前言

本篇博客将会展示 CSAPP 之 BombLab 的拆弹过程,粉碎 Dr.Evil 的邪恶阴谋。Dr.Evil 的替身,杀手皇后,总共设置了 6 个炸弹,每个炸弹对应一串字符串,如果字符串错误,炸弹就会被引爆💣,如下图所示:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

字符串的长度未知,所以暴力破解是不可取的,也就是说这个实验就是要逼着拆弹小分队将 bomb 可执行文件反汇编,根据汇编代码推测出每个炸弹对应的字符串。在终端输入 objdump -d bomb > bomb.asm ,就可以将汇编代码写入 bomb.asm 文件中,方便后续分析。同时,Dr.Evil 还提供了 bomb.c 源文件,通过它可以看到炸弹程序的主要结构,代码如下:

/***************************************************************************
 * Dr. Evil's Insidious Bomb, Version 1.1
 * Copyright 2011, Dr. Evil Incorporated. All rights reserved.
 *
 * LICENSE:
 *
 * Dr. Evil Incorporated (the PERPETRATOR) hereby grants you (the
 * VICTIM) explicit permission to use this bomb (the BOMB).  This is a
 * time limited license, which expires on the death of the VICTIM.
 * The PERPETRATOR takes no responsibility for damage, frustration,
 * insanity, bug-eyes, carpal-tunnel syndrome, loss of sleep, or other
 * harm to the VICTIM.  Unless the PERPETRATOR wants to take credit,
 * that is.  The VICTIM may not distribute this bomb source code to
 * any enemies of the PERPETRATOR.  No VICTIM may debug,
 * reverse-engineer, run "strings" on, decompile, decrypt, or use any
 * other technique to gain knowledge of and defuse the BOMB.  BOMB
 * proof clothing may not be worn when handling this program.  The
 * PERPETRATOR will not apologize for the PERPETRATOR's poor sense of
 * humor.  This license is null and void where the BOMB is prohibited
 * by law.
 ***************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "support.h"
#include "phases.h"

/*
 * Note to self: Remember to erase this file so my victims will have no
 * idea what is going on, and so they will all blow up in a
 * spectaculary fiendish explosion. -- Dr. Evil
 */

FILE *infile;

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *input;

    /* Note to self: remember to port this bomb to Windows and put a
     * fantastic GUI on it. */

    /* When run with no arguments, the bomb reads its input lines
     * from standard input. */
    if (argc == 1) {
	infile = stdin;
    }

    /* When run with one argument <file>, the bomb reads from <file>
     * until EOF, and then switches to standard input. Thus, as you
     * defuse each phase, you can add its defusing string to <file> and
     * avoid having to retype it. */
    else if (argc == 2) {
	if (!(infile = fopen(argv[1], "r"))) {
	    printf("%s: Error: Couldn't open %s\n", argv[0], argv[1]);
	    exit(8);
	}
    }

    /* You can't call the bomb with more than 1 command line argument. */
    else {
	printf("Usage: %s [<input_file>]\n", argv[0]);
	exit(8);
    }

    /* Do all sorts of secret stuff that makes the bomb harder to defuse. */
    initialize_bomb();

    printf("Welcome to my fiendish little bomb. You have 6 phases with\n");
    printf("which to blow yourself up. Have a nice day!\n");

    /* Hmm...  Six phases must be more secure than one phase! */
    input = read_line();             /* Get input                   */
    phase_1(input);                  /* Run the phase               */
    phase_defused();                 /* Drat!  They figured it out!
				      * Let me know how they did it. */
    printf("Phase 1 defused. How about the next one?\n");

    /* The second phase is harder.  No one will ever figure out
     * how to defuse this... */
    input = read_line();
    phase_2(input);
    phase_defused();
    printf("That's number 2.  Keep going!\n");

    /* I guess this is too easy so far.  Some more complex code will
     * confuse people. */
    input = read_line();
    phase_3(input);
    phase_defused();
    printf("Halfway there!\n");

    /* Oh yeah?  Well, how good is your math?  Try on this saucy problem! */
    input = read_line();
    phase_4(input);
    phase_defused();
    printf("So you got that one.  Try this one.\n");

    /* Round and 'round in memory we go, where we stop, the bomb blows! */
    input = read_line();
    phase_5(input);
    phase_defused();
    printf("Good work!  On to the next...\n");

    /* This phase will never be used, since no one will get past the
     * earlier ones.  But just in case, make this one extra hard. */
    input = read_line();
    phase_6(input);
    phase_defused();

    /* Wow, they got it!  But isn't something... missing?  Perhaps
     * something they overlooked?  Mua ha ha ha ha! */

    return 0;
}

不过我们也可以使用下述指令在终端查看 bomb.c

$ gdb bomb
(gdb) l

可以看到六个炸弹分别对应着 phase_1()phase_6() 函数,有了这些信息就可以着手分析汇编代码了。

拆弹过程

第一炸弹

在汇编代码中搜索 phase_1,可以看到 phase_1 共出现三次,左侧是 phase_1() 被调用,右侧是 phase_1() 的代码:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

