awd pwn——LIEF学习

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1. 什么是LIEF

LIEF

是一个能够用于对各种类型的可执行文件（包括Linux ELF文件、Windows exe文件、Android Dex文件等）进行转换、提取、修改的项目，能够在Python、C++和C语言中调用其API进行简单便捷的可执行文件相关操作。

在AWD pwn中，我们常常需要对官方给出的ELF文件进行修补（称为Patch），当不能简单地通过在IDA中修改指令的方式patch时，就需要使用LIEF工具完成patch。

本文通过LIEF的官方文档对LIEF的python包进行学习与解释，并通过实例演示我们应该如何在AWD pwn中利用LIEF进行patch。

LIEF的安装方法与一般python包相同：

apt install lief

文档地址：文档

2. 加载可执行文件

在python中，可以通过调用 lief.parse() 函数加载一个可执行文件。如果输入的文件为ELF文件，则返回的对象为lief.ELF.Binary。

加载完成之后，假设返回的对象赋值给名为binary的变量，其有一个header字段，保存有该ELF文件的一些相关信息，包括程序的入口地址（binary.header.entrypoint）、程序运行的机器类型（binary.header.machine_type），这两个值都是可以直接修改的，如果将machine_type从ELF修改为exe，那么后续将这个对象输出，产生的可执行文件就是exe格式。通过对lief项目的python源码进行查看可知header中还保存有以下ELF文件的属性（列出部分较为重要的，其余可在lief/ELF/Header.py中查看）：

file_type：文件类型，表示该文件是一个可执行文件还是库文件还是其他文件。
header_size：ELF文件头部的长度。
identity：ELF的前几个字节的值，用于标识ELF类型。
identity_class：ELF程序的类型。
identity_data：数据表示方式（大端序或小端序）
numberof_sections：section（段）的数量
numberof_segments：segment（节）的数量（一个segment中包含至少一个section）

注：通过命令 objdump -x xxx.elf 也能够输出ELF的信息。

对象输出可以使用 binary.write(filename) 函数实现。

lief.ELF.binary对象也有一些属性可以查看，下面列出较为重要的（其余可在lief/ELF/binary.py中查看）

dtor_functions：析构函数列表。
functions：函数列表。
imagebase：ELF文件的加载基地址，在64位程序下，不开启PIE时Image Base=0x401000，开启后在程序开始执行前动态加载，地址不定。
is_pie：是否开启了PIE。
sections：段列表，迭代器。
segments：节列表，迭代器。
static_symbols：静态符号列表，迭代器。
strings：字符串列表，迭代器。
symbols：所有符号的列表，迭代器。
imported_functions：导入函数列表，即got表中的函数列表。

示例：

#include<stdio.h>intmain(){puts("Please input your name: ");char name[0x10];scanf("%s", name);puts("Hello, ");printf(name);return0;}

jupyter运行结果：

# inimport lief
binary: lief.ELF.Binary = lief.ELF.parse('./vuln')
header: lief.ELF.Header = binary.header

# inprint(hex(binary.entrypoint))print(hex(header.entrypoint))# out0x1080# _start的地址0x1080# inprint(header.numberof_sections)print(header.numberof_segments)# out3113# infor f in binary.functions:print(f)# out
_init --- 
_start - 
deregister_tm_clones - 
register_tm_clones - 
__do_global_dtors...- 
frame_dummy - 
main - 
_fini -# infor s in binary.sections:print(s)# out
                    NULL           
.interp             PROGBITS       
.note.gnu.property  NOTE           
.note.gnu.build-id  NOTE           
.note.ABI-tag       NOTE           
.gnu.hash           GNU_HASH       
.dynsym             DYNSYM         
.dynstr             STRTAB         
.gnu.version        HIOS           
.gnu.version_r      GNU_VERNEED    
.rela.dyn           RELA           
.rela.plt           RELA           
.init               PROGBITS       
.plt                PROGBITS       
.plt.got            PROGBITS
.text               PROGBITS       
.fini               PROGBITS       
.rodata             PROGBITS       
.eh_frame_hdr       PROGBITS       
.eh_frame           PROGBITS       
.init_array         INIT_ARRAY     
.fini_array         FINI_ARRAY     
.dynamic            DYNAMIC        
.got                PROGBITS       
.got.plt            PROGBITS       
.data               PROGBITS       
.bss                NOBITS         
.comment            PROGBITS       
.symtab             SYMTAB         
.strtab             STRTAB         
.shstrtab           STRTAB

