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1. ptrace() Injection de code Applications pratiques Playing with ptrace() for fun and profit Injection de code sous GNU/Linux Nicolas Bareil nicolas.bareil@eads.net EADS Corporate Research Center - DCR/STI/C SSI Lab SSTIC 2006 Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
2. ptrace() Injection de code Applications pratiques Il ´ etait une fois. . . Sous UNIX, ptrace() est le seul moyen de debuggage. User-space, Interface rigide et minimaliste, Privil` ege root non n´ ecessaire, ´ El´ eguant ; D’apr` es la page de manuel de SunOS ptrace() est unique et myst´ erieux. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
3. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Plan 1 ptrace() 2 Injection de code 3 Applications pratiques Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
4. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage man ptrace Prototype #include <sys / ptrace . h> long ptrace (enum ptrace request request , pid t pid , void ∗addr , void ∗data ) ; Trois modes de tra¸ cage : Mode pas ` a pas, Par appel syst` eme, Tra¸ cage passif ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
5. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Actions classiques, document´ ees Requˆ ete Signification PTRACE_TRACEME PTRACE_ATTACH Attachement ` a un processus PTRACE_DETACH PTRACE_PEEKTEXT PTRACE_PEEKDATA Lecture m´ emoire PTRACE_PEEKUSR PTRACE_POKETEXT PTRACE_POKEDATA ´ Ecriture m´ emoire PTRACE_POKEUSR PTRACE_GETREGS Lecture des registres PTRACE_SETREGS ´ Ecriture des registres Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
6. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Manipulation des signaux Signaux & ptrace() Un processus trac´ e est stopp´ e ` a la r´ eception de chaque signal. Pour le tra¸ ceur, l’arrˆ et semble ˆ etre dˆ u ` a un SIGTRAP. L’option PTRACE_GETSIGINFO permet d’en connaˆ ıtre plus sur la raison de la notification. typedef struct siginfo { int si_signo ; /* num´ ero de signal */ int si_errno ; int si_code ; /* provenance : user ? kernel ?*/ ... } siginfo_t ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
7. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Manipulation des signaux Signaux & ptrace() Un processus trac´ e est stopp´ e ` a la r´ eception de chaque signal. Pour le tra¸ ceur, l’arrˆ et semble ˆ etre dˆ u ` a un SIGTRAP. L’option PTRACE_GETSIGINFO permet d’en connaˆ ıtre plus sur la raison de la notification. typedef struct siginfo { int si_signo ; /* num´ ero de signal */ int si_errno ; int si_code ; /* provenance : user ? kernel ?*/ ... } siginfo_t ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
8. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Manipulation des signaux Signaux & ptrace() Un processus trac´ e est stopp´ e ` a la r´ eception de chaque signal. Pour le tra¸ ceur, l’arrˆ et semble ˆ etre dˆ u ` a un SIGTRAP. L’option PTRACE_GETSIGINFO permet d’en connaˆ ıtre plus sur la raison de la notification. typedef struct siginfo { int si_signo ; /* num´ ero de signal */ int si_errno ; int si_code ; /* provenance : user ? kernel ?*/ ... } siginfo_t ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
9. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Protection anti-ptrace() int s tayal i ve ; void trapcatch ( int i ) { s tayal i ve = 1; } int main( void ) { . . . s tayal i ve = 1; signal (SIGTRAP, trapcatch ) ; while ( s tayal i ve ) { s tayal i ve = 0; k i l l ( getpid () , SIGTRAP) ; do the work ( ) ; } . . . Anti-ptrace() Protection bas´ ee sur le fait qu’un debugger classique ne peut pas diff´ erencier les signaux envoy´ es par le noyau ou par l’utilisateur. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
10. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Anti-anti-ptrace() Deux moyens de d´ eterminer l’origine du SIGTRAP : Manuel, fastidieux, non-portable Mode pas-` a-pas ? =⇒ bit single-step du processeur, Arrˆ eter par point d’arrˆ et mat´ eriel ? =⇒ registres de debuggage ; Dans un appel syst` eme ? ´ El´ egant, portable, classe quoi Utiliser ptrace(PTRACE_GETSIGINFO, pid, NULL, &sig). =⇒ sig.si_code == SI_USER ? Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
11. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Options de tra¸ cage : suivi des enfants Probl` eme de fork() Solution basique : 1 ` A l’appel ` a fork(), on surveille le code de retour, =⇒ on r´ ecup` ere ainsi le PID du fils 2 On s’attache au nouveau processus, 3 On se met ` a le tra¸ cer ; Pwned ! Race condition detected ! Le scheduler peut laisser le fils ex´ ecuter des instructions avant de rendre la main au traceur. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
12. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Options de tra¸ cage : suivi des enfants Probl` eme de fork() Solution basique : 1 ` A l’appel ` a fork(), on surveille le code de retour, =⇒ on r´ ecup` ere ainsi le PID du fils 2 On s’attache au nouveau processus, 3 On se met ` a le tra¸ cer ; Pwned ! Race condition detected ! Le scheduler peut laisser le fils ex´ ecuter des instructions avant de rendre la main au traceur. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
13. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Follow me ! Les options PTRACE_O_TRACEFORK & Co servent ` a r´ egler ce probl` eme : Attachement automatique au fils, Le noyau met le fils en ´ etat STOPPED avant mˆ eme qu’il soit d´ eclar´ e RUNNABLE. ptrace (PTRACE SETOPTIONS, pid , NULL, PTRACE O TRACESYSGOOD) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
14. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Acc` es ` a l’espace d’adressage Lecture d’un mot m´ emoire errno = 0; ret = ptrace (PTRACE PEEKTEXT, pid , targetaddr ,NULL) ; i f ( errno && ret == −1) { perror ("ptrace_peektext()" ) ; return 1; } Lecture de plusieurs octets char buf [BUFMAX] ; int fd = open("/proc/pid/mem" , O RDONLY) ; pread ( fd , buf , BUFMAX, offset ) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
15. ptrace() Injection de code Applications pratiques Prototype Options non document´ ees Acc` es ` a l’espace d’adressage Acc` es ` a l’espace d’adressage Lecture d’un mot m´ emoire errno = 0; ret = ptrace (PTRACE PEEKTEXT, pid , targetaddr ,NULL) ; i f ( errno && ret == −1) { perror ("ptrace_peektext()" ) ; return 1; } Lecture de plusieurs octets char buf [BUFMAX] ; int fd = open("/proc/pid/mem" , O RDONLY) ; pread ( fd , buf , BUFMAX, offset ) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
16. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Plan 1 ptrace() 2 Injection de code 3 Applications pratiques Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
17. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme O` u injecter les instructions ? Objectifs Discr´ etion, Stabilit´ e, Portabilit´ e ; Les candidats sont : La pile, Padding des sections ELF, N’importe o` u ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
18. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Injection n’importe o` u On ´ ecrit directement sur les instructions point´ ees par eip. 1 Sauvegarde des octets d’eip, 2 ´ Ecrasement par nos instructions, 3 Red´ emarrage du processus (PTRACE_CONT), 4 Restauration des anciennes instructions ; Papa, r´ eveille toi ! k i l l (SIGTRAP, getpid ( ) ) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
19. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Injection n’importe o` u On ´ ecrit directement sur les instructions point´ ees par eip. 1 Sauvegarde des octets d’eip, 2 ´ Ecrasement par nos instructions, 3 Red´ emarrage du processus (PTRACE_CONT), 4 Restauration des anciennes instructions ; Papa, r´ eveille toi ! k i l l (SIGTRAP, getpid ( ) ) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
20. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Injection dans la pile mov ebx, 1 add eax, 4 cmp eax, 42 esp eip Fig.: Avant l’injection add eax, 4 cmp eax, 42 Code injecté esp eip ret ... ... mov ebx, 1 Fig.: Apr` es injection Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
21. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Injection dans la pile add eax, 4 cmp eax, 42 Code injecté ret ... ... mov ebx, 1 eip old eip eip est sauvegard´ e sur la pile, eip pointe sur *esp, Le shellcode se termine par un return =⇒ Retour aux instructions normales ; Pr´ ecautions =⇒ La pile doit ˆ etre ex´ ecutable ! Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
22. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Interruption d’un appel syst` eme L’injection de code dans un processus interrompu dans un appel syst` eme peut poser des probl` emes en fonction de leurs natures : Non-interruptibles, Interruptibles, pour les appels syst` eme lent Red´ emarrable manuellement (code de retour ´ egal ` a EINT), Red´ emarrable automatiquement par le noyau ; Sh*t happens. . . Le red´ emarrage automatique est le cas le plus probl´ ematique car l’injecteur n’a aucun contrˆ ole sur le noyau. =⇒ D´ ecr´ ementation d’eip de 2 octets. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
23. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Interruption d’un appel syst` eme L’injection de code dans un processus interrompu dans un appel syst` eme peut poser des probl` emes en fonction de leurs natures : Non-interruptibles, Interruptibles, pour les appels syst` eme lent Red´ emarrable manuellement (code de retour ´ egal ` a EINT), Red´ emarrable automatiquement par le noyau ; Sh*t happens. . . Le red´ emarrage automatique est le cas le plus probl´ ematique car l’injecteur n’a aucun contrˆ ole sur le noyau. =⇒ D´ ecr´ ementation d’eip de 2 octets. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
24. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Shellcode : Le bon, la brute et le truand Le truand Toujours pr´ ec´ eder votre shellcode de deux octets inertes (NOP) et faire pointer eip sur &(shellcode+2). La brute Faire les mˆ emes v´ erifications que le noyau avant d’injecter. =⇒ V´ erifier orig eax et eax. Le bon Utiliser l’option ad´ equate de ptrace() : PTRACE_O_SYSGOOD. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
25. ptrace() Injection de code Applications pratiques O` u placer les instructions ? Interruption d’appel syst` eme Oasis is good ! man PTRACE O TRACESYSGOOD L’option PTRACE_O_SYSGOOD modifie si_code de la structure siginfo_t pour indiquer l’interruption d’un appel syst` eme. ptrace (PTRACE SETOPTIONS, pid , NULL, PTRACE O TRACESYSGOOD) ; . . . s i g i n f o t sig ; ptrace (PTRACE GETSIGINFO, pid , NULL, &sig ) ; i f ( sig . si code & 0x80 ) p r i n t f ("was in a syscall\n" ) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
26. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Plan 1 ptrace() 2 Injection de code 3 Applications pratiques Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
27. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Technique de l’oracle & Skype Oracle Jetez une question dans un puits et la r´ eponse est renvoy´ ee. T´ el´ ephone compatible Skype ? Le chiffrement des paquets est r´ ealis´ e par une fonction trop compliqu´ ee ` a reverser ? Plutˆ ot que de r´ e´ ecrire la fonction, utilisez la ! ` A l’aide de ptrace(), manipulez eip afin de n’ex´ ecuter que la fonction de chiffrement. =⇒ Au retour de la routine, vous avez la r´ eponse ! Voir pr´ esentation de P. Biondi & F. Desclaux ` a BlackHatEurope06. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
28. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Protection anti-reverse engineering Premi` ere protection anti-debugging ? Un processus ne peut-ˆ etre tra¸ c´ e que par un seul debugger ` a la fois. → Auto-tra¸ cage pour empˆ echer tout attachement ult´ erieur R´ eponse des analystes ´ Emulation de l’appel ` a ptrace() pour qu’il n’´ echoue jamais. R´ eponse ` a la r´ eponse des analystes Lancement de deux processus qui se tra¸ cent mutuellement avec un dialogue permanent pour s’assurer de la survie de l’autre. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
29. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Protection anti-reverse engineering Premi` ere protection anti-debugging ? Un processus ne peut-ˆ etre tra¸ c´ e que par un seul debugger ` a la fois. → Auto-tra¸ cage pour empˆ echer tout attachement ult´ erieur R´ eponse des analystes ´ Emulation de l’appel ` a ptrace() pour qu’il n’´ echoue jamais. R´ eponse ` a la r´ eponse des analystes Lancement de deux processus qui se tra¸ cent mutuellement avec un dialogue permanent pour s’assurer de la survie de l’autre. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
30. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Protection anti-reverse engineering Premi` ere protection anti-debugging ? Un processus ne peut-ˆ etre tra¸ c´ e que par un seul debugger ` a la fois. → Auto-tra¸ cage pour empˆ echer tout attachement ult´ erieur R´ eponse des analystes ´ Emulation de l’appel ` a ptrace() pour qu’il n’´ echoue jamais. R´ eponse ` a la r´ eponse des analystes Lancement de deux processus qui se tra¸ cent mutuellement avec un dialogue permanent pour s’assurer de la survie de l’autre. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
31. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall ´ Evasion d’environnement chroot´ e ch[ouc]root ? Simple restriction de la racine du syst` eme de fichier d’un processus. Contact ext´ erieur possible : m´ emoire partag´ ee, signaux. . . Pwned ! Si on peut envoyer des signaux ` a des processus, on peut les tra¸ cer ! =⇒ Injection d’un shellcode permettant de s’´ evader de la cage. Si /proc n’est pas disponible, le bruteforcage de tous les PID est n´ ecessaire. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
32. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall ´ Evasion d’environnement chroot´ e ch[ouc]root ? Simple restriction de la racine du syst` eme de fichier d’un processus. Contact ext´ erieur possible : m´ emoire partag´ ee, signaux. . . Pwned ! Si on peut envoyer des signaux ` a des processus, on peut les tra¸ cer ! =⇒ Injection d’un shellcode permettant de s’´ evader de la cage. Si /proc n’est pas disponible, le bruteforcage de tous les PID est n´ ecessaire. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
33. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall ´ Evasion d’environnement chroot´ e ch[ouc]root ? Simple restriction de la racine du syst` eme de fichier d’un processus. Contact ext´ erieur possible : m´ emoire partag´ ee, signaux. . . Pwned ! Si on peut envoyer des signaux ` a des processus, on peut les tra¸ cer ! =⇒ Injection d’un shellcode permettant de s’´ evader de la cage. Si /proc n’est pas disponible, le bruteforcage de tous les PID est n´ ecessaire. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
34. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Firewall applicatif D´ efinition ACLs bas´ ees sur l’application. =⇒ Application autoris´ ee == tremplin Objectifs d’un programme malicieux : Injection d’un connect() dans Mozilla, R´ ecup´ eration du descripteur de fichier, Transfert du descripteur de fichier au processus malicieux ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
35. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Processus malicieux Mozilla Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
36. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Processus malicieux Mozilla connect() Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
37. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Processus malicieux Mozilla connect() Transfert du descripteur de fichier Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
38. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Processus malicieux Mozilla connect() read() / write() Transfert du descripteur de fichier Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
39. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Contrainte Figure de style impos´ ee R´ eussir ` a faire passer toutes les applications ` a travers ce (( tunnel )). Interception des biblioth` eques dynamiques $ LD PRELOAD="/home/moi/lib/liberte.so" $ export LD PRELOAD $ wget http :// slashdot . org/ Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
40. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Surchage de connect() int connect ( int sockfd , struct sockaddr ∗ serv addr , socklen t addrlen ) { pid t pid = atoi ( getenv ("PTRACE_PWNED" ) ) ; socket (PF UNIX, SOCK STREAM, 0 ) ; . . . i f ( fork () == 0) { i n j e c t s h e l l c o d e ( pid , serv addr ) ; exit ( 0 ) ; } . . . fd = receive fd ( unixfd ) ; dup2( fd , sockfd ) ; return sockfd ; } Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
41. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Fonctionnalit´ ee m´ econnue Transfert de descripteur de fichier Il est possible de transmettre un descripteur de fichier entre deux processus ind´ ependants ` a travers une socket UNIX. struct cmsghdr ∗ch ; struct msghdr msg ; char a n c i l l a r y [CMSG SPACE( s i ze o f ( fd ) ) ] ; ch = CMSG FIRSTHDR(&msg ) ; ch−>cmsg level = SOL SOCKET; ch−>cmsg type = SCM RIGHTS; ∗( int ∗) CMSG DATA( ch ) = fd ; sendmsg( sockfd , &msg, 0 ) ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
42. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Shellcode Le shellcode : 1 Cr´ e´ e une socket UNIX vers le traceur, 2 Initie la connexion vers le serveur d´ esir´ e, 3 Et envoie le descripteur de fichier. Ne g` ere pas encore l’UDP. Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
43. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Conclusion ptrace() et ses limites Fonctions limit´ ees, Portabilit´ e impossible, Bugs historiques ; L’avenir L’avenir se tourne vers les dtrace-like ? Solution compl´ etement kernel-space, Haut niveau, Scriptable ; Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit
44. ptrace() Injection de code Applications pratiques Cˆ ot´ e clair de la force Cˆ ot´ e obscur de la force Cas pratique : Contournement de firewall Des questions ? Merci de votre attention ! Des questions ? Nicolas Bareil Playing with ptrace() for fun and profit