Double Free

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Basic Information

Se você liberar um bloco de memória mais de uma vez, isso pode bagunçar os dados do alocador e abrir a porta para ataques. Veja como isso acontece: quando você libera um bloco de memória, ele volta para uma lista de blocos livres (por exemplo, o "fast bin"). Se você liberar o mesmo bloco duas vezes seguidas, o alocador detecta isso e gera um erro. Mas se você liberar outro bloco no meio, a verificação de double-free é contornada, causando corrupção.

Agora, quando você pede nova memória (usando malloc), o alocador pode lhe dar um bloco que foi liberado duas vezes. Isso pode levar a dois ponteiros diferentes apontando para o mesmo local de memória. Se um atacante controla um desses ponteiros, ele pode alterar o conteúdo daquela memória, o que pode causar problemas de segurança ou até mesmo permitir que ele execute código.

Exemplo:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
// Allocate memory for three chunks
char *a = (char *)malloc(10);
char *b = (char *)malloc(10);
char *c = (char *)malloc(10);
char *d = (char *)malloc(10);
char *e = (char *)malloc(10);
char *f = (char *)malloc(10);
char *g = (char *)malloc(10);
char *h = (char *)malloc(10);
char *i = (char *)malloc(10);

// Print initial memory addresses
printf("Initial allocations:\n");
printf("a: %p\n", (void *)a);
printf("b: %p\n", (void *)b);
printf("c: %p\n", (void *)c);
printf("d: %p\n", (void *)d);
printf("e: %p\n", (void *)e);
printf("f: %p\n", (void *)f);
printf("g: %p\n", (void *)g);
printf("h: %p\n", (void *)h);
printf("i: %p\n", (void *)i);

// Fill tcache
free(a);
free(b);
free(c);
free(d);
free(e);
free(f);
free(g);

// Introduce double-free vulnerability in fast bin
free(h);
free(i);
free(h);


// Reallocate memory and print the addresses
char *a1 = (char *)malloc(10);
char *b1 = (char *)malloc(10);
char *c1 = (char *)malloc(10);
char *d1 = (char *)malloc(10);
char *e1 = (char *)malloc(10);
char *f1 = (char *)malloc(10);
char *g1 = (char *)malloc(10);
char *h1 = (char *)malloc(10);
char *i1 = (char *)malloc(10);
char *i2 = (char *)malloc(10);

// Print initial memory addresses
printf("After reallocations:\n");
printf("a1: %p\n", (void *)a1);
printf("b1: %p\n", (void *)b1);
printf("c1: %p\n", (void *)c1);
printf("d1: %p\n", (void *)d1);
printf("e1: %p\n", (void *)e1);
printf("f1: %p\n", (void *)f1);
printf("g1: %p\n", (void *)g1);
printf("h1: %p\n", (void *)h1);
printf("i1: %p\n", (void *)i1);
printf("i2: %p\n", (void *)i2);

return 0;
}

Neste exemplo, após preencher o tcache com vários chunks liberados (7), o código libera o chunk h, depois o chunk i, e então h novamente, causando um double free (também conhecido como Fast Bin dup). Isso abre a possibilidade de receber endereços de memória sobrepostos ao realocar, significando que dois ou mais ponteiros podem apontar para a mesma localização de memória. Manipular dados através de um ponteiro pode então afetar o outro, criando um risco crítico de segurança e potencial para exploração.

Executando, note como i1 e i2 obtiveram o mesmo endereço:

Alocações iniciais:
a: 0xaaab0f0c22a0
b: 0xaaab0f0c22c0
c: 0xaaab0f0c22e0
d: 0xaaab0f0c2300
e: 0xaaab0f0c2320
f: 0xaaab0f0c2340
g: 0xaaab0f0c2360
h: 0xaaab0f0c2380
i: 0xaaab0f0c23a0
Após realocações:
a1: 0xaaab0f0c2360
b1: 0xaaab0f0c2340
c1: 0xaaab0f0c2320
d1: 0xaaab0f0c2300
e1: 0xaaab0f0c22e0
f1: 0xaaab0f0c22c0
g1: 0xaaab0f0c22a0
h1: 0xaaab0f0c2380
i1: 0xaaab0f0c23a0
i2: 0xaaab0f0c23a0

Exemplos

• Dragon Army. Hack The Box

• Podemos alocar apenas chunks do tamanho Fast-Bin, exceto para o tamanho 0x70, o que impede a sobrescrita usual de __malloc_hook.

• Em vez disso, usamos endereços PIE que começam com 0x56 como alvo para Fast Bin dup (1/2 de chance).

• Um lugar onde os endereços PIE são armazenados é em main_arena, que está dentro do Glibc e perto de __malloc_hook.

• Alvo um deslocamento específico de main_arena para alocar um chunk lá e continuar alocando chunks até alcançar __malloc_hook para obter execução de código.

• zero_to_hero. PicoCTF

• Usando bins Tcache e um overflow de byte nulo, podemos alcançar uma situação de double-free:

• Alocamos três chunks de tamanho 0x110 (A, B, C)

• Liberamos B

• Liberamos A e alocamos novamente para usar o overflow de byte nulo

• Agora o campo de tamanho de B é 0x100, em vez de 0x111, então podemos liberá-lo novamente

• Temos um Tcache-bin de tamanho 0x110 e um de tamanho 0x100 que apontam para o mesmo endereço. Portanto, temos um double free.

• Aproveitamos o double free usando Tcache poisoning

Referências

• https://heap-exploitation.dhavalkapil.com/attacks/double_free

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