可以看到 phase_1 中把 $0x402400 写到了寄存器 %rsi 中,接着调用了 strings_not_equal 函数,相当于 strings_not_equal(%rdi, 0x402400),如果字符串不相等即 %rax 为 1 时,第一炸弹就会被引爆。容易猜到 0x402400 应该是正确字符串的起始地址,而 %rdi 中存的应该是拆弹小分队输入的字符串的起始地址。可以使用 GDB 来验证一下这个猜想:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

先在 phase_1 的第三行 callq 401338 <strings_not_equal> 处打上断点,然后运行程序并输入 zhiyiYo,使用 display /x $rdi 查看 %rdi 的值 0x603780,最后使用 x/8c 0x603780 查看从该地址开始的8个字符,发现和我们输入的一样(多了结束符),验证了上述猜想。

由于我们还不知道真实字符串的长度,只知道它的起始地址是 0x402400,所以可以试下长一点的,只要看到 \000 就能说明字符串结束了。

(gdb) x/64c 0x402400
0x402400:       66 'B'  111 'o' 114 'r' 100 'd' 101 'e' 114 'r' 32 ' '  114 'r'
0x402408:       101 'e' 108 'l' 97 'a'  116 't' 105 'i' 111 'o' 110 'n' 115 's'
0x402410:       32 ' '  119 'w' 105 'i' 116 't' 104 'h' 32 ' '  67 'C'  97 'a'
0x402418:       110 'n' 97 'a'  100 'd' 97 'a'  32 ' '  104 'h' 97 'a'  118 'v'
0x402420:       101 'e' 32 ' '  110 'n' 101 'e' 118 'v' 101 'e' 114 'r' 32 ' '
0x402428:       98 'b'  101 'e' 101 'e' 110 'n' 32 ' '  98 'b'  101 'e' 116 't'
0x402430:       116 't' 101 'e' 114 'r' 46 '.'  0 '\000'        0 '\000'        0 '\000'        0 '\000'
0x402438:       87 'W'  111 'o' 119 'w' 33 '!'  32 ' '  89 'Y'  111 'o' 117 'u'

将上述字符连接得到 Border relations with Canada have never been better.,这个就是第一炸弹的正确答案。

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第二炸弹 —— 枯萎穿心攻击

phase_2 的汇编代码如下所示:

0000000000400efc <phase_2>:
  400efc:	55                   	push   %rbp
  400efd:	53                   	push   %rbx
  400efe:	48 83 ec 28          	sub    $0x28,%rsp
  400f02:	48 89 e6             	mov    %rsp,%rsi
  400f05:	e8 52 05 00 00       	callq  40145c <read_six_numbers>
  400f0a:	83 3c 24 01          	cmpl   $0x1,(%rsp)
  400f0e:	74 20                	je     400f30 <phase_2+0x34>
  400f10:	e8 25 05 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400f15:	eb 19                	jmp    400f30 <phase_2+0x34>
  400f17:	8b 43 fc             	mov    -0x4(%rbx),%eax
  400f1a:	01 c0                	add    %eax,%eax
  400f1c:	39 03                	cmp    %eax,(%rbx)
  400f1e:	74 05                	je     400f25 <phase_2+0x29>
  400f20:	e8 15 05 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400f25:	48 83 c3 04          	add    $0x4,%rbx
  400f29:	48 39 eb             	cmp    %rbp,%rbx
  400f2c:	75 e9                	jne    400f17 <phase_2+0x1b>
  400f2e:	eb 0c                	jmp    400f3c <phase_2+0x40>
  400f30:	48 8d 5c 24 04       	lea    0x4(%rsp),%rbx
  400f35:	48 8d 6c 24 18       	lea    0x18(%rsp),%rbp
  400f3a:	eb db                	jmp    400f17 <phase_2+0x1b>
  400f3c:	48 83 c4 28          	add    $0x28,%rsp
  400f40:	5b                   	pop    %rbx
  400f41:	5d                   	pop    %rbp
  400f42:	c3                   	retq

可以看到 phase_2 显示进行了被调用者保护,然后将 %rsp 栈指针减小 28 以腾出空间并将 %rsp 的值赋给 %rsi。接着调用了 read_six_numbers 函数,从名字可以看出这个函数应该用来读入 6 个数字,具体代码为:

