🌺1. CSAPP与Bomb简介
🍀1.1 CSAPP
《CSAPP》是指计算机系统基础课程的经典教材《Computer Systems: A Programmer's Perspective》，由Randal E. Bryant和David R. O'Hallaron编写。该书的主要目标是帮助深入理解计算机系统的工作原理，包括硬件和软件的相互关系，其涵盖了计算机体系结构、汇编语言、操作系统、计算机网络等主题，旨在培养学生系统级编程和分析的能力。
🍀1.2 Bomb
"Bomb实验" 是与CSAPP教材相关的一项编程实验。它是一种反汇编和逆向工程任务，旨在教授如何分析和解决复杂的程序问题。Bomb实验的目标是解开一系列的"炸弹"，每个炸弹都有不同的解锁方法，需要分析程序的汇编代码，理解其工作原理，并找到正确的输入来解除炸弹。这个实验教授了计算机系统的底层知识，包括汇编语言和程序执行的原理。
资源获取：关注文末公众号回复 CSAPP Bomb实验
🌺2. bomb
🍀2.1 实验环境
- VMware Workstation虚拟机环境下的Ubuntu 64位。
🍀2.2 实验过程
实验准备阶段：首先需要使用ubuntu联网环境跳转到链接下载实验所需的bomblab：Bomblab源文件
下载bomblab压缩包并输入
tar –xvf bomb.tar
进行解压缩，进入该目录所有文件如下所示：
在终端输入
sudo apt-get install gdb
安装调试器。基本用法参考下图：
实验过程阶段：
“Binary bombs”是一个可在Linux系统上运行的C程序，它由6个不同的阶段（phase1~phase6）组成。在每个阶段，程序会要求输入一个特定的字符串。如果输入的字符串符合程序的预期输入，那么这个阶段的炸弹就会被“解除”，否则炸弹就会“爆炸”，并输出“BOOM!!!”的提示信息。实验的目的是尽可能多地解除这些炸弹的阶段。
每个炸弹阶段考察了机器级语言程序的一个不同方面，难度逐级递增：
* 阶段1：字符串比较
* 阶段2：循环
* 阶段3：条件/分支
* 阶段4：递归调用和栈
* 阶段5：指针
* 阶段6：链表/指针/结构
在炸弹拆除任务中，还存在一个隐藏阶段。然而，只有在第四个阶段解决后添加特定的字符串后，该隐藏阶段才会出现。为了完成任务，需要使用gdb调试器和objdump反汇编炸弹的可执行文件，然后单步跟踪每个阶段的机器代码，理解每个汇编语言的行为或作用。这将帮助“推断”出拆除炸弹所需的目标字符串。为了调试，可以在每个阶段的开始代码前和引爆炸弹的函数前设置断点。
在终端输入
objdump -d bomb > bomb.asm
得到bomb的反汇编文件bomb.asm如下所示。
🍀2.3 phase_2
phase_2是一个需要解密密码的关卡，需要输入一个字符串来解锁该关卡。如果输入的字符串符合要求，则可以成功通关，否则会引爆炸弹，导致失败。
进入反汇编文件bomb.asm
vim bomb.asm
在未插入处输入下列指令查找phase_2的位置。
/phase_2
分析反汇编代码的phase_2部分内容如下：
1.push %rbp: 将寄存器%rbp的值压入栈中。
2.push %rbx: 将寄存器%rbx的值压入栈中。
3.sub $0x28,%rsp：修改栈指针寄存器 %rsp 的值，以便在栈上分配一段新的空间。
3.callq 40145c <read_six_numbers>：调用一个名为"read_six_numbers"的函数。
5.je 400f30 <phase_2+0x34>：进行条件跳转。在该指令中，je 表示条件跳转指令，400f30 <phase_2+0x34> 是跳转目标地址，表示如果前面的条件成立，则会跳转到这个地址处执行后续的指令
……
可以发现phase_2函数有以下几个步骤：
- 将数据压入栈中；
- 减少栈指针40，为局部变量提供空间；
- 将栈指针存入%rsi寄存器中；
- 调用两个explode_bomb函数；
- 调用read_six_numbers函数读取6个数字。