# infor s in binary.segments:print(s)# out
PHDR              r--       
INTERP            r--       
LOAD              r--       
LOAD              r-x       
LOAD              r--       
LOAD              rw-       
DYNAMIC           rw-       
NOTE              r--       
NOTE              r--       
GNU_PROPERTY      r--       
GNU_EH_FRAME      r--       
GNU_STACK         rw-       
GNU_RELRO         r--

3. 修改ELF的symbols

通过binary.import_functions可以获取所有导入函数的列表，通过binary.import_symbols可以获取所有导入符号的列表。经过实际测试发现，只有import_symbols可以修改成功，而import_functions无法修改成功，原因未知。

修改ELF的symbols很简单，只需要遍历所有的symbols，找到你想要修改的symbols，修改其name为新的字符串即可。经过IDA反编译发现，修改后的输出与原ELF程序相比在结构上稍有不同，但不影响执行。

示例程序：

#include<stdio.h>#include<math.h>intmain(){puts("Input a number: ");double num;scanf("%lf",&num);printf("sin(x) = %f",sin(num));return0;}

脚本，功能是将上述程序中调用sin函数改为调用cos函数，也就是将导出符号中的sin修改为cos即可。这里需要注意如果遍历所有符号，会发现有一个符号是sin，还有一个符号是sin@Glibc_2.2.5，这里最好是将两个都替换一下，否则可能会产生未知的结果：

import lief

if __name__ =='__main__':
    binary: lief.ELF.Binary = lief.ELF.parse('./newvuln')
    header: lief.ELF.Header = binary.header
    for s in binary.imported_symbols:if'sin'in s.name:
            original_name = s.name
            s.name = s.name.replace('sin','cos')print(original_name +" -> "+ s.name)else:print(s.name)
    binary.write('./newvuln')

执行脚本后执行两个可执行文件，就会发现输出的结果已经发生了改变。

在官方文档中，给出的实例是修改libm.so.6即math库的符号，将两个数学计算的函数的名称换了一下，这样当程序加载输出的新的libm.so.6时，使用这两个函数计算就会产生看似不合理的结果。这种替换可以误导攻击者。

4. ELF Hooking

在AWD pwn中，ELF hooking是一种常用的patch方法，hook的意思是，我们写一个新的函数，然后让原ELF执行某个函数时实际上执行这个函数。通过ELF hooking，我们可以有效修复很多的栈溢出漏洞和格式化字符串漏洞，对于read函数造成的栈溢出漏洞，可以首先在hook function中判断缓冲区的大小和输入长度的大小，如果有溢出风险，则修改输入长度大小为不大于缓冲区长度。

实际上hook函数替换了原来的函数，如果在hook函数中没有调用原来的函数，那么原来的函数就相当于永远都不会被调用。

这里使用官方文档中的示例理解。文档中实现的功能是hook一个数学函数exp(x)=e^x，使其返回x+1，因为hook函数要实现的功能与原函数的功能完全不同，且hook函数无需借助原函数就能够实现目标功能，因此可以直接返回x+1。

