CSAPP - LinkLab实验（阶段1-5）

LinkLab实验（阶段1-5）

官网：http://csapp.cs.cmu.edu/3e/labs.html

实验内容

每个实验阶段（共5个）考察ELF文件组成与程序链接过程的不同方面知识
阶段1：全局变量 <-> 数据节
阶段2：强符号与弱符号 <-> 数据节
阶段3：代码节修改
阶段4：代码与重定位位置
阶段5：代码与重定位类型

在实验中的每一阶段n（n=1,2,3,4,5…），按照阶段的目标要求修改相应可重定位二进制目标模块phase[n].o后，使用如下命令生成可执行程序linkbomb：
$ gcc -o linkbomb main.o phase[n].o [其他附加模块——见具体阶段说明]
正确性验证：如下运行可执行程序linkbomb，应输出符合各阶段期望的字符串：
$ ./linkbomb
$ 19210320303

实验材料

1. 实验数据
   学生实验数据包： linklab学号.tar
   数据包中包含下面文件：
   main.o：主程序的二进制可重定位目标模块（实验中无需修改）
   phase1.o, phase2.o, phase3.o, phase4.o, phase5.o：各阶段实验所针对的二进制可重定位目标模块，需在相应实验阶段中予以修改。
   解压命令：tar xvf linklab学号.tar
2. 实验工具
   readelf：读取ELF格式的各.o二进制模块文件中的各类信息，如节（节名、偏移量及其中数据等）、符号表、字符串表、重定位记录等
   objdump：反汇编代码节中指令并提供上述部分类似功能
   hexedit：编辑二进制文件内容

实验过程

目标：修改目标文件，使其输出学号。

阶段 1

1. 使用 readelf 查看 phase1.o，查找有关输出函数的内容

   执行 readelf -a phase1.o
   
   我们可以看出 puts 函数的参数是 g_data ，其重定向类型是绝对地址（ R_X86_64_32 ），其加数为 0x50 。我们只需要将 g_data 的内容修改为学号字符串，即可完成阶段一。

2. 查看 g_data 符号所在节
   

   OBJECT 说明 g_data 是一个全局变量，所以它应该在数据节 .data 中。

3. 查看数据节在全文中的偏移量
   

   所以 .data 节在全文的偏移量为 0x60

4. 计算 g_data 在全文中的具体位置

   根据计算公式
   

   可得 g_data 所在位置为 0x60+0x50=0xb0

5. 使用 hexedit 修改 g_data 为学号并保存
   

6. 链接并查看输出结果

   执行 gcc -o linkbomb1 main.o phase1.o -no-pie

   执行 ./linkbomb1
   

   成功输出学号。

阶段 2

1. 使用 readelf 查看 phase2.o，查找有关输出函数的内容
   

   从中可以看出 put 函数的参数是 g_myCharArray ，其加数为 0x50 ，重定向类型为绝对地址。

2. 查看符号表
   

   COM 表示 g_myCharArray 是一个未初始化的弱符号数组，其大小为 256 ，所以我们需要创建一个已初始化强符号的 g_myCharArray 来覆盖弱符号。

3. 创建 phase2_match.c 文件
   

   加数为 0x50 字节需要填充。

4. 编译 phase2_match.c 并链接，运行程序

   编译：运行 gcc -c phase2_match.c 生成 phase2_match.o 目标文件。

   链接：运行 gcc -o linkbomb2 main.o phase2.o phase2_match.o -no-pie

   运行 ./linkbomb2
   

   发现每个字符都被偏移了。为了方便我们编写一个程序来计算应该输入的结果，可手动计算偏移量得出结果。

5. 编写 crack.c 文件计算反偏移的字符串
   

6. 修改 phase2_match.c 中的学号为基准值
   

7. 编译 crack.c ，链接 linkbomb2，将 linkbomb2 的结果导出为 out，使用 out 运行 crack。

   编译 crack.c ：运行 gcc crack.c -o crack

   编译 phase2_match.c ：运行 gcc -c phase2_match.c

   链接 linkbomb2 ：运行 gcc -o linkbomb2 main.o phase2.o phase2_match.o -no-pie

   运行 linkbomb2 并将结果导出为 out ：./linkbomb2 > out

   运行 crack 程序 ： ./crack < out
   

8. 将结果覆盖 phase2_match.c 中的字符串
   

9. 编译链接运行 linkbomb2

   编译 phase2_match.c ：运行 gcc -c phase2_match.c

   链接 linkbomb2 ：运行 gcc -o linkbomb2 main.o phase2.o phase2_match.o -no-pie

   运行 linkbomb2 ：运行 ./linkbomb2
   

   成功输出学号。

阶段 3

1. 链接 linkbomb3 了解程序运行流程

   执行：gcc -o linkbomb3 main.o phase3.o -no-pie

   使用 gdb 进行调试
   

   发现程序流程并没有执行 puts 函数，而是执行了一个叫 do_phase3 的函数，所以我们需要查找可利用的代码，来完善 do_phase3 函数。

2. 查看 linkbomb3 中可利用的代码

   使用 objdump -d linkbomb3 查看：
   

   从中看出，myFunc2 函数的作用是从内存中取出某值放到 %rax 中，myFunc1 函数的作用是以 %rdi 为参数执行 puts 函数。所以我们的目标是在 do_phase3 中 call myFunc2 输出我们的学号。而我们可以修改的值在 myFunc1 ，所以我们的流程为：在 do_phase3 中按顺序写下