尝试随意输入6个数字，如下：
为了解题，需要使%rsp的值为1，以便程序执行jmp指令跳过explode_bomb函数。jmp指令的目标地址是400f30，对应的指令为lea，用于加载有效地址。在调用read_six_numbers函数时，需要输入6个数字，该函数的地址为40145c，可以发现401480: mov $0x4025c3,%esi ，类似Phase 1向寄存器中转入数据（对应字符串），于是输入print (char*)0x4025c3进行测试，结果如下:
说明密钥需要6个整型数。回到phase_2反汇编进行分析，可以分析有一个循环，此时，结果上述循环，各寄存器对应的值如下：
%rbx |
%rbp |
%eax |
%rsp+4 |
%rsp+24 |
(%rsp)*2=2 |
%rsp+8 |
(%rsp+4)*2=4 |
|
%rsp+12 |
(%rsp+8)*2=8 |
|
%rsp+16 |
(%rsp+12)*2=16 |
|
%rsp+20 |
(%rsp+16)*2=32 |
|
%rsp+24 |
循环部分对应C代码
int i; int a[6]; a[0] = 1; for(i=1;i<6;i++) { a[i] = a[i-1]*2; }
该代码段实现了对一组数的比较操作，并判断其中是否存在某个数是前一个数的2倍。这段代码是汇编语言的实现，对于不熟悉汇编语言的人来说，可能比较难懂。对这段代码进行详细的解析。
1.这段代码是一个循环操作，它对一组数进行比较，并且判断其中是否存在某个数是前一个数的2倍。这组数存储在栈中，栈顶元素即为第一个数。 在代码执行的开始，我们可以看到一条cmp指令，它将栈顶元素与立即数0x1进行比较。如果相等，说明第一个输入数为1，此时会跳转到地址400f30处；如果不相等，说明第一个输入数不是1，此时会跳转到地址400f17处。
2.在地址400f30处，我们可以看到两条lea指令，它们将%rsp+4和%rsp+24对应的地址分别存储到%rbx和%rbp寄存器中。%rbx寄存器存储的是第二个输入数的地址，%rbp寄存器存储的是第六个输入数后面的地址。
3.代码跳转到地址400f17处。可以看到sub指令，它将%rbx的值减去4，并将其对应的内存地址中的值（即前一个数）存储到%eax寄存器中。接着，将%eax的值乘以2，并将其与%rbx对应的内存地址中的值（即当前数）进行比较。如果相等，说明当前数是前一个数的2倍，此时会跳转到地址400f25处；如果不相等，说明当前数不是前一个数的2倍，此时会跳转到地址400f17处。
4.在地址400f25处，我们可以看到一条add指令，它将%rbx的值加上4。接着，代码会判断%rbx的值是否等于%rbp的值，如果不相等，则说明还没有处理完所有的数，此时会跳转到地址400f17处；如果相等，则说明已经处理完所有的数，此时会跳转到地址400f3c处，结束循环。 在循环中，代码会从栈中逐个取出这些数，并进行比较操作。如果存在某个数是前一个数的2倍，代码会跳转到地址400f25处，否则会跳转到地址400f17处。这个循环会一直执行，直到处理完所有的数，才会跳转到地址400f3c处，结束循环。
通过以上的分析，可以得到这组数的具体值。这组数分别为1，2，4，8，16，32。
在终端输入
./bomb
填入密钥
1 2 4 8 16 32
结果显示phase_2通关。
综上所述，解决phase_2的过程的难点是分析反汇编代码的循环部分，找到循环结束的位置，在循环中，代码会从栈中逐个取出这些数，并进行比较操作。如果存在某个数是前一个数的2倍，代码会跳转到地址400f25处，否则会跳转到地址400f17处。这个循环会一直执行，直到处理完所有的数，才会跳转到地址400f3c处，结束循环。
将Phase_2中每句代码的作用解释如下所示。