000000000040145c <read_six_numbers>:
  40145c:	48 83 ec 18          	sub    $0x18,%rsp
  401460:	48 89 f2             	mov    %rsi,%rdx
  401463:	48 8d 4e 04          	lea    0x4(%rsi),%rcx
  401467:	48 8d 46 14          	lea    0x14(%rsi),%rax
  40146b:	48 89 44 24 08       	mov    %rax,0x8(%rsp)
  401470:	48 8d 46 10          	lea    0x10(%rsi),%rax
  401474:	48 89 04 24          	mov    %rax,(%rsp)
  401478:	4c 8d 4e 0c          	lea    0xc(%rsi),%r9
  40147c:	4c 8d 46 08          	lea    0x8(%rsi),%r8
  401480:	be c3 25 40 00       	mov    $0x4025c3,%esi
  401485:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  40148a:	e8 61 f7 ff ff       	callq  400bf0 <__isoc99_sscanf@plt>
  40148f:	83 f8 05             	cmp    $0x5,%eax
  401492:	7f 05                	jg     401499 <read_six_numbers+0x3d>
  401494:	e8 a1 ff ff ff       	callq  40143a <explode_bomb>
  401499:	48 83 c4 18          	add    $0x18,%rsp
  40149d:	c3                   	retq

read_six_numbers 可以看出,6个数字的地址分别为 %rsp%rsp+0x4%rsp+0x8%rsp+0xc%rsp+0x10%rsp+0x14。调用完 read_six_numbers 之后,phase_2 又将 (%rsp)0x1 进行比较,如果不相等就引爆第二炸弹。接下来的代码可以翻译为:

rbx = rsp + 0x4;
rbp = rsp + 0x18;
while (rbx != rbp) {
    rax = 2 * M[rbx - 0x4];
    if (rax != M[rbx]) {
        explode_bomb();
    }
    rbx += 0x4;
}

说明读入的 6 个数字应该是一个等比数列,且 a[n] = 2*a[n-1],由于 (%rsp) 为 1,后续的几个数字就是 2、4、8、16 和 32。测试一下发现第二炸弹确实被成功拆除了:

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第三炸弹 —— 败者食尘

phase_3 的汇编代码如下所示:

0000000000400f43 <phase_3>:
  400f43:	48 83 ec 18          	sub    $0x18,%rsp
  400f47:	48 8d 4c 24 0c       	lea    0xc(%rsp),%rcx
  400f4c:	48 8d 54 24 08       	lea    0x8(%rsp),%rdx
  400f51:	be cf 25 40 00       	mov    $0x4025cf,%esi
  400f56:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  400f5b:	e8 90 fc ff ff       	callq  400bf0 <__isoc99_sscanf@plt>
  400f60:	83 f8 01             	cmp    $0x1,%eax
  400f63:	7f 05                	jg     400f6a <phase_3+0x27>
  400f65:	e8 d0 04 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400f6a:	83 7c 24 08 07       	cmpl   $0x7,0x8(%rsp)
  400f6f:	77 3c                	ja     400fad <phase_3+0x6a>
  400f71:	8b 44 24 08          	mov    0x8(%rsp),%eax
  400f75:	ff 24 c5 70 24 40 00 	jmpq   *0x402470(,%rax,8)
  400f7c:	b8 cf 00 00 00       	mov    $0xcf,%eax
  400f81:	eb 3b                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400f83:	b8 c3 02 00 00       	mov    $0x2c3,%eax
  400f88:	eb 34                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400f8a:	b8 00 01 00 00       	mov    $0x100,%eax
  400f8f:	eb 2d                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400f91:	b8 85 01 00 00       	mov    $0x185,%eax
  400f96:	eb 26                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400f98:	b8 ce 00 00 00       	mov    $0xce,%eax
  400f9d:	eb 1f                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400f9f:	b8 aa 02 00 00       	mov    $0x2aa,%eax
  400fa4:	eb 18                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400fa6:	b8 47 01 00 00       	mov    $0x147,%eax
  400fab:	eb 11                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400fad:	e8 88 04 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400fb2:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  400fb7:	eb 05                	jmp    400fbe <phase_3+0x7b>
  400fb9:	b8 37 01 00 00       	mov    $0x137,%eax
  400fbe:	3b 44 24 0c          	cmp    0xc(%rsp),%eax
  400fc2:	74 05                	je     400fc9 <phase_3+0x86>
  400fc4:	e8 71 04 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  400fc9:	48 83 c4 18          	add    $0x18,%rsp
  400fcd:	c3                   	retq

可以看到 phase_3 先读入了一个数字,接着跳转到 0x400f6a, 将 (%rsp + 0x8)0x7 进行比较,如果比它大就引爆炸弹,其中 (%rsp + 0x8) 的值就是我们输入的第一个数字。可以运行 GDB 来验证一下这个猜想,将断点打在 0x400f6a 处,对第三炸弹输入 8 9,结果如下图所示:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

如果输入的第一个数字小于等于 7,就暂时不会引爆炸弹。接着运行了 jmpq *0x402470(,%rax,8) 指令,这个指令的作用就是让程序跳转到 M[0x402470 + %rax * 8] 处,此处 %rax 就是输入的第一个数字,由于每个地址 64 位为 8 个字节,所以将 %rax 乘上了 8。下图显示了跳转之前 %rax 的值和跳转表的 8 个地址:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

