【CSAPP】探究BombLab奥秘:Phase_2的解密与实战

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📋 前言

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欢迎来到我的【CSAPP】炸弹实验室!这里是探索计算机系统世界的秘境,我的学习笔记博客为你打开CSAPP的炸弹之门。在这里,我不仅分享计算机系统的基础知识和高级技巧,还有着涉猎实用技术和项目经验的爆炸药水。无论你是初学者还是计算机大师,这个实验室会为你施展出神秘的学习魔法,帮助你在CSAPP的炸弹领域中踏上一场惊险之旅。准备好了吗?跟着我,让我们一起解除那些迷人的炸弹代码,揭示计算机系统的神奇面纱!

目录

📋 前言

🌺1. CSAPP与Bomb简介

🍀1.1 CSAPP

🍀1.2 Bomb

🌺2. bomb

🍀2.1 实验环境

🍀2.2 实验过程

🍀2.3 phase_2

🍀2.4 实验结果

🍀2.5 实验体会

📝 总结 


🌺1. CSAPP与Bomb简介

🍀1.1 CSAPP

《CSAPP》是指计算机系统基础课程的经典教材《Computer Systems: A Programmer's Perspective》,由Randal E. Bryant和David R. O'Hallaron编写。该书的主要目标是帮助深入理解计算机系统的工作原理,包括硬件和软件的相互关系,其涵盖了计算机体系结构、汇编语言、操作系统、计算机网络等主题,旨在培养学生系统级编程和分析的能力。


🍀1.2 Bomb

"Bomb实验" 是与CSAPP教材相关的一项编程实验。它是一种反汇编和逆向工程任务,旨在教授如何分析和解决复杂的程序问题。Bomb实验的目标是解开一系列的"炸弹",每个炸弹都有不同的解锁方法,需要分析程序的汇编代码,理解其工作原理,并找到正确的输入来解除炸弹。这个实验教授了计算机系统的底层知识,包括汇编语言和程序执行的原理。

资源获取:关注文末公众号回复  CSAPP Bomb实验


🌺2. bomb

🍀2.1 实验环境

  • VMware Workstation虚拟机环境下的Ubuntu 64位。

🍀2.2 实验过程

实验准备阶段:首先需要使用ubuntu联网环境跳转到链接下载实验所需的bomblab:Bomblab源文件

下载bomblab压缩包并输入

tar –xvf bomb.tar

进行解压缩,进入该目录所有文件如下所示:

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在终端输入

sudo apt-get install gdb

安装调试器。基本用法参考下图:

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实验过程阶段:

“Binary bombs”是一个可在Linux系统上运行的C程序,它由6个不同的阶段(phase1~phase6)组成。在每个阶段,程序会要求输入一个特定的字符串。如果输入的字符串符合程序的预期输入,那么这个阶段的炸弹就会被“解除”,否则炸弹就会“爆炸”,并输出“BOOM!!!”的提示信息。实验的目的是尽可能多地解除这些炸弹的阶段。

每个炸弹阶段考察了机器级语言程序的一个不同方面,难度逐级递增:

* 阶段1:字符串比较

* 阶段2:循环

* 阶段3:条件/分支

* 阶段4:递归调用和栈

* 阶段5:指针

* 阶段6:链表/指针/结构

在炸弹拆除任务中,还存在一个隐藏阶段。然而,只有在第四个阶段解决后添加特定的字符串后,该隐藏阶段才会出现。为了完成任务,需要使用gdb调试器和objdump反汇编炸弹的可执行文件,然后单步跟踪每个阶段的机器代码,理解每个汇编语言的行为或作用。这将帮助“推断”出拆除炸弹所需的目标字符串。为了调试,可以在每个阶段的开始代码前和引爆炸弹的函数前设置断点。

在终端输入

objdump -d bomb > bomb.asm

得到bomb的反汇编文件bomb.asm如下所示。

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🍀2.3 phase_2

phase_2是一个需要解密密码的关卡,需要输入一个字符串来解锁该关卡。如果输入的字符串符合要求,则可以成功通关,否则会引爆炸弹,导致失败。

进入反汇编文件bomb.asm

vim bomb.asm

在未插入处输入下列指令查找phase_2的位置。

/phase_2

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分析反汇编代码的phase_2部分内容如下:

