【CSAPP】-linklab实验

目录

实验目的与要求

实验原理与内容

实验步骤

实验设备与软件环境

实验过程与结果（可贴图）

实验总结

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实验目的与要求

1.了解链接的基本概念和链接过程所要完成的任务。
2.理解ELF目标代码和目标代码文件的基本概念和基本构成
3.了解ELF可重定位目标文件和可执行目标文件的差别。
4.理解符号表中包含的全局符号、外部符号和本地符号的定义。
5.理解符号解析的目的和功能以及进行符号解析的过程。

实验原理与内容

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        [仅供示例，具体目标字符为每位学生学号]
实验结果：将修改后正确完成相应功能的各阶段模块（phase1.o, phase2.o, …）提交供评分。

实验步骤

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

实验阶段1
要求：修改二进制可重定位目标文件“phase1.o”的数据节内容，使其与main.o链接后能够运行输出（且仅输出）自己的学号：

$ gcc -o linkbomb main.o phase1.o -no-pie

$ ./linkbomb

学号

实验提示：
检查反汇编代码，获得printf（根据情况有可能被编译时转换为puts）输出函数的参数的（数据节中）地址 。
使用hexedit工具（或自己编写实现二进制ELF文件编辑程序），对phase1.o数据节中相应字节进行修改。

实验阶段2
要求：根据强符号与弱符号的原则，判断符号表中的符号以及其所对应的数据区域。利用符号解析规则，创建生成一个名为“phase2_patch.o”的二进制可重定位目标文件（可以不修改phase2.o模块），使其与main.o、phase2.o链接后能够运行和输出（且仅输出）自己的学号：

$ gcc -o linkbomb main.o phase2.o phase2_patch.o  -no-pie

$ ./linkbomb

学号

实验提示：
Phase2.o模块的符号表中，包含了类型为COM的符号。此类符号的特点是：未被赋初值。所以，其在ELF的数据节中并不真实存在。所以需要另寻解决办法，创造出真实存在的数据并对其进行二进制编辑，以达到输出自己学号的目的。
解题需要运用的主要知识为强弱符号的解析规则。另外，层序中包含了一个数值转换过程，学生需要根据反汇编代码确定其修改规则，并根据修改规则进行“反制”。

实验阶段3
要求：修改二进制可重定位目标文件“phase3.o”的代码节内容，使其与main.o链接后能够运行输出（且仅输出）自己的学号：

$ gcc -o linkbomb main.o phase3.o -no-pie

$ ./linkbomb

学号

实验提示：
检查反汇编代码，定位模块中的各组成函数并推断其功能作用。 根据反汇编程序的执行逻辑，修改函数中的机器指令（用自己指令替换函数体中的nop指令）以实现期望的输出。
为了实现输出功能，自行编写获得的二进制程序（可以通过编写汇编代码然后使用gcc -c命令的方式实现）可以“借用”其他函数中的“有用代码或数据”，比如输出函数和数据引用等具体部分。

实验阶段4
要求：修改二进制可重定位目标文件“phase4.o”中重定位节和数据节中的内容，使其与main.o链接后能够运行输出（且仅输出）自己的学号：

$ gcc -o linkbomb main.o phase4.o -no-pie

$ ./linkbomb

学号

实验提示：
本阶段学生所拿到的.o文件中的“重定位位置”信息已经被抹除，学生需要根据实际情况确认冲重定位的发生位置，并根据重定位类型对位置信息进行恢复。若程序未能够正确修改重定位位置，则典型问题表现为段错误segmentation fault。此外，还需要学生根据程序所用到的数据情况进行数据部分的二进制修改。

实验阶段5
要求：修改二进制可重定位目标文件“phase5.o”中重定位节和数据节的内容，使其与main.o链接后能够正确输出（且仅输出）自己学号：

$ gcc -o linkbomb main.o phase5.o -no-pie

$ ./linkbomb

学号 

You called touch2。若不完全满足题目要求，则会提示“Misfire” 和FAIL相关字段。
阶段5：使用ROP方式对rtarget进行攻击，调用touch3，且成功输出Touch3!: You called touch3。若不完全满足题目要求，则会提示“Misfire” 和FAIL相关字段。

实验设备与软件环境

1．Linux操作系统—64位Ubuntu 18.04
2. gdb调试器和objdump反汇编指令
3. 笔记本

实验过程与结果（可贴图）

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
阶段一
使用如下命令生成可执行程序linkbomb：
$ gcc -o linkbomb main.o phase1.o -no-pie
正确性验证：如下运行可执行程序linkbomb
$ ./linkbomb
应输出符合各阶段期望的字符串：
$ 232151503xx （已修改的情况下）

先执行一遍linkbomb 保证程序不会出现乱码
这里我们还没有修改，所以不会有结果

输入readelf -a phase1.o 查看elf文件内容

其中我们完成学号字符串的输出，找到对应参数g_data，其重定向类型是绝对地址（R_X86_64_32），且+了0x18，同时也是一个OBJECT-全局变量。因此我们需要找到对应的.data节在全文中的偏移量，从而将g_data的内容修改为学号字符串，完成phase1。