   call myFunc2
   mov %rax,%rdi
   call myFunc1
   

   然后找到 myFunc2 中的内存位置修改为学号。

3. 查找源代码文本位置
   使用 readelf -a phase3.o 查看 .text 节的偏移量
   
   使用 objdump -d phase3.o 查看 do_phase 填充代码地址
   
   所以 90 填充的起始地址是 0x40 + 0x31 = 0x71。

4. 构造写入代码
   我们要构造的代码为

   call myFunc2
   mov %rax,%rdi
   call myFunc1 
   

   其中 call 指令是相对寻址，myFunc 函数的地址为
   
   第一条 call 指令为 e8 xx xx xx xx ，占 5 个字节，结束地址为 0x31 + 0x5 = 0x36，所以距离 myFunc2 函数地址的相对距离为 0x1b - 0x36 = e5 ff ff ff，所以第一条 call 指令为 e8 e5 ff ff ff。
   第二条指令为 48 89 c7
   第三条指令为 e8 xx xx xx xx ，占 5 个字节，加上第二条指令的 3 个字节，所以结束地址为 0x36 + 0x3 + 0x5 = 0x3e ，所以距离 myFunc1 函数地址的相对距离为 0x0 - 0x3e = c2 ff ff ff ，所以第三条指令为 e8 c2 ff ff ff 。

5. 修改 phase3.o 的二进制，将构造的代码植入

   执行 hexedit phase3.o 从 0x71 开始写入我们构造的代码
   

6. 查看是否修改
   执行 objdump -d phase3.o查看 do_phase3 函数：
   
   成功修改源码。

7. 查看全局符号，查找 myFunc2 获取的数据的内存地址
   执行 readelf -a phase3.o 查看重定位符号
   所以数据从 .data 节+ 0x50 的位置获取的。查看 .data 节的起始地址：
   
   所以我们需要修改为学号的位置为 0x1a0 + 0x50 = 0x1f0 。

8. 修改 phase3.o
   

9. 链接并运行
   执行 gcc -o linkbomb3 main.o phase3.o -no-pie
   
   成功输出学号。

阶段 4

1. 查看 phase4.o 的 elf 文件，查看异常块
   
   发现 .text 的重定向节符号的偏移量都为 0 ，很明显不会出现多个符号覆盖同一地址的操作。所以这三个符号的偏移量缺失了。

2. 查看 phase4.o 的汇编代码，查看留空位置。
   执行 objdump -d phase4.o
   
   按文本位置，从上到下偏移量为 0x4 + 0x2 = 0x6 ，0xf + 0x2 = 0x11 ，0x18 + 0x1 = 0x19 。

3. 查看重定向 .text 节初始地址，修改偏移量。
   
   所以 .rela.text 的初始地址为 0x250。修改偏移量：
   

4. 查看修改
   
   成功修改。

5. 修改 puts 函数的参数为学号
   按文本顺序 .data + 0x0 的位置即参数位置。查看 .data 节的起始地址：
   修改 phase4.o 文件

6. 链接并运行程序

   执行gcc -o linkbomb4 main.o phase4.o -no-pie
   
   发现输出不全。

   我们使用 gdb 进行调试
   
   发现 temp 的值为 0x4d 。并非 .data + 0x10 位置上的值。

   我们查看符号表：
   
   发现 temp 的偏移量应该为 0x14 。

7. 修改 phase4.o 将 .data + 0x14 位置的值修改为 0x00 。

8. 重新链接并运行

   执行 gcc -o linkbomb4 main.o phase4.o -no-pie
   
   成功输出学号。

阶段 5

1. 链接并调试 linkbomb5
   执行 gcc -o linkbomb5 main.o phase5.o -no-pie
   查看值：
   
   发现这里是一个假的字符串，我们查看上面 0x404030 地址的值：
   发现这才是我们需要字符串。

2. 查看两个数据的重定向信息
   我们将两个偏移量交换。从上图可知重定向的初始地址为 0x340 。

3. 修改 phase5.o 文件

4. 重新链接并运行

   执行 gcc -o linkbomb5 main.o phase5.o -no-pie
   

5. 查找数据地址，修改内容为学号
   修改过后我们需要的字符串为 .data + 0x10 的位置，查看 .data 节初始地址：
   所以数据存放位置为 0x90 + 0x10 = 0xa0。

6. 修改 phase5.o 文件

7. 链接并运行程序

   执行 gcc -o linkbomb5 main.o phase5.o -no-pie
   
   成功输出学号。