可以看到输入的第一个数字 0~7 分别对应着:0x400f7c0x400fb90x400f830x400f8a0x400f910x400f980x400f9f0x400fa6。在 phase_3 中,上述地址都是一条对 %rax 进行赋值的指令,赋的值的十进制为 207、311、707、256、389、206、682 和 327。接着将 (%rsp + 0xc)%rax 进行比较,如果不相等就引爆炸弹,否则退出 phase_3,解除炸弹。也就是说第三炸弹的前 2 个数字对应着 8 种正确答案(后面的字符串就无所谓了),当前两个数字为 1 311 时运行结果如下图所示:

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第四炸弹

phase_4 的汇编代码如下:

000000000040100c <phase_4>:
  40100c:	48 83 ec 18          	sub    $0x18,%rsp
  401010:	48 8d 4c 24 0c       	lea    0xc(%rsp),%rcx
  401015:	48 8d 54 24 08       	lea    0x8(%rsp),%rdx
  40101a:	be cf 25 40 00       	mov    $0x4025cf,%esi
  40101f:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  401024:	e8 c7 fb ff ff       	callq  400bf0 <__isoc99_sscanf@plt>
  401029:	83 f8 02             	cmp    $0x2,%eax
  40102c:	75 07                	jne    401035 <phase_4+0x29>
  40102e:	83 7c 24 08 0e       	cmpl   $0xe,0x8(%rsp)
  401033:	76 05                	jbe    40103a <phase_4+0x2e>
  401035:	e8 00 04 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  40103a:	ba 0e 00 00 00       	mov    $0xe,%edx
  40103f:	be 00 00 00 00       	mov    $0x0,%esi
  401044:	8b 7c 24 08          	mov    0x8(%rsp),%edi
  401048:	e8 81 ff ff ff       	callq  400fce <func4>
  40104d:	85 c0                	test   %eax,%eax
  40104f:	75 07                	jne    401058 <phase_4+0x4c>
  401051:	83 7c 24 0c 00       	cmpl   $0x0,0xc(%rsp)
  401056:	74 05                	je     40105d <phase_4+0x51>
  401058:	e8 dd 03 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  40105d:	48 83 c4 18          	add    $0x18,%rsp
  401061:	c3                   	retq

可以看到,phase_4 读入了两个数字(并且只允许输入两个),然后判断输入的第一个数字是否小于等于 14,大于 14 就会引爆炸弹。接着调用了 func4(输入的第一个数字, 0, 14) 。从 func4() 返回后判断 %eax 是否为 0,不为 0 就引爆炸弹,如果 (%rsp + 0xc) 也就是输入的第二个数字不为 0 也会引爆炸弹。为了顺利拆除第四炸弹,有必要分析一下 func4 的执行流程。

0000000000400fce <func4>:
  400fce:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
  400fd2:	89 d0                	mov    %edx,%eax
  400fd4:	29 f0                	sub    %esi,%eax
  400fd6:	89 c1                	mov    %eax,%ecx
  400fd8:	c1 e9 1f             	shr    $0x1f,%ecx
  400fdb:	01 c8                	add    %ecx,%eax
  400fdd:	d1 f8                	sar    %eax
  400fdf:	8d 0c 30             	lea    (%rax,%rsi,1),%ecx
  400fe2:	39 f9                	cmp    %edi,%ecx
  400fe4:	7e 0c                	jle    400ff2 <func4+0x24>
  400fe6:	8d 51 ff             	lea    -0x1(%rcx),%edx
  400fe9:	e8 e0 ff ff ff       	callq  400fce <func4>
  400fee:	01 c0                	add    %eax,%eax
  400ff0:	eb 15                	jmp    401007 <func4+0x39>
  400ff2:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  400ff7:	39 f9                	cmp    %edi,%ecx
  400ff9:	7d 0c                	jge    401007 <func4+0x39>
  400ffb:	8d 71 01             	lea    0x1(%rcx),%esi
  400ffe:	e8 cb ff ff ff       	callq  400fce <func4>
  401003:	8d 44 00 01          	lea    0x1(%rax,%rax,1),%eax
  401007:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
  40100b:	c3                   	retq

func4 的操作可以使用如下的代码来描述:

do {
    rsp -= 0x8;
    rax = rdx;
    rax -= rsi;
    
    // 接下来的三行代码感觉没啥大用,因为正数逻辑右移 31 位之后一定为 0
    rcx = rax;
    rcx >>= 31 // 此处为逻辑右移
    rax += rcx;
    
    rax >>= 1; // rax = rax / 2
    rcx = rax + rsi;
    
    if (rcx <= rdi) {
        rax = 0;
        
        // 其实就是两个相等
        if (rcx >= rdi) {
            rsp += 0x8;
            continue;
        }
        
        rsi = rcx + 1;
        // 下面这条语句应该在 rsp -= 0x8 后执行
        // M[rsp] = 0x401003;
    } else {
        rdx = rcx - 1;
        // 下面这条语句应该在 rsp -= 0x8 后执行
        // M[rsp] = 0x400fee;
    }
    
} while (rsp != 0x40104d)