（R_X86_64_32）那里是5c，加上我们data中的60就是
5c+60=bc
从而确定在0xbc处插入我们需要插入的数据-学号字符串。

Ascii码的0-9是0x30-0x39
我的学号是23215150318
也就是32 33 32 31 35 31 35 30 33 31 38
接着输入hexedit phase1.o命令来修改phase1.o，并对phase1.o数据节中相应字节进行修改

修改完记得00结尾加保存ctrl+w，ctrl+x退出编辑

00结尾才能知道修改到的值

这是一个比较大的空间
我们找到0xbc的地方
这里显示的是b4，我们就挨个去算，4567，8 9 10 11
11位就是bb，12就是bc
我们就把32 33 32 31 35 31 35 30 33 31 38放进去，再00结尾保存
退出即可。

再验证一下有没有保存到
$ gcc -o linkbomb main.o phase1.o -no-pie
$ ./linkbomb

这样就过关了。

阶段二
使用readelf查看phase2.o并查找有关输出函数的内容。
输入readelf -a phase2.o 查看elf文件内容

可以发现COM未被赋初始值，COM表示g_myCharArray是一个未初始化的弱符号数组，大小Size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。需要打补丁phase2_patch.o

从中可以看到put函数的参数是g_myCharArray，其+0x5c，重定向类型也为绝对地址。

创建phase2_patch.c文件并写入0x5c个字节的“0”以及学号ASCII码。

使用“gcc -c phase2_patch.c”编译生成phase2_patch.o文件并链接：“gcc -o linkbomb2 main.o phase2.o phase2_patch.o -no-pie”，最后运行程序

每个字符都发生了偏移。为了得到偏移量来反偏移得到字符串，实现学号的插入，为了方便计算输入的结果，我们编写一个程序来手动计算偏移量得出的结果，最终通过编辑好学号key，来计算be=%d输出计算结果，即正确的反偏移答案。
hack.c

使用“gcc -c hack.c”编译生成hack.o文件并链接
   运行：gcc hack.c -o hack
gcc -o linkbomb2 main.o phase2.o phase2_patch.o -no-pie
./linkbomb2 > out
./hack < out

最终通过编辑好学号key，来计算be=%d输出计算结果，即正确的反偏移答案。
编译计算文件并链接上linkbomb2，将结果导出为out并使用out运行计算文件，得到的be值即为学号对应的反偏移量，修改patch文件中的字符串。

得到结果文件后再次编译链接运行linkbomb2

成功输出学号，这样就算过关了。

阶段三

链接 linkbomb3 执行：gcc -o linkbomb3 main.o phase3.o -no-pie
使用 objdump -d linkbomb3 反汇编查看汇编代码：

如果想要成功打印学号，应该是打印在后，所以包含puts语句的myFunc1方法在后面，并且接收一个参数，这个参数应该是学号；而myFunc2则是获取一个地址的值给到%rax寄存器。

可以看出，就是先调用myFunc2函数获取学号赋值给%rax，然后mov %rax,%rdi设置参数在调用myFunc1

所以我们注入的命令顺序为：

    1、call myFunc2
    2、Mov %rax,%rdi
    3、Call myFunc1

使用 readelf -a phase3.o 查看 .text 节的偏移量：为0x40

使用 objdump -d phase3.o 查看 do_phase 填充代码地址

填充的起始地址是 0x40 + 0x31 = 0x71。
其中 call 指令是相对寻址，myFunc 函数的地址为

第一条指令call指令对应的机器码是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 =-1b，也就是 e5 ff ff ff，

所以第一条 call 指令为 e8 e5 ff ff ff。

第二条指令mov %rax,%rdi，mov %rax,%rdi的机器码是为 48 89 c7

第三条指令为call指令对应的机器码是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 。

修改 phase3.o 的二进制，将构造的代码注入

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

接着来查看是否修改
执行 objdump -d phase3.o查看 do_phase3 函数

可以看到修改成功

完成代码插入，现在需要完成学号赋值。回看myFunc2函数汇编，发现学号赋值处函数获取数据的内存地址，即为.data节。因此我们需要找到节头以及加数。图13中显示.data节节头为0x1a0，重新查看ELF发现.data加数是为0x5c，从而确定学号应当位于phase3.o的0x1a0+0x5c=0x1fc处，并且以“00”结尾进行插入。

 readelf -a phase3.o

执行 hexedit phase3.o 从0x1fc修改成我们的学号

gcc -o linkbomb3 main.o phase3.o -no-pie
./linkbomb3

通过查阅之前讲过的第三章的知识，也算恶补了一下。
至此，阶段三结束。

实验总结

  通过此实验，我掌握了符号解析、符号定义分类 、静态链接解析过程、符号表条目、重定位，还有的是关于地址的计算。基于ELF文件格式和程序链接过程的理解，修改给定二进制可重定位目标文件的数据内容、机器指令等部分。实验过程中，我有遇到了bug，但通过了查询资料（书都要翻烂了）、上百度搜问，最后自己独立解决了bug。通过完成此次实验，不仅收获了很多知识，而且还锻炼了我的动手能力。解决了问题，完成了实验，感觉收获满满的，也有一定的成就感。