【软件与系统安全】堆溢出

一、堆溢出前置知识

堆与栈的区别：

• 栈是有硬件直接支持的（CPU）
• 栈存储数据、控制流信息
• 堆是由操作系统的库函数支持的
• 堆存储数据

分配器 glibc malloc 分配器
起初数据段之上是没有堆的，进程运行在栈上；malloc才创造堆

多线程情况下arena的分配
主线程分配arena，线程1、2分别分配arena，那么线程3需要需要重复使用已经分配好的arena

分配器循环遍历arena，如果lock成功（也就是有线程如果没有使用堆空间），那么该线程的arena供线程3使用。若没有找到可用arena，则将线程3阻塞，直到找到可用的位置。
（个人思考： 所以对于多线程编程，是一定要及时free堆空间的，否则内存泄露，有线程会一直阻塞？）

arena、heap、trunk的关系

对于thread arena, 可以维护多个堆，每个堆都有自己的堆header

对于main arena，不必维护多个堆，也就无需heap_info，因为空间耗尽的时候用brk扩展空间，直到碰到内存映射段。不必像thread arena使用mmap

一个堆可以划分为多个trunk

还未进化的堆块设计

allocated trunk的格式

padding用来对齐，整个chunk大小为9的整数倍

free chunk的格式

可以看出，很普通，结构上是一样的，通过标志位p来区分chunk有没有被分配。chunk size（第三位标志位）+payload/free area
将chunk堆起来就行了。 结构叫做隐式链表，该链表隐式地由每个chunk的size字段连接（这样得到了边界）。在进行分配操作的时候，堆内存分配器遍历整个堆内存的chunk，分析chunk的size字段，找到合适的chunk。
缺点
效率很低，在内存回收方面，难以对多个相邻的free chunk进行合并操作。 内存碎片多

进化后的堆块设计（带边界标记的chunk合并技术）

怎么合并？

向前合并 （需要边界标记）

free area的头部、尾部都要记录chunk size。
通过这个foot，当前这个chunk可以知道上一个chunk的大小（为头部的前4个字节处），然后就知道上一个chunk的起始位置和分配状态，加以合并。

缺点： 头部+首部开销，对于频繁的小内存的申请和释放操作会造成很大的性能损耗。 对于前一个chunk是allocated chunk（也就是当前chunk标志位p=1），不需要这个foot。

三个标志位
N non main arena
M 当前chunk是否为mmap得到的
P 前一个chunk是否被分配了（分配了那么上一个无foot，不需要合并）

想要知道当前chunk有无被分配，那需要查询下一个chunk size字段。

M、N就是用于满足多线程的标志需求（non main arena？ is_mmapped？）

再进一步
不需要foot！

将foot移到下一个的首部，存放前一个chunk的大小！（这样就能合并前一个了）

对于空闲chunk，还有fd，bk，使用显示链表bin，加快内存分配和释放效率

now：

pre chunk size：
前一个chunk空闲，则表示前一个chunk的大小；不空闲，则填充前一块用户数据

bin——记录free chunk的链表数据结构

一共136个

• fast bins
  10个（由fastbinY数组记录所有fastbin） 16-80字节
• bins
  第一个为unsorted bin(刚free不确定大小和频繁调用的chunk)，bin2-63 为small bin（<512B），64-126为large bin

fast bin

chunk 大小：8 字节递增。 fast bins 由一系列所维护 chunk 大小以 8 字节递增的 bins 组成。也即，fast bin[0] 维护大小为 16 字节的 chunk、fast bin[1] 维护大小为 24 字节的 chunk。依此类推…… 指定 fast bin 中所有 chunk 大小相同；

在 malloc 初始化过程中，最大的 fast bin 的大小被设置为 64 而非 80 字节。因为默认情况下只有大小 16 ~ 64 的 chunk 被归为 fast chunk 。
无需合并 —— 两个相邻 chunk 不会被合并。虽然这可能会加剧内存碎片化，但也大大加速了内存释放的速度！
（与上一part的隐式链表做对比！）

对于fastbin，malloc和free的chunk类似于栈； 是单链表，一条链表中所有chunk大小都相等

bins

是循环双链表
每个small bin也是一个由对应free chunk组成的循环双链表。第一个small bin中chunk大小为16字节，后续每个small bin中chunk的大小依次增加8字节，即最后一个small bin的chunk为16 + 61*8 = 508字节。
大于512字节的chunk称之为large chunk，large bin就是用于管理这些large chunk的。第一个large bin中chunk size为512~575字节，第二个large bin中chunk size为576 ~ 639字节。紧随其后的16个large bin依次以512字节步长为间隔；之后的8个bin以步长4096为间隔；再之后的4个bin以32768字节为间隔；之后的2个bin以262144字节为间隔；剩下的chunk就放在最后一个large bin中。
鉴于同一个large bin中每个chunk的大小不一定相同，因此为了加快内存分配和释放的速度，就将同一个large bin中的所有chunk按照chunk size进行从大到小的排列：最大的chunk放在链表的front end，最小的chunk放在rear end。

Top chunk

一个chunk处于arena的最顶部 ，就是top chunk，不属于任何bin

在所有free chunk都没法满足申请的内存大小时候，切割使用。

切割需要的，留下一部分成为新的topchunk

如果还是不够，那需要sbrk扩展heap，或者用mmap分配新的heap

二、堆溢出

攻击fastbin

看了半天。

buf0=malloc(32)
buf1=malloc(32)

free(buf1)
free(buf0) //用的是尾插，此时fastbin[i]的rear指向chunk0

buf0=malloc(32) //此时buf0用的是chunk0, rear指向chunk0->fd,也就是chunk1
read(buf0) //进行溢出，使得溢出到chunk0的fd（AAAA）
buf1=malloc(32) //chunk1被分配，此时rear指向chunk1->fd,也就是溢出得到的AAAA
buf2=malloc(32) // “虚假的”chunk被分配
read(buf2) //控制buf2所在内存

攻击利用：
AAAA替换为any_address-8 （虚假chunk的头地址）

并在这个地址处伪造一个presize=0，size=0x29的堆块，则能够控制malloc返回值，结合后面的read实现任意地址写

攻击unlink

unlink：P指的删除

几个概念
向后合并
将prev free chunk合并到当前free chunk，叫做向后合并。
将前一个合并后，删除
向前合并
将后面free chunk合并到当前，叫做向前合并。
需要检测的是next chunk是不是free。 检查标志位next-> next.P
合并，删除。

利用：（原理有书读了再补）
fd =free函数got表地址-12
bk=shellcode地址

Use After free

（sc版ppt）对buf1进行写，还会影响buf2/3
个人理解： 对buf2写，影响buf1这个指针所指的地址

double free

堆块分配和释放：
堆空间管理本质上是对bin链表的维护；
堆块释放后，原本指向它的指针不销毁；结果是指针悬空，指针指向了未使用的内存，但仍然可以引用该空间

（堆空间是由用户管理，而不是系统，因此不安全）

double free释放重引用漏洞的一个特例

一般流程：（重要）

1. 申请一段空间，将其释放但不将指针置空（p1）
2. 申请空间p2，由于malloc分配的过程使得p2指向的空间为刚刚释放的p1指针空间
3. 构造恶意的数据将p2指向的内存空间布局好（即覆盖p1中的数据）
4. 利用p1