【翻译】绕过SEHOP安全机制

    Damien Cauquil （d.cauquil@sysdream.com）
译者：riusksk (泉哥：http://riusksk.blogbus.com)

目录
0.  前言
1.  SEHOP简介
2.  溢出攻击中的SEHOP对抗策略
   2.1经典的溢出方法
   2.2 微妙之处
3. Proof Of Concept
  3.1 目标程序与限制条件
  3.2 程序崩溃与利用
4. 结论
5. 鸣谢
6. 参考资料
0.  前言
最近微软在一些windows版本中加入了一种新的安全机制《Structured Exception Handling Overwrite Protection 》[1 & 2]，这些系统有：
 Microsoft Windows 2008 SP0
 Microsoft Windows Vista SP1
 Microsoft Windows 7
目前我们尚未发现任何针对这一安全机制而采取的攻击，但已有少量文章已描述了它的特性及健壮性。的确，SEHOP似乎相当可靠，以致Microsoft发布了一款补丁，以使所有程序在缺省状态下启用这一安全机制。这是否会成为堆栈溢出攻击的未日呢？还没有，详细情况将在后面叙述。
1.  SEHOP简介
SEHOP作为Structured Exception Handling的扩展，用于针对程序中使用的SHE结构进行一些安全检测。SEHOP的核心特性是用于检测程序栈中的所有SHE结构链表，特别是最后一个SHE结构，它拥有一个特殊的异常处理函数指针，指向一个位于ntdll中的函数。下面就是一个经典的SHE链表：
 
每一SHE结构均拥有指向下一个SHE结构的指针，后面再连接一个指向ntdll!_except_handler4的异常处理函数指针。在通过覆盖SHE结构的栈溢出中，next SHE指针被一些字节码覆盖，而SHE handler被一个指向pop pop ret指令串的地址覆盖掉，该指令串位于一个non-SafeSEH模块中。
这种使用SEHOP的验证算法首次被A. Sotirov在Black Hat 2008大会上批露［3］。下面我们来看一下：
BOOL RtlIsValidHandler(handler)
{
  if (handler is in an image) {
    if (image has the IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_NO_SEH flag set)
      return FALSE;
    if (image has a SafeSEH table)
    if (handler found in the table)
      return TRUE;
    else
      return FALSE;
    if (image is a .NET assembly with the ILonly flag set)
      return FALSE;
    // fall through
  }
  if (handler is on a non-executable page) {
    if (ExecuteDispatchEnable bit set in the process flags)
      return TRUE;
    else
    // enforce DEP even if we have no hardware NX
    raise ACCESS_VIOLATION;
  }
  if (handler is not in an image) {
    if (ImageDispatchEnable bit set in the process flags)
      return TRUE;
    else
      return FALSE; // don't allow handlers outside of images
  }
// everything else is allowed
return TRUE;
}
[...]
// Skip the chain validation if the
DisableExceptionChainValidation bit is set
if (process_flags & 0x40 == 0) {
  // Skip the validation if there are no SEH records on the
  // linked list
  if (record != 0xFFFFFFFF) {
    // Walk the SEH linked list
    do {
      // The record must be on the stack
      if (record < stack_bottom || record > stack_top)
        goto corruption;
      // The end of the record must be on the stack
      if ((char*)record + sizeof(EXCEPTION_REGISTRATION) > stack_top)
        goto corruption;
      // The record must be 4 byte aligned
      if ((record & 3) != 0)
        goto corruption;
      handler = record->handler;
      // The handler must not be on the stack
      if (handler >= stack_bottom && handler < stack_top)
        goto corruption;
      record = record->next;
    } while (record != 0xFFFFFFFF);
    // End of chain reached
    // Is bit 9 set in the TEB->SameTebFlags field?
    // This bit is set in ntdll!RtlInitializeExceptionChain,
    // which registers FinalExceptionHandler as an SEH handler
    // when a new thread starts.
    if ((TEB->word_at_offset_0xFCA & 0x200) != 0) {
      // The final handler must be ntdll!FinalExceptionHandler
      if (handler != &FinalExceptionHandler)
        goto corruption;
    }
  }
}
下面我们来考虑一些限制：
 SHE handler必须指向non-SafeSEH module
 内存页必须可执行
 SHE链表不应被篡改，并且位于链表末端的SHE结构必须为特定值（next SHE指针值为0xFFFFFFFF，SHE handler也必须为一特定值）
 所有的SHE结构必须为4-byte对齐
 最后一个SHE结构的handler必须正确指向ntdll中的ntdll!FinalExceptionHandler例程
 所有SHE指针必须指向栈中
2．  溢出攻击中的SEHOP对抗策略
2.1 经典的溢出方法
下面是覆盖SHE结构的经典溢出方法的结构图：
 
SHE handler指向POP POP RET指令串，next SHE中的栈地址被jmp 06 nop nop(机器码：EB 06 90 90)替换掉。当处理一个程序异常时，Windows将控制权传给SHE链表中的异常处理程序。当第一个异常处理函数被覆盖掉后，程序的执行流程重定向到POP POP RET指令串中（代替真实的异常处理函数）。该指令串将执行到当前SHE结构中next SHE的前两个字节（jmp 06），以此直接跳转到我们的shellcode。这样，SHE链表就被拆分了：
 