0000000000400efc <phase_2>: 400efc: 55 push %rbp //把数据压入栈 400efd: 53 push %rbx //把数据压入栈 400efe: 48 83 ec 28 sub $0x28,%rsp //把栈指针减少40，提供局部变量空间 //申请空间 400f02: 48 89 e6 mov %rsp,%rsi //把栈指针状态存入%rsi中 400f05: e8 52 05 00 00 callq 40145c <read_six_numbers> // 调用函数read_six_numbers，读取6个数字，此时(%rsp)已被赋值 400f0a: 83 3c 24 01 cmpl $0x1,(%rsp) //(%rsp)的值即输入的第一个参数的值，将(%rsp)的值与1比较 400f0e: 74 20 je 400f30 <phase_2+0x34> //若相等则跳转至400f30 400f10: e8 25 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb> //否则爆炸 400f15: eb 19 jmp 400f30 <phase_2+0x34> //jmp指令无条件跳转，直接跳转至400f30 400f17: 8b 43 fc mov -0x4(%rbx),%eax 400f1a: 01 c0 add %eax,%eax //%eax的值*2 400f1c: 39 03 cmp %eax,(%rbx) //比较%eax的值和此时%rbx对应的内存的值 400f1e: 74 05 je 400f25 <phase_2+0x29> //若相等则跳转至400f25 400f20: e8 15 05 00 00 callq 40143a <explode_bomb> //否则爆炸 400f25: 48 83 c3 04 add $0x4,%rbx //%rbx的值（地址）加4 400f29: 48 39 eb cmp %rbp,%rbx //比较两个寄存器的值，判断是否比较完6个数 400f2c: 75 e9 jne 400f17 <phase_2+0x1b> //若不相等，则进行跳转至400f17，即循环没结束 400f2e: eb 0c jmp 400f3c <phase_2+0x40> //否则直接跳转至400f3c，循环结束标志 400f30: 48 8d 5c 24 04 lea 0x4(%rsp),%rbx //将%rsp+4代表的地址移入%rbx，即第2个输入数的地址 400f35: 48 8d 6c 24 18 lea 0x18(%rsp),%rbp //将%rsp+24代表的地址移入%rbp，即第6个输入数的后一块地址 400f3a: eb db jmp 400f17 <phase_2+0x1b> //直接跳转至400f17 //释放空间 400f3c: 48 83 c4 28 add $0x28,%rsp 400f40: 5b pop %rbx 400f41: 5d pop %rbp 400f42: c3 retq
🍀2.4 实验结果
以上代码均存储在bomb_idea.txt文件中，每行代表对应的关卡，各阶段密钥如下所示：
在终端输入
./bomb result.txt
显示全部通关。
🍀2.5 实验体会
- 解密挑战： 在CSAPP的BombLab实验中，Phase_2成为了一次解密的重大挑战。通过逆向工程和仔细分析程序逻辑，成功理解了Phase_2的设计思想，揭示了其中隐藏的奥秘。
- 实战经验： 实验过程中，通过灵活运用逆向技术和调试工具，顺利攻克了Phase_2的难题。实战经验让我更加熟悉了计算机系统底层的运行机制，为后续学习和实践奠定了坚实基础。
- 深刻领悟： 通过探究Phase_2，不仅在技术上有所提升，更对计算机系统的安全性和程序设计的复杂性有了更深刻的领悟。这次实验不仅仅是技术挑战，更是对计算机科学精髓的一次深刻探索。
📝 总结
计算机系统的世界，如同一座未被揭示奥秘的古老迷宫，引领你勇敢踏入计算机科学的神秘领域。CSAPP的Bomblab实验便是这场独特的学习冒险，从基本概念到底层实现，逐步揭示更深层次的计算机系统内核、汇编语言和数据结构的奥秘。
