前言

近两年，Protobuf结构体与Pwn结合的题目越来越多。

23年和24年Ciscn都出现了Protobuf题目，24年甚至还出现了2道。

与常规的Pwn题利用相比，只是多套了一层Protobuf的Unpack操作。

本文包含Protobuf环境安装、相关语法、编译运行以及pb结构逆向和例题实战，实现从0基础到进阶。

简介

Protocol Buffers，是Google公司开发的一种数据描述语言，类似于XML能够将结构化数据序列化，可用于数据存储、通信协议等方面。

常用于跨平台和异构系统中进行RPC调用，序列化和反序列化效率高且体积比XML和JSON小得多，非常适合网络传输。

为了能够和程序进行交互，我们需要先逆向分析得到Protobuf结构体，然后构造序列化后的Protobuf与程序进行交互。

安装

protobuf

官方GitHub地址：https://github.com/protocolbuffers/protobuf

需要安装 Protobuf运行时 和 协议编译器（用于编译.proto文件）。

下载Protobuf项目（不要下载版本太高的，否则后面的protobuf-c无法安装）：

解压并进入Protobuf目录：

配置、编译并安装

此时，输入protoc命令会报错：

原因是因为probuf默认安装路径是/usr/local/lib，而在Ubuntu中这个路径不在LD_LIBRARY_PATH 中。

因此，需要在/usr/lib中创建软连接：

再次输入protoc命令，发现正常打印版本号：

protobuf-c

Protobuf官方支持C++、C#、Dart、Go、Java、Kotlin、Python等语言，但是不支持C语言。

而CTF中的Pwn题通常由C语言编写，这就用到了一个第三方库 protobuf-c。

Github项目地址：https://github.com/protobuf-c/protobuf-c

下载Protobuf-c项目：https://github.com/protobuf-c/protobuf-c/releases

进入Protobuf-c目录配置、编译并安装：

基本语法

先来看一个官方文档给出的例子：

// demo.proto
syntax = "proto3";

package tutorial;

message Person {
  string name = 1;
  int32 id = 2;
  string email = 3;

  enum PhoneType {
    PHONE_TYPE_UNSPECIFIED = 0;
    PHONE_TYPE_MOBILE = 1;
    PHONE_TYPE_HOME = 2;
    PHONE_TYPE_WORK = 3;
  }

  message PhoneNumber {
    string number = 1;
    PhoneType type = 2;
  }

  repeated PhoneNumber phones = 4;
}

message AddressBook {
  repeated Person people = 1;
}

syntax

syntax指明protobuf的版本，有proto2和proto3两个版本，省略默认为proto2。

syntax = "proto2";
syntax = "proto3";

package

package可以防止命名空间冲突，简单的项目中可以省略。

package tutorial;

message

message用于定义消息结构体，类似C语言中的struct。

每个字段包括修饰符 类型 字段名，并且末尾通过等号设置唯一字段编号。

修饰符包括如下几种：

• optional：可以不提供字段值，字段将被初始化为默认值。（Proto3中不允许显示声明，不加修饰符即optional）
• repeated：类似vector，表明该字段为动态数组，可重复任意次。
• required：必须提供字段值。（Proto3不再支持required）

常见的基本类型：

• bool
• in32
• float
• double
• string

编译

可以通过如下命令编译proto文件：

• -I=$SRC_DIR用于指定源码目录，默认使用当前目录。
• --cpp_out=$DST_DIR用于指定目标代码存放位置。

因此，以上命令也可以简化为：

这会编译生成以下两个文件：

• demo.pb-c.h：类的声明。
• demo.pb-c.c：类的实现。

CTF题目通常为C语言编写，因此为了后续逆向工作，需要理解编译后的C语言文件相关结构。

如果想要编译为Python代码，用如下命令（在CTF中通常编译为Python代码以在脚本中与程序交互）：

会生成 demo_pb2.py。（pb2后缀只是为了和protobuf1区分）

使用

引入

可以直接在Python中import后调用：

序列化与反序列化

可以通过 SerializeToString序列化 或 ParseFromString反序列化：

逆向分析

Protobuf关键结构体

在生成的demo-pb-c.c文件中，可以发现存在unpack函数：

这个反序列化函数传入描述消息结构体数据的descriptor。我们可以在IDA中分析descriptor还原消息结构体。

Descriptor结构体

Descriptor定义如下：

我们需要关注的有几个重要字段：

• magic：通常为0x28AAEEF9。
• n_fields：结构体中的字段数量。
• fields：指向一个储存字段和数据的结构体。

fields是ProtobufCFieldDescriptor类型。

ProtobufCFieldDescriptor结构体

我们看一下它的定义：

我们需要关注的有：

• name：字段名。
• id：唯一字段编号。
• label：修饰符，如：required、optional、repeated。
• type：数据类型，如：bool、int32、float、double等。

label和type

label和type都是枚举类型，我们看一下它的定义：

Protbuf结构体逆向（以2023ciscn-talkbot为例）

有了上面关于Descriptor的基础知识后，我们尝试在IDA中对protobuf结构体进行逆向。

以ciscn2023-talkbot为例，拖入IDA分析：

发现将输入传入protobuf_unpack函数处理后，将处理后的结果传递给真正的主函数。

分析Descriptor结构体

我们直接搜索0x28AAEEF9，定位到Descriptor结构体：

而根据我们对Descriptor结构体定义分析：

• name为devicemsg。
• 结构体大小为0x40。
• 字段数为4。

分析ProtobufCFieldDescriptor结构体

然后，我们根据ProtobufCFieldDescriptor指针找到字段位置：

第一个为字段名actionid，后面的1、0、4分别为id、label和type。

id为1，而label和type查阅enum定义后发现是required和sint64。

其它字段同理，不再一一分析。

这里需要注意如何区分程序用的是proto2还是3。

在proto3中，删除了字段的默认值，因此ProtobufCFieldDescriptor结构体中没有了default_value字段。

可以根据逆向后字段的数量来判断题目用的proto版本。例如，这道题目就是proto2。

还原消息结构体

经过上述分析得到如下定义：

syntax = "proto2";

message devicemsg {
  required sint64 actionid = 1;
  required sint64 msgidx = 2;
  required sint64 msgsize = 3;
  required bytes msgcontent = 4;
}