1.push   %rbp: 将寄存器%rbp的值压入栈中。

2.push   %rbx: 将寄存器%rbx的值压入栈中。

3.sub    $0x28,%rsp:修改栈指针寄存器 %rsp 的值,以便在栈上分配一段新的空间。

3.callq  40145c <read_six_numbers>:调用一个名为"read_six_numbers"的函数。

5.je     400f30 <phase_2+0x34>:进行条件跳转。在该指令中,je 表示条件跳转指令,400f30 <phase_2+0x34> 是跳转目标地址,表示如果前面的条件成立,则会跳转到这个地址处执行后续的指令

……

可以发现phase_2函数有以下几个步骤:

  1. 将数据压入栈中;
  2. 减少栈指针40,为局部变量提供空间;
  3. 将栈指针存入%rsi寄存器中;
  4. 调用两个explode_bomb函数;
  5. 调用read_six_numbers函数读取6个数字。

尝试随意输入6个数字,如下:

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为了解题,需要使%rsp的值为1,以便程序执行jmp指令跳过explode_bomb函数。jmp指令的目标地址是400f30,对应的指令为lea,用于加载有效地址。在调用read_six_numbers函数时,需要输入6个数字,该函数的地址为40145c,可以发现401480: mov $0x4025c3,%esi ,类似Phase 1向寄存器中转入数据(对应字符串),于是输入print (char*)0x4025c3进行测试,结果如下:

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说明密钥需要6个整型数。回到phase_2反汇编进行分析,可以分析有一个循环,此时,结果上述循环,各寄存器对应的值如下:

%rbx

%rbp

%eax

%rsp+4

%rsp+24

(%rsp)*2=2

%rsp+8

(%rsp+4)*2=4

%rsp+12

(%rsp+8)*2=8

%rsp+16

(%rsp+12)*2=16

%rsp+20

(%rsp+16)*2=32

%rsp+24

循环部分对应C代码

int i;
int a[6];
a[0] = 1;
for(i=1;i<6;i++)
{
     a[i] = a[i-1]*2;
}

该代码段实现了对一组数的比较操作,并判断其中是否存在某个数是前一个数的2倍。这段代码是汇编语言的实现,对于不熟悉汇编语言的人来说,可能比较难懂。对这段代码进行详细的解析。

1.这段代码是一个循环操作,它对一组数进行比较,并且判断其中是否存在某个数是前一个数的2倍。这组数存储在栈中,栈顶元素即为第一个数。 在代码执行的开始,我们可以看到一条cmp指令,它将栈顶元素与立即数0x1进行比较。如果相等,说明第一个输入数为1,此时会跳转到地址400f30处;如果不相等,说明第一个输入数不是1,此时会跳转到地址400f17处。

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2.在地址400f30处,我们可以看到两条lea指令,它们将%rsp+4和%rsp+24对应的地址分别存储到%rbx和%rbp寄存器中。%rbx寄存器存储的是第二个输入数的地址,%rbp寄存器存储的是第六个输入数后面的地址。

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3.代码跳转到地址400f17处。可以看到sub指令,它将%rbx的值减去4,并将其对应的内存地址中的值(即前一个数)存储到%eax寄存器中。接着,将%eax的值乘以2,并将其与%rbx对应的内存地址中的值(即当前数)进行比较。如果相等,说明当前数是前一个数的2倍,此时会跳转到地址400f25处;如果不相等,说明当前数不是前一个数的2倍,此时会跳转到地址400f17处。

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4.在地址400f25处,我们可以看到一条add指令,它将%rbx的值加上4。接着,代码会判断%rbx的值是否等于%rbp的值,如果不相等,则说明还没有处理完所有的数,此时会跳转到地址400f17处;如果相等,则说明已经处理完所有的数,此时会跳转到地址400f3c处,结束循环。 在循环中,代码会从栈中逐个取出这些数,并进行比较操作。如果存在某个数是前一个数的2倍,代码会跳转到地址400f25处,否则会跳转到地址400f17处。这个循环会一直执行,直到处理完所有的数,才会跳转到地址400f3c处,结束循环。

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通过以上的分析,可以得到这组数的具体值。这组数分别为1,2,4,8,16,32。

在终端输入

./bomb

填入密钥

1 2 4 8 16 32

结果显示phase_2通关。

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综上所述,解决phase_2的过程的难点是分析反汇编代码的循环部分,找到循环结束的位置,在循环中,代码会从栈中逐个取出这些数,并进行比较操作。如果存在某个数是前一个数的2倍,代码会跳转到地址400f25处,否则会跳转到地址400f17处。这个循环会一直执行,直到处理完所有的数,才会跳转到地址400f3c处,结束循环。

