【学习记录】Week11（二）：House of 系列精讲—— 无 free 时代的破局与堆块合并的艺术

写在前面：在上一篇中，我们学习了 House of Spirit、Force 和 Lore，掌握了伪造堆块、劫持 Top Chunk 和 Smallbin 的基本法。今天，我们将挑战 House 系列中更具实战意义、难度也更高的三种技术：House of Einherjar、House of Rabbit 与 House of Orange。这些技术常常出现在 glibc 2.23-2.27 的高质量 CTF 题目中，特别是当题目限制了free函数，或者只提供了极小范围的溢出时，它们将是破局的关键。

📑 目录

1. House of Einherjar：断链重生的 Off-by-null 合并术
2. House of Rabbit：移花接木的 Fastbin 合并术
3. House of Orange：无 free 时代的 IO_FILE 劫持鼻祖
4. 总结与 Week 11 展望

1. House of Einherjar：断链重生的 Off-by-null 合并术

1.1 漏洞原理

House of Einherjar 的核心在于利用Off-by-null（单字节 NULL 溢出）强行触发堆块的后向合并。

在 glibc 中，当一个 chunk 被释放且非 fastbin/tcache 大小时，堆管理器会检查其前一个 chunk（通过PREV_INUSE位判断）。如果PREV_INUSE位为 0，说明前一个 chunk 处于空闲状态，glibc 会将当前 chunk 与前一个 chunk合并，以减少内存碎片。

如果我们能通过溢出将目标 chunk 的size字段最低位覆盖为\x00（清零PREV_INUSE位），并伪造目标 chunk 的prev_size字段，我们就能欺骗 glibc：让它以为目标 chunk 的前面（相距prev_size字节处）存在一个巨大的、空闲的 chunk。随后触发free，glibc 就会执行 Unlink 操作，将这个伪造的“前一个 chunk”从链表中摘除并合并。

1.2 利用条件

1. Off-by-null 漏洞：能覆盖相邻 chunk 的size最低字节为\x00。
2. 可控的 prev_size：能伪造目标 chunk 的prev_size，使得target_addr - prev_size指向我们控制的 Fake Chunk。
3. 绕过 Unlink 检查：伪造的 Fake Chunk 必须满足FD->bk == P && BK->fd == P（已知指针绕过法）。
4. 触发 free：能够释放目标 chunk。

1.3 利用流程与数学布局

假设我们要在地址 A 处伪造一个 Fake Chunk，已知全局指针ptr指向 A。目标 chunk B 紧随其后。

1. 构造 Fake Chunk (A)：设置size为一个不被 fastbin/tcache 管理的大小（如 0x90），设置fd = &ptr - 0x18，bk = &ptr - 0x10。
2. 计算 prev_size：假设 B 的地址为addr_B。我们需要设置 B 的prev_size = addr_B - addr_A。
3. 触发 Off-by-null：溢出覆盖 B 的size最低字节为\x00。
4. 释放 B：glibc 检查PREV_INUSE为 0，读取prev_size，找到 Fake Chunk A。对 A 执行 Unlink，合并 A 和 B。
5. 结果：ptr被修改为&ptr - 0x18，合并后的大 chunk 包含了 B 的区域，造成堆重叠，后续可利用 Tcache Poisoning 等手法获取 Shell。

1. 在已知指针处构造 Fake Chunk
满足 Unlink 检查

2. 计算偏移
设置目标 Chunk B 的 prev_size

3. 触发 Off-by-null
覆盖 B 的 size 低位为 \x00

4. 释放 Chunk B

5. glibc 触发后向合并
对 Fake Chunk 执行 Unlink

6. 合并产生堆重叠
全局指针被篡改

7. 任意地址写 -> Getshell

2. House of Rabbit：移花接木的 Fastbin 合并术

2.1 漏洞原理

House of Rabbit 利用的是 glibc 在将 fastbin 中的 chunk 放入 unsorted bin 时的malloc_consolidate机制。

当程序申请一个较大的内存（大于 fastbin 最大值）时，或者调用malloc_trim时，glibc 会遍历 fastbin 链表，将里面的 chunk 逐个取出，进行相邻 chunk 的合并，并放入 unsorted bin。
合并逻辑会检查 fastbin chunk 的前后相邻 chunk 是否空闲。如果空闲则合并。
如果我们通过漏洞（如堆溢出）修改了 fastbin 链表中某个 chunk 的size字段，使其变小，或者修改了其相邻 chunk 的prev_size，就能在malloc_consolidate过程中制造出堆块重叠。

2.2 利用场景

这种技术通常用于绕过 fastbin 大小限制或在无 free 的情况下制造重叠。

典型利用步骤（缩小 size 法）：

1. 分配三个连续的 chunk A (0x31), B (0x31), C (0x91)。
2. 释放 A 进入 fastbin。
3. 利用溢出修改 A 的size从0x31变为0x21。
4. 触发malloc_consolidate（例如申请一个 large chunk）。
5. glibc 取出 A (size=0x21)，认为它的下一个 chunk 是A_addr + 0x20，这正好落在了原本属于 B 的头部！如果 B 此时处于 inuse 状态，glibc 会认为合并失败，将 A(0x21) 放入 unsorted bin。
6. 但此时，A 和 B 在逻辑上产生了错位。后续如果再次分配，可以从 unsorted bin 切割出 A，而 C 的区域依然存在，造成严重重叠。

