 1f 44 00 00 nop DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
650: 4c 8b 5e 08 mov r11,QWORD PTR [rsi+0x8]
654: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
657: c7 44 24 f4 04 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x4
65e: 00
65f: 45 0f b6 1c 03 movzx r11d,BYTE PTR [r11+rax*1]
664: 44 88 5c 04 f8 mov BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8],r11b
669: e9 e2 fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
66e: 66 90 xchg ax,ax
670: 83 f9 07 cmp ecx,0x7
673: 77 c9 ja 63e <main+0x10e>
675: c7 44 24 f4 03 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x3
67c: 00
67d: e9 ce fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
682: 66 0f 1f 44 00 00 nop WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
688: c7 44 24 f4 02 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x2
68f: 00
690: 31 c9 xor ecx,ecx
692: e9 b9 fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
697: 66 0f 1f 84 00 00 00 nop WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
69e: 00 00
6a0: 83 ff 02 cmp edi,0x2
6a3: 0f 85 d3 fe ff ff jne 57c <main+0x4c>
6a9: c7 44 24 f4 01 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x1
6b0: 00
6b1: e9 9a fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
6b6: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
6bd: 00 00 00
6c0: 4c 39 54 24 f8 cmp QWORD PTR [rsp-0x8],r10
6c5: 74 27 je 6ee <main+0x1be>
6c7: c7 44 24 f4 0e 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xe
6ce: 00
6cf: e9 7c fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
6d4: c7 44 24 f4 05 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x5
6db: 00
6dc: e9 6f fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
6e1: c7 44 24 f4 0a 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xa
6e8: 00
6e9: e9 62 fe ff ff jmp 550 <main+0x20>
6ee: 31 c0 xor eax,eax
6f0: c3 ret
6f1: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
6f8: 00 00 00
6fb: 0f 1f 44 00 00 nop DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
(*2)"objdump -s flattening"の出力結果のうち、セクション .rodata の内容を抜粋しました。
セクション .rodata の内容:
08b0 01000200 ecfdffff d4fdffff bcfdffff ................
08c0 9cfdffff 7cfdffff 6cfdffff 4cfdffff ....|...l...L...
08d0 3cfdffff 2cfdffff 0cfdffff ecfcffff <...,...........
08e0 d4fcffff b4fcffff 0cfeffff ............
とりあえず眺める
ぱっと眺めてみて気がついたことは、
- call命令がない(main関数のみで処理が完結している)
- そこら中に
jmp 550がある(ループしそう？)
- 560に
jmp raxがある(アドレスではなくレジスタの値が参照されている、謎)
08b0,08c0,80d0,08e0のそれぞれ0~eまでのメモリダンプ- 1行目530のコメントアウトはメモリダンプと関係してそう(8b4)
- 581と6f0にret命令
これくらいでした。
あまりにもjmp 550が多いことから、このプログラムは550からの処理にすべての愛を捧げていると判断したので、まずは550から読んでいきます。
550からの処理
まずeaxにDWORD PTR[rsp-0xc]の値を代入し、eaxと0xdをcmpで比較しています。537でDWORD PTR[rsp-0xc]に0x0を代入していることから、初回の処理のeaxの値は0x0であるとわかります。その後557でja命令、つまりeax>0xdとなった場合に57cへジャンプします。
※57cからの処理は次のプロットで記述します。
ja命令について
この問題はjaのような条件付きジャンプ命令が頻出するので、曖昧な方は復習するといいかもしれません。よかったらこちらの記事をどうぞ。