SHE结构中的next SEH的前两字节（90 90）从不被执行，它主要是用于填充字符，以构造出一个DWORD大小的有效栈地址。当然，我们也可以改变另外的两字节来使其指向一个有效栈地址，而将这两字节改为跳转指令（EB 06）。这一DWORD值当被调用时，它相当于一个有效的栈地址与一个有效指令的结合以实现跳转。如果我们伪造SHE结构中的这一DWORD值指向的栈地址，那么我们就可伪造整个SHE链表，并控制下一个SHE结构以使此链表有效。
2.2 微妙之处
还有一个问题：哪一被编码的跳转指令可以代替4字节对齐地址？只有一指令与其相配：JE（机器码为0x74），该指令是一条件跳转：只有当Z标志被设置时才实现跳转。在Windows在处理异常时，Z标志是默认关闭的，我们必须通过执行一指令来计算出零值，以设置该标志位。Xor指令似乎是不错的选择，看来我们的解决方法已经很明了了：跳至XOR,POP,POP,RET指令串，以便将JE指令解释为JMP。这就是SEHOP绕过技术的微妙之处。
XOR，POP，POP，RET指令串并不难找到，我们可以通过查找返回NULL值的函数的末端来找到这些指令串：
XOR EAX, EAX
POP ESI
POP EBP
RET
为了确保该方案可行，我们就以XOR，POP，POP，RET指令串来编写一份PoC测试一下。
已知第一个SEH结构位于0x0022FD48，我们就可以在0x0022FD74处构造第二个SHE结构，它的next SHE指针值为0xFFFFFFFF，handler指向ntdll!FinalExceptHandler。如果我们将第一个SHE结构中的handler指向XOR,POP,POP,RET指令串，那么我们就可以将执行流程重定向到任何地方，真正地破坏掉SHE链表。具体地，我们可以重新伪造一个有效的SHE链表，以使其重定向到特定的shellcode。
  另一个主要限制是Microsoft Windows 7和vista中的ASLR安全机制。我们知道程序的利用需要依赖于ntdll!FinalExceptHandler的地址，但这一地址在每次电脑重启后都会发生改变。Ntdll ImageBase在重启时都被随机化，这样就增加攻击的难度。我们针对ASLR（未经逆向分析）进行一些测试，结果表明ImageBase似乎在16位中只有9位发生随机化，也就是说，在超过512次机会中你只有一次机会可以成功地绕过SEHOP实现溢出攻击。
3. Proof Of Concept
  3.1 目标程序与限制条件
我们编写一段小程序，以在Windows 7下演示这一技术。这一程序只是复制一个文件（OwnMe.txt）的内容到内存中，并在操作中实现栈溢出，以引发可被异常处理程序捕获的异常。
我们需要完成以下任务：
 伪造一个有效的SEH链表
 将最后一个SEH结构中的handler指向ntdll!FinalExceptHandler
 在栈中放置shellcode(与Windows 7相兼容)
 定位内存中的XOR,POP,POP,RET指令串地址
首先，XOR,POP,POP,RET指令串是已知的，因为我们已经将其放置在程序代码中了，我们可以发现该指令串位于内存地址0x004018E1中。
  3.2 程序崩溃与利用
当程序崩溃时，可发现：
   0012F700 41414141 Pointer to next SEH record
   0012F704 41414141 SE handler
接着我们需要利用存储在0x0012F774中的第二个SEH结构来伪造SEH链表，这一SEH结构中next SEH指针值为0xFFFFFFFF，SHE handler指向ntdll!FinalExceptHandler。然后位于0x0012F700的SEH结构被篡改，使其指向仿造的SHE结构，并将handler设置为0x004018E1，同时在每一SHE结构之前写入一跳转指令（JMP+8），以避免数据段被执行。整个利用的工作流程如下图所示：
 
Shellcode将执行calc.exe：
 
注意：目标程序及exploit均已打包成zip文件，可在Sysdream网站上［4］下载到。
4. 结论
SEHOP并不是对抗栈溢出的终极防护。自从SafeSEH扩展被公布之后，很多人认为它是不可突破的。这里我们只是演示了在一些情况下Structured Exception Handling Overwrite Protection是可能绕过的。但SEHOP结合ASLR和DEP使用，是一种优秀的本地安全机制，这点是不可否认的。
5. 鸣谢
http://sysdream.com/
http://ghostsinthestack.org/
http://virtualabs.fr/
6. 参考资料
[1] Preventing the Exploitation of Structured Exception Handler (SEH) Overwrites with SEHOP:
http://blogs.technet.com/srd/archive/2009/02/02/preventing-the-exploitation-of-seh-overwriteswith-
sehop.aspx
[2] SEHOP per-process opt-in support in Windows 7:
http://blogs.technet.com/srd/archive/2009/11/20/sehop-per-process-opt-in-support-in-windows-
7.aspx
[3] Bypassing Browser Memory Protections: http://taossa.com/archive/bh08sotirovdowd.pdf
[4] ZIP containing our target program & exploit http://www.sysdream.com/SEHOP.zip