有上述伪代码可以看到,要想返回的时候 %rax 为 0,就一定不能走到第 23 行,不然执行完 retq 语句后会将 M[%rsp] 的值也就是 0x401003 送到 %rip,程序跳到 lea 0x1(%rcx),%esi 继续执行,之后 %rax 不可能变成 0。在第 23 行没被执行的情况下,%rsi 的值一直都是 0,%rcx 的值可以为下面几种:

  • 14/2 = 7,当 %rdi = 7 时可以直接返回 phase_4 并解除炸弹
  • (7 - 1) / 2 = 3,当 %rdi = 3 时会跳到 add %eax,%eax 1 次才返回 phase_4 并解除炸弹
  • (3 - 1) / 2 = 1,当 %rdi = 1 时会跳到 add %eax,%eax 2 次才返回 phase_4 并解除炸弹
  • (1 - 1) / 2 = 0,当 %rdi = 0 时会跳到 add %eax,%eax 3 次才返回 phase_4 并解除炸弹

来测试一下最后一种情况,因为它最复杂:

(gdb) b *0x40100b
Breakpoint 1 at 0x40100b
(gdb) r
Starting program: /home/zhiyiyo/Documents/CSAPP/bomblab/bomb 
Welcome to my fiendish little bomb. You have 6 phases with
which to blow yourself up. Have a nice day!
Border relations with Canada have never been better.
Phase 1 defused. How about the next one?
1 2 4 8 16 32
That's number 2.  Keep going!
0 207
Halfway there!
0 0

Breakpoint 1, 0x000000000040100b in func4 ()
(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function func4:
   0x0000000000400fce <+0>:     sub    $0x8,%rsp
   0x0000000000400fd2 <+4>:     mov    %edx,%eax
   0x0000000000400fd4 <+6>:     sub    %esi,%eax
   0x0000000000400fd6 <+8>:     mov    %eax,%ecx
   0x0000000000400fd8 <+10>:    shr    $0x1f,%ecx
   0x0000000000400fdb <+13>:    add    %ecx,%eax
   0x0000000000400fdd <+15>:    sar    %eax
   0x0000000000400fdf <+17>:    lea    (%rax,%rsi,1),%ecx
   0x0000000000400fe2 <+20>:    cmp    %edi,%ecx
   0x0000000000400fe4 <+22>:    jle    0x400ff2 <func4+36>
   0x0000000000400fe6 <+24>:    lea    -0x1(%rcx),%edx
   0x0000000000400fe9 <+27>:    callq  0x400fce <func4>
   0x0000000000400fee <+32>:    add    %eax,%eax
   0x0000000000400ff0 <+34>:    jmp    0x401007 <func4+57>
   0x0000000000400ff2 <+36>:    mov    $0x0,%eax
   0x0000000000400ff7 <+41>:    cmp    %edi,%ecx
   0x0000000000400ff9 <+43>:    jge    0x401007 <func4+57>
   0x0000000000400ffb <+45>:    lea    0x1(%rcx),%esi
   0x0000000000400ffe <+48>:    callq  0x400fce <func4>
   0x0000000000401003 <+53>:    lea    0x1(%rax,%rax,1),%eax
   0x0000000000401007 <+57>:    add    $0x8,%rsp
=> 0x000000000040100b <+61>:    retq   
End of assembler dump.
(gdb) si
0x0000000000400fee in func4 ()
(gdb) disassemble
Dump of assembler code for function func4:
   0x0000000000400fce <+0>:     sub    $0x8,%rsp
   0x0000000000400fd2 <+4>:     mov    %edx,%eax
   0x0000000000400fd4 <+6>:     sub    %esi,%eax
   0x0000000000400fd6 <+8>:     mov    %eax,%ecx
   0x0000000000400fd8 <+10>:    shr    $0x1f,%ecx
   0x0000000000400fdb <+13>:    add    %ecx,%eax
   0x0000000000400fdd <+15>:    sar    %eax
   0x0000000000400fdf <+17>:    lea    (%rax,%rsi,1),%ecx
   0x0000000000400fe2 <+20>:    cmp    %edi,%ecx
   0x0000000000400fe4 <+22>:    jle    0x400ff2 <func4+36>
   0x0000000000400fe6 <+24>:    lea    -0x1(%rcx),%edx
   0x0000000000400fe9 <+27>:    callq  0x400fce <func4>
=> 0x0000000000400fee <+32>:    add    %eax,%eax
   0x0000000000400ff0 <+34>:    jmp    0x401007 <func4+57>
   0x0000000000400ff2 <+36>:    mov    $0x0,%eax
   0x0000000000400ff7 <+41>:    cmp    %edi,%ecx
   0x0000000000400ff9 <+43>:    jge    0x401007 <func4+57>
   0x0000000000400ffb <+45>:    lea    0x1(%rcx),%esi
   0x0000000000400ffe <+48>:    callq  0x400fce <func4>
   0x0000000000401003 <+53>:    lea    0x1(%rax,%rax,1),%eax
   0x0000000000401007 <+57>:    add    $0x8,%rsp
   0x000000000040100b <+61>:    retq   
End of assembler dump.
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, 0x000000000040100b in func4 ()
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, 0x000000000040100b in func4 ()
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, 0x000000000040100b in func4 ()
(gdb) c
Continuing.
So you got that one.  Try this one.