DWORD PTRについて
DWORDは4byteとしてデータを扱うことを意味しています。ptrはデータの型を指定する演算子です。他にもWORD,QWORDなどが出てきます、下の表を参考にしてみてください。
| Name |
Byte |
Bit |
| BYTE |
1 |
8 |
| WORD |
2 |
16 |
| DWORD |
4 |
32 |
| QWORD |
8 |
64 |
57cへジャンプしなかった場合(eax<0xdだった場合)、559でDWORD PTR[rdx+rax*4]の値を64bitに拡張(movsxd)してraxに代入します。その後rdx+raxをraxに格納し、560でraxに格納されているアドレスへジャンプします。よってraxはループの度に値が変わり、それをもとに560で様々なアドレスへjmpしていると考えられます。
ret命令(57cからの処理)
57cからの処理を見てみましょう。57cではeaxに0x1が代入され、581でretされています。eaxは一般的に関数の返り値として使われるレジスタなので、57cに飛んでしまうと返り値が1、つまり問題文の「それ以外の実行結果」になってしまいます。よって、57cにジャンプしないためにはeax<0xdである必要がある、すなわちeaxに0xe,0xfの値を代入しては行けないということがわかります。(16進数におけるdより大きな数はeとf)
もう1つのret命令を見ていきます。6f0の直前の6eeではxor eax,eax、すなわちeaxに0が格納されています。私は最初なぜ0が格納されるのか理解できなかったので、メモしておきます。
xor命令について
xor命令は論理演算といわれる命令の１つで、排他的論理和と言います。
xor A,Bのとき
2つのデータが等しい(真)であれば0,等しくなければ1を格納します。
xor eax,eaxの場合AとBは等しいので、eaxに0が格納されます。
詳しくはこちらをどうぞ
先程説明した通りeaxは関数の返り値であるとすると、6eeにジャンプできればゴールが見えますね。6eeにジャンプするような命令を探すと、6c5に1つだけ該当するものがあります。
6c0: 4c 39 54 24 f8 cmp QWORD PTR [rsp-0x8],r10
6c5: 74 27 je 6ee <main+0x1be>
QWORD PTR [rsp-0x8]とr10の値が等しければ6eeにジャンプできることがわかります。
raxを求める
この問題ではこのraxの演算が肝なので、ここでしっかり触れておきます。もう一度raxの部分の処理を見てみましょう。
559: 48 63 04 82 movsxd rax,DWORD PTR [rdx+rax*4]
55d: 48 01 d0 add rax,rdx
560: ff e0 jmp rax
559でDWORD PTR[rdx+rax*4]の値を64bitに拡張(movsxd)してraxに代入しますが、rdxが初見ですね。どこかでrdxに対する処理があるはずなので、これより上の処理を見てみましょう。すると、一行目に[rip+0x37d]の値がrdxに格納されていることがわかります。
530: 48 8d 15 7d 03 00 00 lea rdx,[rip+0x37d] # 8b4 <_IO_stdin_used+0x4>
ここで、コメントアウトされている8b4ってrip+0x37dなんじゃね？と悟ります。試しに0x8b4-0x37d=ripを求めると0x537(530の次の行のアドレス)になるため、rip+0x37d=0x8b4=rdxとして話を進めます。本当は同じ挙動プログラムを作りデバックするなりして検証するのが一番良いと思われます。冒頭の気づきにも書いたように、メモリダンプを見てみると、0x8b4が参照するデータは0xecだということがわかります。しかしここで1つ疑問が浮かびます。
このときrdxには0x8b4と0xec、どちらが格納されるのでしょうか？
答えは0x8b4です
私はここでつまづいたので、備忘録のためにも詳しく書いておきます。
lea命令とmov命令の違い
端的に表すと、
- leaは演算結果のアドレスをそのまま格納
- movは演算結果のアドレスが参照するデータを格納
つまり、leaはメモリアクセスを行わず、movはメモリアクセスを行う命令だということです。
ややこしいですが、慣れるしかありませんね。詳しくはこちらをどうぞ
ということで、rdxが0x8b4だということがわかりました。話を559の処理に戻します。
次にraxの値ですが、先述したようにDWORDは4byte(32bit)のデータとして扱うことを意味しているので、raxの下位4byte(32bit)、つまりeaxの値を扱うことになります。537,550の処理を踏まえるとeaxは0であることがわかりますね。
この図の通りです。ソースはこちら
ということで559の処理はrdx = 0x8b4, rax = 0となるのでDWORD PTR [0x8b4+0*4] = 0x8b4となります。しかし、ここでraxに格納されるのは0x8b4ではありません。上記の通り、movはメモリアクセスを行うので0x8b4が参照するメモリダンプのデータを4byte分(DWORD)格納することになります。つまり0x8b4,0x8b5,0x8b6,0x8b7が指すデータなので、rax=0xfffdecとなります。(リトルエンディアンに注意！)
そして、55dで0xfffdec+0x8b4=0x6a0=raxとなり、jmp先は6a0となります。
6a0からの処理はediと0x2を比較し、値が等しくない場合に57cへジャンプするようになっています。この比較命令はコマンドライン引数の個数が1つであることを示していますが、その検証は今回は省きます。ジャンプしなかった場合はDWORD PTR [rsp-0xc]に0x1が代入され、550にjmpします。
ここで、
mov DWORD PTR [rsp-0xc],0x0
の処理が0x0から0xeまでjmp 550間に1つ行われていることに気が付きました。
550でDWORD PTR [rsp-0xc]の値はeaxに代入され、554のcmpでeax>0xdとなると57cに飛ばされてしまいます。よって、6c7にはジャンプしてはいけないということがわかりました。
6c7: c7 44 24 f4 0e 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xe
jmp! jmp! jmp!