Phase_2中每句代码的作用解释如下所示。

0000000000400efc <phase_2>:
  400efc:  55                       push   %rbp    //把数据压入栈
  400efd:  53                       push   %rbx   //把数据压入栈
  400efe:  48 83 ec 28              sub    $0x28,%rsp //把栈指针减少40,提供局部变量空间
  //申请空间
  400f02:  48 89 e6                 mov    %rsp,%rsi  //把栈指针状态存入%rsi中
  400f05:  e8 52 05 00 00           callq  40145c <read_six_numbers>  // 调用函数read_six_numbers,读取6个数字,此时(%rsp)已被赋值
 400f0a:   83 3c 24 01              cmpl   $0x1,(%rsp)  //(%rsp)的值即输入的第一个参数的值,将(%rsp)的值与1比较
  400f0e:  74 20                    je     400f30 <phase_2+0x34> //若相等则跳转至400f30
  400f10:  e8 25 05 00 00           callq  40143a <explode_bomb>  //否则爆炸
  400f15:  eb 19                    jmp    400f30 <phase_2+0x34>  //jmp指令无条件跳转,直接跳转至400f30
  400f17:  8b 43 fc                 mov    -0x4(%rbx),%eax
  400f1a:  01 c0                    add    %eax,%eax      //%eax的值*2
  400f1c:  39 03                    cmp    %eax,(%rbx)    //比较%eax的值和此时%rbx对应的内存的值
  400f1e:  74 05                    je     400f25 <phase_2+0x29>    //若相等则跳转至400f25
  400f20:  e8 15 05 00 00           callq  40143a <explode_bomb>     //否则爆炸
  400f25:  48 83 c3 04              add    $0x4,%rbx        //%rbx的值(地址)加4
  400f29:  48 39 eb                 cmp    %rbp,%rbx        //比较两个寄存器的值,判断是否比较完6个数
  400f2c:  75 e9                    jne    400f17 <phase_2+0x1b>   //若不相等,则进行跳转至400f17,即循环没结束
  400f2e:  eb 0c                    jmp    400f3c <phase_2+0x40>   //否则直接跳转至400f3c,循环结束标志
  400f30:  48 8d 5c 24 04           lea    0x4(%rsp),%rbx       //将%rsp+4代表的地址移入%rbx,即第2个输入数的地址
  400f35:  48 8d 6c 24 18           lea    0x18(%rsp),%rbp      //将%rsp+24代表的地址移入%rbp,即第6个输入数的后一块地址
  400f3a:  eb db                    jmp    400f17 <phase_2+0x1b>    //直接跳转至400f17
  //释放空间
  400f3c:  48 83 c4 28              add    $0x28,%rsp
  400f40:  5b                       pop    %rbx
  400f41:  5d                       pop    %rbp
  400f42:    c3                       retq

🍀2.4 实验结果

以上代码均存储在bomb_idea.txt文件中,每行代表对应的关卡,各阶段密钥如下所示:

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在终端输入

./bomb result.txt

显示全部通关。

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🍀2.5 实验体会

  1. 解密挑战: 在CSAPP的BombLab实验中,Phase_2成为了一次解密的重大挑战。通过逆向工程和仔细分析程序逻辑,成功理解了Phase_2的设计思想,揭示了其中隐藏的奥秘。

  2. 实战经验: 实验过程中,通过灵活运用逆向技术和调试工具,顺利攻克了Phase_2的难题。实战经验让我更加熟悉了计算机系统底层的运行机制,为后续学习和实践奠定了坚实基础。

  3. 深刻领悟: 通过探究Phase_2,不仅在技术上有所提升,更对计算机系统的安全性和程序设计的复杂性有了更深刻的领悟。这次实验不仅仅是技术挑战,更是对计算机科学精髓的一次深刻探索。


📝 总结 

计算机系统的世界,如同一座未被揭示奥秘的古老迷宫,引领你勇敢踏入计算机科学的神秘领域。CSAPP的Bomblab实验便是这场独特的学习冒险,从基本概念到底层实现,逐步揭示更深层次的计算机系统内核、汇编语言和数据结构的奥秘。

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