有了结构体，我们继续分析程序。

发现调用对象时，是从下标3开始，而不是从0开始的，这是为什么呢？

因为我们还原的结构体还没经过编译，我们可以编译后查看这个结构体：

查看编译后的头文件：

发现在结构体的头部多了一个ProtobufCMessage类型的变量，查看一下这个类型的定义：

它存储这个结构体的一些关键信息，比如Descriptor和未识别的字段。

ProtobufCMessage的大小为24字节，因此我们自己定义的字段下标应该是从3开始。

那为什么会多出一个参数呢？

查看编译后的代码发现，bytes类型被替换为了ProtobufCBinaryData类型，看一下它的定义：

它包括8字节的长度和8字节的数据部分，因此IDA识别时会多出一个参数。

主函数逆向分析

反序列化后，将明文参数传递给真正的函数执行。

这部分和Protobuf就无关了，如果不想看可以直接跳过。

主函数：

经典的菜单函数，提供增删改查功能，逐个分析。

add函数：

可以申请最多0x20个不超过0x100大小chunk，并且申请的size不能小于输入的内容长度。

delete函数：

指针置零时用错了变量，存在UAF漏洞。

edit函数：

正常edit，不存在漏洞。

show函数：

正常show，不存在漏洞。

利用思路

题目给glibc为2.31版本，最多申请0x20个不超过0x100大小的chunk，并且存在UAF漏洞。

发现存在沙箱限制了execve函数，可以考虑tcache posioning改__free_hook -> rdi转rdx寄存器gadget -> setcontext+61打orw。

本篇文章主要讲Protobuf，关于Setcontext打orw相关知识可以自行查阅相关资料，不再赘述。

关键是我们如何和程序进行交互呢？我们不能和传统题目一样通过scanf、read交互，而是构造序列化后的数据来交互。

Protobuf交互

首先，我们将之前还原出来的proto代码编译为Python代码：

得到device_pb2.py文件。我们需要做的就是在exp调用这个模块对payload进行序列化。

以add函数为例，创建结构体对象后设置字段，最后调用SerializeToString函数序列化，其它同理：

根据利用思路编写exp如下：

例题-ciscn2024-ezbuf

还原Protobuf结构体

根据magic：0x28AAEEF9找到Protobuf结构体：

消息结构体名称为heybro，继续分析字段：

还原出如下结构体：

syntax "proto2"

message heybro {
    required bytes whatcon = 1;
    required sint64 whattodo = 2;
    required sint64 whatidx = 3;
    required sint64 whatsize = 4;
    required uint32 whatsthis = 5;
}

分析主函数

main

分析main函数：

将6个变量传入realMain，分别是wahtcon、wahtcon_len、whattodo、whatidx、whatsize、whatsthis，且每次输入都malloc0x200。

Init

初始化函数，设置沙箱保护，但是最后没调用seccomp_load函数，所以沙箱无效。

并让全局变量buf指向申请的0x420大小的chunk，然后再申请一个0x420大小的chunk。

nop

当whattodo为0时为nop空函数：

add

当whattodo为1时，执行add函数：

add函数最多申请9个0x40大小的chunk。

delete

当whattodo为2时，执行delete函数：

最多可以使用10次delete函数，存在UAF漏洞。

show

当whattodo为3时，执行show：

可以调用3次该函数，并且如果设置whatsthis为\xff，会先调用seccomp_load。(显示不是我们想要的)

如果设置size为0x30，会调用strtok。也就是说题目提供了两个进入strtok的机会，这里可疑，可能有利用点。

利用思路

程序保护全开，能够free10次，填满tcache后，剩余3次chunk可以完成一次double free，即构造一次任意地址写。

具体做法：

初始状态bin中有剩余的small bin，申请一个chunk会在small bin切割并残留fd指针指向libc，直接打印可以泄露libc地址：

然后填满tcache，泄露heap地址：

最后，通过double free + tcache stash unlink完成一次任意地址写：

1. free填满tcache，chunk0 -> chunk1 ... -> chunk6。
2. 在fastbin中完成double free，chunk7 -> chunk8 -> chunk7。
3. 将tcache中的chunk全部申请回来，然后申请chunk7，此时会进行tcache stash unlink，即把后续的chunk8和chunk7放到tcache中。此时tcache中：chunk8 -> chunk7。如果申请chunk7时候写入数据即可修改fd指针。

2.35版本libc，没有各种hook，查看保护情况，发现libc没有开启RELRO保护，考虑修改libc的got表。

查看libc中的strtok函数调用了strspn函数，将这个函数修改为system函数完成利用即可。

这里说一下如何计算strspn函数got表地址，先将题目patch到本地有符号的libc中，然后vmmap查看libc：

最后面这个带有可写权限的即got表存储的地方，发现这个函数偏移量是0x58：

换回题目给的libc，即可计算出该函数got表地址，要注意tcache需要地址0x10对齐。

设置size为0x30即可触发strtok，参数为content。还需要注意的是，直接传入/bin/sh\x00会出问题。

猜测可能是因为序列化时所有字符都是相邻的，所以在最前面任意加个字符和分号，然后传/bin/sh\x00没问题。

exp

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