そしてここから、
550からの処理でraxを求める(rdxは固定値)
↓
jmp raxでアドレスにジャンプ
↓
飛んだ先で処理をしてjmp 550で帰ってくる
を繰り返していきます。以下はこの一連の動作を1回とし、計14回(eax=0x0~0xd)のループ(アドレスと処理)についてまとめたものです。
DWORD PTR [rdx+rax*4](以下D)の値,jmp raxの値,eaxの値,jmp先の処理
という形式とします。
1: 8b4,6a0,0x0
edi≠0x2のとき57cへジャンプ(返り値1)
edi=0x2のときeax=0x1
2: 8b8,688,0x1
eax=0x2 ecx=0(xor ecx,ecx)
3: 8bc,670,0x2
ecx>0x7のとき63eへジャンプ。それ以外のときはeax=0x3
※63eの処理 eax=0x6
4: 8c0,650,0x3
rax=ecx eax=0x4 BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8]=r11b
5: 8c4,630,0x4
r11b≠0のとき6d4へジャンプ r11b==0ときはeax=0x6;
※6d4の処理 eax=0x5
6:8c8,620,0x5
ecx+=0x1; eax=0x2;
7:8cc,600,0x6
ecx≠0x8のとき57cにジャンプ(返り値1) ecx=0x8のときeax=0x7
8:8d0,5f0,0x7
eax=0x8 r8d=0xffffffcc
※549よりr9d=0xffffffccであるから
9:8d4,5e0,0x8
eax=0x9 ecx=0
10:8d8,5c0,0x9
ecx<=0x7のとき6e1へジャンプ それ以外のときはeax=0xd
※6e1の処理 eax=0xa
11:8dc,5a0,0xa
rax=ecx r11d=[r8+rcx1]; eax=0xb
BYTE PTR[rsp+rax1-0x8] xor r11b
12:8e0,588,0xb
rax=ecx eax=0xc r8d=BYTE PTR[rsp=rax*1-0x8]
13:8e4,568,0xc
eax=0x9 ecx+=0x1
eax<=0xdのとき559にジャンプ それ以外のときはeax=0x1(返り値1)
※559の処理は10:と同様(eax=0x9であるため)
14:8e8,6c0,0xd
引数==r10のとき6eeにジャンプ 引数≠r10のときはeax=0xe(返り値1)
※6eeの処理 eax=0 ret(返り値0)
順に要点をまとめていきましょう。
プログラムの全体の流れは、
1→コマンドライン引数の個数の確認(1つ以外は返り値1)
2→ecx=0を格納
3~6→ループによって引数を1文字づつスキャンしメモリに格納
7→文字数の判定(8byte以外は返り値1)
8→r8d=0xffffffcc
9→ecx=0を格納
10~13→ループによって引数を1文字づつ引数を演算
14→演算結果がr10と等しいとき返り値に0
となります。このプログラムにおいて重要な処理は3~6,10~13なので、以下に詳しく記します。
3~6の処理
3~6のループは6でeax=0x2が格納され、次の550からの演算で3にジャンプする仕組みになっています。このループから抜け出すパターンは2つ。3でecx>7を満たし63eにジャンプするパターンと、BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8]==0を満たしeax=0x6を格納させるパターンです。6は処理が行われる度にecxはインクリメントされているので、9回目のループで抜け出せることがわかります。(ecx=0x0~0x8)。
重要なのは4の下記の部分です。
650: 4c 8b 5e 08 mov r11,QWORD PTR [rsi+0x8]
654: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
:
65f: 45 0f b6 1c 03 movzx r11d,BYTE PTR [r11+rax*1]
664: 44 88 5c 04 f8 mov BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8],r11b
前述したようにrsiレジスタが使われていることから、r11には引数が格納されていると予想できます。eaxはインクリメントされているため、raxの値もループする度に0x1加算されます。これにより65f,664の演算も0x1づつ変化し、BYTE PTRとしてデータを扱っていることから、引数の文字列を1文字づつスキャンし格納していると考えることができます。
レジスタについて(64bit Linuxの場合)