2.3 限制与注意

• 高版本 glibc 对 fastbin 的size检查变严，修改 size 必须保证仍在 fastbin 范围内且对齐。
• 需要精确控制相邻 chunk 的状态，防止在 consolidate 时触发corrupted size vs. prev_size的崩溃。

3. House of Orange：无 free 时代的 IO_FILE 劫持鼻祖

3.1 漏洞原理

House of Orange 是堆漏洞利用史上的里程碑。它解决了两个难题：程序没有 free 函数如何释放堆块？以及如何在没有控制函数指针的情况下劫持控制流？

第一阶段：无 free 释放堆块 (Top Chunk 劫持)
当程序没有 free 时，我们只能通过malloc来操作堆。如果通过溢出修改 Top Chunk 的 size，使其变得很小（但必须满足对齐和剩余空间大于 MINSIZE 等条件），下一次申请一个大于该 size 的内存时，glibc 会认为 Top Chunk 不够用，触发sysmalloc。
sysmalloc会将旧的 Top Chunk 放入 Unsorted Bin（相当于执行了 free），并向操作系统申请新的页作为新的 Top Chunk。这样我们就成功在无 free 的情况下获得了 Unsorted Bin 中的 chunk，可以用来泄露 libc 地址。

第二阶段：FSOP (File Stream Oriented Programming) 劫持控制流
在 glibc 2.23 中，当malloc遇到错误（如堆块校验失败）时，会调用malloc_printerr->__libc_message->abort->_IO_flush_all_lockp。
这个刷新 IO 流的操作会遍历_IO_list_all链表。如果我们能通过 Unsorted Bin Attack 将_IO_list_all修改为main_arena + 88（即 Unsorted Bin 的链表头），并将一个伪造的 IO_FILE 结构体链接进去，当程序再次触发 malloc 错误时，就会调用我们伪造的 IO_FILE 里的虚表函数（通常是overflow函数），从而劫持控制流执行system("/bin/sh")。

3.2 利用流程图

flowchart TD subgraph 第一阶段：泄露与伪造 A[1. 溢出修改 Top Chunk size] --> B[2. malloc 触发 sysmalloc] B --> C[3. 旧 Top Chunk 进入 Unsorted Bin] C --> D[4. 泄露 Libc 地址与堆地址] D --> E[5. 在 Unsorted Bin 构造 Fake IO_FILE] end subgraph 第二阶段：触发与劫持 F[6. Unsorted Bin Attack<br>覆盖 _IO_list_all = main_arena+88] --> G[7. 故意触发 malloc 错误<br>如破坏链表] G --> H[8. 调用 abort -> _IO_flush_all_lockp] H --> I[9. 遍历到 Fake IO_FILE] I --> J[10. 调用伪造的 vtable->__overflow] J --> K[11. 执行 system('/bin/sh')] end E --> F

3.3 现代演变

在 glibc 2.24+ 中，引入了_IO_str_jumps虚表检查和对 IO_FILE vtable 的范围限制，传统的 House of Orange 失效。但其核心思想演变出了House of Orange 2.0 (利用_IO_str_overflow)、House of Roman等利用 IO_FILE 结构的新技术。理解 Orange 是掌握所有高版本 IO_FILE 攻击的基础。

4. 总结与 Week 11 展望

4.1 核心知识点总结

1. House of Einherjar：利用 Off-by-null 清除PREV_INUSE位，伪造prev_size触发后向合并，制造堆重叠并绕过 Unlink 检查。
2. House of Rabbit：利用malloc_consolidate合并 fastbin 的机制，通过修改 fastbin chunk 的 size 制造错位重叠。
3. House of Orange：无 free 环境下，通过破坏 Top Chunk 触发sysmalloc释放堆块，结合 Unsorted Bin Attack 劫持_IO_list_all，利用 FSOP 调用伪造虚表获取 Shell。

4.2 防御与缓解

• glibc 2.29+：引入了严格的prev_size一致性检查，使得 Einherjar 的触发条件变得极其苛刻。
• glibc 2.24+：引入了 vtable 范围检查，封堵了原版 House of Orange 的虚表劫持。
• 安全编码：杜绝 NULL 字节溢出（特别是strncpy的误用），严格控制堆溢出边界。

4.3 展望

本周我们深入探讨了 House of 系列的经典技术。从中我们可以看到，堆漏洞利用的本质是“通过破坏堆元数据，欺骗堆管理器执行非预期的操作”。随着 glibc 防御机制的升级，这些老技术或被修补，或演化出新的绕过姿势。在未来的学习中，我们将遇到更多结合 IO_FILE、Tcache Stashing Unlink 等新型攻击链。

最终结论：House of 系列是堆漏洞利用的艺术结晶。掌握它们不仅能让你在面对古董级 CTF 题目时游刃有余，更能让你深刻理解 ptmalloc2 的底层架构，为研究高版本堆利用打下坚实的理论基础。

参考文献：

1. The Malloc Maleficarum - Phantasmal Phantasmagoria
2. CTF Wiki - Heap Exploitation: House of Einherjar & Orange
3. glibc malloc.c 源码分析