不过由于hook不会修改原函数，因此我们需要将hook function插入到原来的ELF中，这需要我们首先对hook函数进行编译生成二进制文件：

gcc -Os -nostdlib -nodefaultlibs -fPIC -Wl,-shared hook.c -o hook

然后使用binary.add函数将这个函数添加到ELF中，并设置hook。

import lief

libm = lief.parse("/usr/lib/libm.so.6")
hook = lief.parse("hook")

exp_symbol  = libm.get_symbol("exp")
hook_symbol = hook.get_symbol("hook")

code_segment = hook.segment_from_virtual_address(hook_symbol.value)
segment_added = libm.add(code_segment)

new_address = segment_added.virtual_address + hook_symbol.value - code_segment.virtual_address
exp_symbol.value = new_address

libm.write("libm.so.6")

分析一下上面的脚本：get_symbol函数返回lief.Symbol对象实例，其value属性对应该符号的地址。segment_from_virtual_address函数可通过传入的地址获取该地址所在的节（lief.Segment对象实例）。下面在libm中添加这个节，然后修改exp函数的地址到hook function的地址。

5. 修改got表

lief还能够通过修改got表实现对导入函数的替换。

与ELF hooking相同，我们同样需要创建一个函数用于替换导入函数。注意我们新创建的函数要写在一个单独的文件中，且编译时一定要加上开启PIE选项-fPIC，且不使用任何外部库文件。如果需要进行输入输出，可以通过系统调用实现，包含arch/x86_64/syscall.c函数即可。

通过binary.patch_gotplt函数能够实现对got表的替换。还是使用文档中的例子进行说明。

文档模拟了一个逆向题，假设现在要求用户输入一段字符串作为密码，只有密码正确才能进行后续关键操作。为了安全，程序会将用户的输入加密，然后与程序中保存的固定的密文进行比较。将用户密码与程序中保存的密文进行比较的函数为memcpy函数，如果程序是通过解密内含密文与用户输入的明文进行比较，那么memcpy在比较时就是明文与明文的比较，使用got表替换操作，让比较的双方输出即可获取正确的密码。

// compile: gcc -nostdlib -nodefaultlibs -fPIC -Wl,-shared hook.c -o hook#include"arch/x86_64/syscall.c"#definestdout1intmy_memcmp(constvoid* lhs,constvoid* rhs,int n){constchar msg[]="Hook memcmp\n";_write(stdout, msg,sizeof(msg));_write(stdout,(constchar*)lhs, n);_write(stdout,"\n",2);_write(stdout,(constchar*)rhs, n);_write(stdout,"\n",2);return0;}

import lief

crackme = lief.parse("crackme.bin")
hook    = lief.parse("hook")

segment_added  = crackme.add(hook.segments[0])
my_memcmp      = hook.get_symbol("my_memcmp")
my_memcmp_addr = segment_added.virtual_address + my_memcmp.value
crackme.patch_pltgot('memcmp', my_memcmp_addr)
crackme.write("crackme.hooked")

可以看到这里将memcpy函数的调用替换为自定义的函数。

6. 总结

本文介绍了python库LIEF在awd pwn中的运用方式。虽然其能够很方便地对程序进行修改，但还有一个很重要的操作其无法完成——直接修改汇编代码。想象这样的情景：官方提供了一个程序，这个程序有对栈缓冲区的输入操作，也有对堆缓冲区的输入操作。假设两者都使用了read函数，那么输入的长度就会明确提供给被调用方。考虑到堆中chunk头部有size字段，可以通过获取chunk的size字段来确定输入的最大长度，从而发现可能的缓冲区溢出风险，但栈缓冲区中并没有这样的size字段，因此可能需要写两个函数用于对read函数的替换。此时对于不同的read函数调用指令，我们可能需要将调用的目标地址指向两个不同的地址，这就不再LIEF的业务范围之内了。不过幸运的是，我们还可以使用功能更为强大的angr进行进一步的处理。不过考虑到LIEF便捷的API，当patch使用LIEF就可以完成时，我们也就不必使用angr库，这样可以在紧张的比赛环境中为我们争取到宝贵的时间。