汎用レジスタのr10,r11は自由に使っていいレジスタで、特に使用に制限がありません。ちなみにr8,r9は引数を入れるレジスタとして使われます。
ここでr11d,r11bレジスタはr11の下位4byte(DWORD)、下位1byte(BYTE)のことを表しています。ここをおさえないと10~13の処理を理解する上でつまづきます(つまづきました)。d,w,bは頭文字をとっていることを頭に入れておくといいかもしれません。
10~13の処理
10~13のループでは13の568でeax=0x9となり、577でeax<=0xd(eax=0x9なので必ずtrueになる)のとき559にジャンプ、559でeax=0x9として演算されるため10に戻る仕組みになっています。
10の処理を見ると、ecx<=0x7のときは6e1へジャンプします。6e1ではeax=0xaが格納され、11に移動します。9の5e8でecx=0が代入されていること、13の574でecxがインクリメントされていることから、8回目のループで抜け出せることがわかります。6e1へのジャンプを回避すると5c9でeax=0xdとなり、14に移ることができます。
続いて11,12です。ここが最も重要です。
5a0: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
5a3: 45 8d 1c 08 lea r11d,[r8+rcx*1]
5a7: c7 44 24 f4 0b 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xb
5ae: 00
5af: 44 30 5c 04 f8 xor BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8],r11b
rax=ecxとなるためループ毎にraxもインクリメントされていくことがわかります。次のlea命令は、r8+rcx*1の演算結果のアドレスがr11dに格納されます。r8d=0xffffffcc(r8dはr8の下位4byte)、rcxの初回の値は0(ecxはrcxの下位4byte)なのでr11dには0xffffffccが格納されていることがわかります。eaxに0xbを代入した後、r11b(r11dの下位1byte)と入力された引数の文字列とでxor演算を行っています。1byteはすなわち1文字分です。
588: 48 63 c1 movsxd rax,ecx
58b: c7 44 24 f4 0c 00 00 mov DWORD PTR [rsp-0xc],0xc
592: 00
593: 44 0f b6 44 04 f8 movzx r8d,BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8]
rax=ecxとなるためこちらもループ毎にraxがインクリメントされていきます。eaxに0xcを代入したのち、r8dに11でxorされた演算結果が格納されます。movzxは、BYTE PTR [rsp+rax*1-0x8]では足りないr8dのbitを0で埋める命令です。
答え
10~13のループにより引数を1byteづつ、計8回xorで演算した結果がQWORD PTR [rsp-0x8]に格納されます。14よりその値がr10、すなわち0xedd5a792ef95fa9e(53fより)と等しければ返り値0となります。
つまりr10を1byteづつに区切り、初回のr11bの値をもとに計算式を立てると以下のようになります。
引数の1文字目 xor 0xcc(r11b) = 0x9e(r10)
r11bはr11d下位1byte、つまり0xffffffccの下位1byteなので0xccとなります。
r10はリトルエンディアンを考慮し1byteづつに区切ると、先頭から0x9e,0xfa,0x95,0xef,0x92,0xa7,0xd5,0xed
となります。
引数の1文字目 xor 0xcc(r11b) = 0x9e(r10)より
引数の1文字目 = 0xcc xor 0x9e = 0x52
0x52はasciiコードで'R'を意味するので頭文字はRであることがわかりました。
これ以降は、raxがインクリメントされていることに注意し、r10のデータに加算して計算します。すると
2(文字目) xor 0x9f = 0xfa
3 xor 0xfc = 0x95
4 xor 0x98 = 0xef
5 xor 0xf3 = 0x92
6 xor 0x97 = 0xa7
7 xor 0xad = 0xd5
8 xor 0xdc = 0xed
となり、1文字目から8文字目までの文字を順に並べると
Reiwa0x1となります！
exploitコードは以下です。
