符号执行-基于python的二进制分析框架angr

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符号执行概述

在学习这个框架之前首先要知道符号执行。
符号执行技术使用符号值代替数字值执行程序，得到的变量的值是由输入变 量的符号值和常量组成的表达式。符号执行技术首先由King在1976年提出 ，经过三十多年的发展，现在仍然被广泛研究，它在软件测试和程序验证中发挥着重 要作用。符号执行是一种重要的形式化方法和静态分析技术，它使用数学和逻辑 首先定义一些基本概念。程序的路径（path）是程序的一个语句序列，这个 语句序列包括程序的一些顺序的代码片段，代码片段之间的连接是由于分支语句 导致的控制转移。一个路径是可行的（feasible），是指存在程序输入变量的至少一组值，如果以这组值作为输入，程序将沿着这条路径执行。否则，路径就是不 可行的（infeasible）。路径条件（path condition,PC）是针对一个路径的，它是一 个关于程序输入变量的符号值的约束，一组输入值使得程序沿着这条路径执行当 且仅当这组输入值满足这条路径的路径条件。具体看这里，链接

angr框架介绍

在二进制代码中寻找并且利用漏洞是一项非常具有挑战性的工作，它的挑战性主要在于人工很难直观的看出二进制代码中的数据结构、控制流信息等。angr是一个基于python的二进制漏洞分析框架，它将以前多种分析技术集成进来，方便后续的安全研究人员的开发。­­­它能够进行动态的符号执行分析（如，KLEE和Mayhem），也能够进行多种静态分析。
当然这款工具在CTF中的运用还是比较火的，在一些国际比赛中经常会看到它所带来的神奇之处，比如下面我们将要讲的的DEFCON CTF Qualifier 2016 baby-re这道题它仅仅用了10min就完成看了自动化分析拿到了flag。angr的github地址为，链接

angr的安装

理论上来说angr目前支持linux、windows、MAC多个平台。但是支持的最好的还是linux平台。Windows平台下由于相关的依赖库文件较难安装，因此不太建议在windows上安装。
接下来我们介绍一下ubuntu上的安装。

• 安装独立python虚拟环境，virtualenvwrapper是一个python的虚拟环境，使用这个的主要原因是angr会对于libz3 or libVEX产生修改，为了防止对已经安装的库的修改而影响到到之后其他程序的使用，使用一个python的虚拟机环境是一个不错的选择。

  1	sudo apt-get install python-dev libffi-dev build-essential virtualenvwrapper

此时virtualenvwrapper就可以使用了,常用命令如下：

1. 列出虚拟环境列表:workon，也可以使用：lsvirtualenv
2. 新建虚拟环境:mkvirtualenv [虚拟环境名称]
3. 启动/切换虚拟环境:workon [虚拟环境名称]
4. 删除虚拟环境:rmvirtualenv [虚拟环境名称]
5. 离开虚拟环境:deactivate

• 接着angr安装

1	pip install angr

安装好以后我们启动虚拟环境，进入虚拟的python库后就可以载入angr库了

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longlong@ubuntu:~/examples/defcon2016quals_baby-re_0$ workon angr (angr) longlong@ubuntu:~/examples/defcon2016quals_baby-re_0$ python Python 2.7.6 (default, Oct 26 2016, 20:30:19) [GCC 4.8.4] on linux2 Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information. >>> import angr

angr的使用之简单例子一

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#include <stdio.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> char *sneaky = "SOSNEAKY"; int authenticate(char *username, char *password) { char stored_pw[9]; stored_pw[8] = 0; int pwfile; // evil back d00r if (strcmp(password, sneaky) == 0) return 1; pwfile = open(username, O_RDONLY); read(pwfile, stored_pw, 8); if (strcmp(password, stored_pw) == 0) return 1; return 0; } int accepted() { printf("Welcome to the admin console, trusted user!\n"); } int rejected() { printf("Go away!"); exit(1); } int main(int argc, char **argv) { char username[9]; char password[9]; int authed; username[8] = 0; password[8] = 0; printf("Username: \n"); read(0, username, 8); read(0, &authed, 1); printf("Password: \n"); read(0, password, 8); read(0, &authed, 1); authed = authenticate(username, password); if (authed) accepted(); else rejected(); }