可以看到当输入的第一数字为 0 时,确实跳转到 add %eax,%eax 才能返回,最终第四炸弹被成功拆除。

第五炸弹

phase_5 的汇编代码如下所示:

0000000000401062 <phase_5>:
  401062:	53                   	push   %rbx
  401063:	48 83 ec 20          	sub    $0x20,%rsp
  401067:	48 89 fb             	mov    %rdi,%rbx
  40106a:	64 48 8b 04 25 28 00 	mov    %fs:0x28,%rax
  401071:	00 00
  401073:	48 89 44 24 18       	mov    %rax,0x18(%rsp)
  401078:	31 c0                	xor    %eax,%eax
  40107a:	e8 9c 02 00 00       	callq  40131b <string_length>
  40107f:	83 f8 06             	cmp    $0x6,%eax
  401082:	74 4e                	je     4010d2 <phase_5+0x70>
  401084:	e8 b1 03 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  401089:	eb 47                	jmp    4010d2 <phase_5+0x70>
  40108b:	0f b6 0c 03          	movzbl (%rbx,%rax,1),%ecx
  40108f:	88 0c 24             	mov    %cl,(%rsp)
  401092:	48 8b 14 24          	mov    (%rsp),%rdx
  401096:	83 e2 0f             	and    $0xf,%edx
  401099:	0f b6 92 b0 24 40 00 	movzbl 0x4024b0(%rdx),%edx
  4010a0:	88 54 04 10          	mov    %dl,0x10(%rsp,%rax,1)
  4010a4:	48 83 c0 01          	add    $0x1,%rax
  4010a8:	48 83 f8 06          	cmp    $0x6,%rax
  4010ac:	75 dd                	jne    40108b <phase_5+0x29>
  4010ae:	c6 44 24 16 00       	movb   $0x0,0x16(%rsp)
  4010b3:	be 5e 24 40 00       	mov    $0x40245e,%esi
  4010b8:	48 8d 7c 24 10       	lea    0x10(%rsp),%rdi
  4010bd:	e8 76 02 00 00       	callq  401338 <strings_not_equal>
  4010c2:	85 c0                	test   %eax,%eax
  4010c4:	74 13                	je     4010d9 <phase_5+0x77>
  4010c6:	e8 6f 03 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  4010cb:	0f 1f 44 00 00       	nopl   0x0(%rax,%rax,1)
  4010d0:	eb 07                	jmp    4010d9 <phase_5+0x77>
  4010d2:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  4010d7:	eb b2                	jmp    40108b <phase_5+0x29>
  4010d9:	48 8b 44 24 18       	mov    0x18(%rsp),%rax
  4010de:	64 48 33 04 25 28 00 	xor    %fs:0x28,%rax
  4010e5:	00 00
  4010e7:	74 05                	je     4010ee <phase_5+0x8c>
  4010e9:	e8 42 fa ff ff       	callq  400b30 <__stack_chk_fail@plt>
  4010ee:	48 83 c4 20          	add    $0x20,%rsp
  4010f2:	5b                   	pop    %rbx
  4010f3:	c3                   	retq

可以看到 phase_5 开启了金丝雀保护机制,用于防范缓冲区溢出可能造成的安全问题。接着判断输入的字符串的长度,如果不为 6 就引爆炸弹。接下来的代码可以翻译为:

rbx = rdi; // %rdi 保存了输入的字符串的起始地址
for (rax = 0; rax < 6; rax++) {
    rcx = M[rbx + rax];
    M[rsp] = cl;	// %rcx 低八位,将值限制在 0~255 之间
    rdx = M[rsp];
    rdx &= 0xF;		// 将 %rdx 的值限制在 0~15 之间
    rdx = M[rdx + 0x4024b0];
    M[rsp + rax + 0x10] = dl; // %rdx 的低八位
}

M[rsp + 0x16] = 0;
rsi = 0x40245e;
rdi = rsp + 0x10;
if (strings_not_equal(rdi, rsi)) {
    explode_bomb()
}

根据第一炸弹的套路,%rsi 中存的应该是正确字符串的起始地址,由于字符串的长度为 6,所以结果如下图所示:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

可以看到字符串是 flyers,当然第五炸弹可能没有第一炸弹那么简单,直接将 flyers 输到终端就企图解除炸弹只会无功而返,毕竟在 strings_not_equal 之前还有一段干了脏活的代码。再来认真分析一下 for 循环里面都发生了什么。

由于 %rdx 保存了输入的字符串的起始地址,所以 M[rbx + rax] 取出了字符串的一个字符,只留下字符的低 8 位并赋值给 %rdx%rdx 更进一步,只留下了低四位(取值范围 0~15)。之后 rdx = M[rdx + 0x4024b0]0x4024b0 为基地址,加上 0~15 的偏移量,从内存中取出了一个字符并赋给 %rdx。最后把 %rdx 的低 8 位赋值给 M[rsp + rax + 0x10],由于循环进行了 6 次,所以 strings_not_equal 是将 %rsp + 0x10%rsp + 0x15 组成的字符串和 flyers 进行比较。

下图显示了 0x4024b0 开始的 16 个( rdx &= 0xF )字符,里面出现了 flyers 所需的 6 个字母:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

只要让给 0x4024b0 加上 9 就能取到 f,所以字符串的第一个字符应该是 9。而为了取到 l,我们应该给 0x4024b0 加上 15,但是这里对应的字符就不该是 15 的十六进制 F,而应该是低四位全为 1 的某个字符,字符 ? 的的二进制值为 0b11111,满足低四位全 1 的条件,所以字符串的第二位取 ?。根据这个原理可以分别确定出后面几个字符为 >567,最终结果是 9?>567

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

第六炸弹

phase_6 的汇编代码如下所示:

00000000004010f4 <phase_6>:
  4010f4:	41 56                	push   %r14
  4010f6:	41 55                	push   %r13
  4010f8:	41 54                	push   %r12
  4010fa:	55                   	push   %rbp
  4010fb:	53                   	push   %rbx
  4010fc:	48 83 ec 50          	sub    $0x50,%rsp
  401100:	49 89 e5             	mov    %rsp,%r13
  401103:	48 89 e6             	mov    %rsp,%rsi
  401106:	e8 51 03 00 00       	callq  40145c <read_six_numbers>
  40110b:	49 89 e6             	mov    %rsp,%r14
  40110e:	41 bc 00 00 00 00    	mov    $0x0,%r12d
  401114:	4c 89 ed             	mov    %r13,%rbp
  401117:	41 8b 45 00          	mov    0x0(%r13),%eax
  40111b:	83 e8 01             	sub    $0x1,%eax
  40111e:	83 f8 05             	cmp    $0x5,%eax
  401121:	76 05                	jbe    401128 <phase_6+0x34>
  401123:	e8 12 03 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  401128:	41 83 c4 01          	add    $0x1,%r12d
  40112c:	41 83 fc 06          	cmp    $0x6,%r12d
  401130:	74 21                	je     401153 <phase_6+0x5f>
  401132:	44 89 e3             	mov    %r12d,%ebx
  401135:	48 63 c3             	movslq %ebx,%rax
  401138:	8b 04 84             	mov    (%rsp,%rax,4),%eax
  40113b:	39 45 00             	cmp    %eax,0x0(%rbp)
  40113e:	75 05                	jne    401145 <phase_6+0x51>
  401140:	e8 f5 02 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  401145:	83 c3 01             	add    $0x1,%ebx
  401148:	83 fb 05             	cmp    $0x5,%ebx
  40114b:	7e e8                	jle    401135 <phase_6+0x41>
  40114d:	49 83 c5 04          	add    $0x4,%r13
  401151:	eb c1                	jmp    401114 <phase_6+0x20>
  401153:	48 8d 74 24 18       	lea    0x18(%rsp),%rsi
  401158:	4c 89 f0             	mov    %r14,%rax
  40115b:	b9 07 00 00 00       	mov    $0x7,%ecx
  401160:	89 ca                	mov    %ecx,%edx
  401162:	2b 10                	sub    (%rax),%edx
  401164:	89 10                	mov    %edx,(%rax)
  401166:	48 83 c0 04          	add    $0x4,%rax
  40116a:	48 39 f0             	cmp    %rsi,%rax
  40116d:	75 f1                	jne    401160 <phase_6+0x6c>
  40116f:	be 00 00 00 00       	mov    $0x0,%esi
  401174:	eb 21                	jmp    401197 <phase_6+0xa3>
  401176:	48 8b 52 08          	mov    0x8(%rdx),%rdx
  40117a:	83 c0 01             	add    $0x1,%eax
  40117d:	39 c8                	cmp    %ecx,%eax
  40117f:	75 f5                	jne    401176 <phase_6+0x82>
  401181:	eb 05                	jmp    401188 <phase_6+0x94>
  401183:	ba d0 32 60 00       	mov    $0x6032d0,%edx
  401188:	48 89 54 74 20       	mov    %rdx,0x20(%rsp,%rsi,2)
  40118d:	48 83 c6 04          	add    $0x4,%rsi
  401191:	48 83 fe 18          	cmp    $0x18,%rsi
  401195:	74 14                	je     4011ab <phase_6+0xb7>
  401197:	8b 0c 34             	mov    (%rsp,%rsi,1),%ecx
  40119a:	83 f9 01             	cmp    $0x1,%ecx
  40119d:	7e e4                	jle    401183 <phase_6+0x8f>
  40119f:	b8 01 00 00 00       	mov    $0x1,%eax
  4011a4:	ba d0 32 60 00       	mov    $0x6032d0,%edx
  4011a9:	eb cb                	jmp    401176 <phase_6+0x82>
  4011ab:	48 8b 5c 24 20       	mov    0x20(%rsp),%rbx
  4011b0:	48 8d 44 24 28       	lea    0x28(%rsp),%rax
  4011b5:	48 8d 74 24 50       	lea    0x50(%rsp),%rsi
  4011ba:	48 89 d9             	mov    %rbx,%rcx
  4011bd:	48 8b 10             	mov    (%rax),%rdx
  4011c0:	48 89 51 08          	mov    %rdx,0x8(%rcx)
  4011c4:	48 83 c0 08          	add    $0x8,%rax
  4011c8:	48 39 f0             	cmp    %rsi,%rax
  4011cb:	74 05                	je     4011d2 <phase_6+0xde>
  4011cd:	48 89 d1             	mov    %rdx,%rcx
  4011d0:	eb eb                	jmp    4011bd <phase_6+0xc9>
  4011d2:	48 c7 42 08 00 00 00 	movq   $0x0,0x8(%rdx)
  4011d9:	00
  4011da:	bd 05 00 00 00       	mov    $0x5,%ebp
  4011df:	48 8b 43 08          	mov    0x8(%rbx),%rax
  4011e3:	8b 00                	mov    (%rax),%eax
  4011e5:	39 03                	cmp    %eax,(%rbx)
  4011e7:	7d 05                	jge    4011ee <phase_6+0xfa>
  4011e9:	e8 4c 02 00 00       	callq  40143a <explode_bomb>
  4011ee:	48 8b 5b 08          	mov    0x8(%rbx),%rbx
  4011f2:	83 ed 01             	sub    $0x1,%ebp
  4011f5:	75 e8                	jne    4011df <phase_6+0xeb>
  4011f7:	48 83 c4 50          	add    $0x50,%rsp
  4011fb:	5b                   	pop    %rbx
  4011fc:	5d                   	pop    %rbp
  4011fd:	41 5c                	pop    %r12
  4011ff:	41 5d                	pop    %r13
  401201:	41 5e                	pop    %r14
  401203:	c3                   	retq