这个程序的逻辑很简单，样例程序的功能就是让你输入用户名和密码，然后authenticate函数会进行检验，如果失败就显示Go away，反之就显示认证成功。
接下来我们用angr编写利用脚本

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#!/usr/bin/env python #_*_ coding:utf-8 _*_ import angr def basic_symbolic_execution(): p = angr.Project('fauxware') #新建一个angr的工程，括号中是目标二进制程序的路径 state = p.factory.entry_state() #接着新建一个SimState的对象 path = p.factory.path(state) #使用factory.path这个容器获取state的起点path对象 pathgroup = p.factory.path_group(path) #根据前面获取的函数入口点的path对象，利用path_group容器获取沿着path开端下面将会执行的path列表 pathgroup.step(until=lambda lpg: len(lpg.active) > 1)#接下来就让pathgroup对象一直执行下去，直到执行到可选择的路径个数大于一个，即产生选择分支的时候，再停止。 #对应在上述的简单程序中authenticate函数的 if (strcmp(password, sneaky) == 0)这个条件判断语句 input_0 = pathgroup.active[0].state.posix.dumps(0) #dump出所有分支的内容，看看哪个答案应该是最可能的 input_1 = pathgroup.active[1].state.posix.dumps(0) if 'SOSNEAKY' in input_0: return input_0 else: return input_1 def test(): pass if __name__ == '__main__': print basic_symbolic_execution()

结果如下：

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(angr) longlong@ubuntu:~/examples/fauxware$ python solve.py SOSNEAKY (angr) longlong@ubuntu:~/examples/fauxware$

angr的使用之简单例子二（CTF题）

这道题是DEFCON CTF Qualifier 2016 baby-re0，在打开二进制可执行文件后，我们向下移动到主要的底部，看到0x4028e7有两条非常明显的路径，一条路径是0x402941，打印出错误。另一条是0x4028e9，将会打印出flag。但是这个程序的中间有大量的繁琐的指令，看的人眼花缭乱，接下来我们用angr解决这个问题。

脚本如下：

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#!/usr/bin/env python2 #_*_ coding:UTF-8 _*_ import angr def main(): proj = angr.Project('./baby-re', load_options={'auto_load_libs': False}) path_group = proj.factory.path_group(threads=4) # 设置了四个线程，对于这个程序线程再多了没意义 # 如果是0x40294b就执行，如果是0x402941就不去执行 path_group.explore(find=0x40294b, avoid=0x402941) # flag在0x40292c的位置 print path_group.found[0].state.posix.dumps(0) return path_group.found[0].state.posix.dumps(1) # dumps出flag if __name__ == '__main__': print(repr(main()))

结果如下：

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(angr) longlong@ubuntu:~/examples/defcon2016quals_baby-re_0$ python solve.py WARNING | 2017-04-09 16:34:11,976 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:34:14,865 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:34:19,274 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:34:26,447 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:34:38,414 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:34:58,141 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:35:24,905 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:36:00,673 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:36:45,998 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:37:48,193 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:39:20,551 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:41:20,080 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. WARNING | 2017-04-09 16:44:18,468 | simuvex.plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing. +000000077+000000097+000000116+000000104+000000032+000000105+000000115+000000032+000000104+000000097+000000114+000000100+000000033B 'Var[0]: Var[1]: Var[2]: Var[3]: Var[4]: Var[5]: Var[6]: Var[7]: Var[8]: Var[9]: Var[10]: Var[11]: Var[12]: The flag is: Math is hard!\n' (angr) longlong@ubuntu:~/examples/defcon2016quals_baby-re_0$

大概10min后我们得到的flag 是Math is hard!