这段代码体积有点大,不过拆弹小分队还是得忍一下。phase_6 首先读入了 6 个数字,接着从 0x40110e0x401151 的代码可以翻译为:

r12d = 0;
while (True) {
    rbp = r13;		// 输入的数字的地址
    rax = M[r13];
    rax -= 1;
    
    // M[r13] 的取值范围在 1~6 之间
    if (rax > 5 ) {
        explode_bomb();
    }
    
    r12d += 1;
    if (r12d == 6) break;
    
    for (rbx = r12d; rbx <= 5; rbx++) {
        rax = rbx;
        if (rax == M[rsp]) {
            explode_bomb();
        }
    }
    
    r13 += 4;
}

上述代码中 %r13 存储的是输入的数字的地址,如下图所示:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

根据上述代码可以确定输入的数字应该在 1~6 之间,并且不能重复,不然就会引爆第六炸弹。从 0x4011530x40116d 的代码可以翻译为:

rsi = rsp + 18;
rax = r14;  // 输入数字的开始地址
do {
    rdx = 7 - M[rax];
    M[rax] = rdx;
    rax += 4;
} while (rsi != rax)

此处 %r14%r13 一样存的是输入数字的开始地址(不贴图了),而上述代码的作用就是用 7 减去每个输入的数字并作为新值。接下来的代码就有点混乱了,反复横跳,所以这里先看下最后一段代码 0x4011da0x4011f5 的翻译:

for (rbp = 5; rbp > 1; rbp--) {
    rax = M[rbx + 8];
    eax = M[rax];		// 只保留四个字节,高位填充 0
    
    if (M[rbx] < eax) {
        explode_bomb();
    }
    
    rbx = M[rbx + 8];	// rbx 滞后 rax
}

由此可见 %rbx 是一个二重指针,需要解引用两次才能拿到正确的值,这段代码用来确定一段内存是否已降序排列,如果不满足降序条件就会引爆第六炸弹。如果输入的 6 个数字为 6~1,在开始检查是否满足倒序条件之前暂停程序,可以看到内存中以 %rbx 为起始地址的 12 个 8 字节数,其中左侧一列的低 32 位用来比较大小,右侧一列用来作为 %rax 和下次 %rbx 存放的地址:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

根据上述信息,再来审视没提及的那一部分汇编代码,其实就是根据用户输入的数字,改变右侧一栏的地址和 %rbx 的初始值。如果将 %rbx 的初始值设置为 0x6032f0,沿着左侧一栏向下,到底之后回到 0x6032d0,一路得到的序列就是递减的。由此可以得到输入的数字为 4 3 2 1 6 5(被 7 减过得到的)。结果如下:

CSAPP 之 BombLab 详解-LMLPHP

总结

通过这次实验,可以熟悉 GDB 调试工具的使用方法,同时也能看懂一些汇编代码了()。拆了这么久的炸弹,中间还失败过好多次,希望人质没事,以上~~

05-14 14:26