angr 是一个基于符号执行和模拟执行的二进制框架，可以用在很多的场景，比如逆向分析，漏洞挖掘等。本文对他的学习做一个总结。
这里介绍 ubuntu 下的安装，其他平台可以看 官方文档
首先安装一些依赖包
sudo apt-get install python-dev libffi-dev build-essential virtualenvwrapper
然后使用
mkvirtualenv angr && pip install angr
即可安装
建议使用 virtualenv 来安装，因为 angr 用到的一些库和正常下的不一样，直接 pip 安装可能会安装不上去
使用 angr 的大概步骤
创建 project
设置 state
新建 符号量 : BVS (bitvector symbolic ) 或 BVV (bitvector value)
把符号量设置到内存或者其他地方
设置 Simulation Managers ， 进行路径探索的对象
运行，探索满足路径需要的值
约束求解，获取执行结果
载入二进制文件使用 angr.Project 函数，它的第一个参数是待载入文件的路径，后面还有很多的可选参数，具体可以看 官方文档
p = angr.Project('./issue', load_options={"auto_load_libs": False})
auto_load_libs 设置是否自动载入依赖的库，如果设置为 True 的话会自动载入依赖的库，然后分析到库函数调用时也会进入库函数，这样会增加分析的工作量，也有能会跑挂。
载入文件后，就可以通过 project 对象获取信息以及进行后面的操作
In [11]: proj = angr.Project('/bin/true')
In [12]: proj.loader.shared_objects
Out[12]: OrderedDict([('true', <ELF Object true, maps [0x400000:0x6063bf]>), (u'libc.so.6', <ELF Object libc-2.23.so, maps [0x1000000:0x13c999f]>), (u'ld-linux-x86-64.so.2', <ELF Object ld-2.23.so, maps [0x2000000:0x2227167]>)])
In [13]: proj = angr.Project('/bin/true', load_options={"auto_load_libs": False})
In [14]: proj.loader.shared_objects
Out[14]: OrderedDict([('true', <ELF Object true, maps [0x400000:0x6063bf]>)])
In [15]:
可以看到在使用 {"auto_load_libs": False} 后一些动态链接库没有被载入。
有两个小点还需要了解一下
如果 auto_load_libs 为 true, 那么程序如果调用到库函数的话就会直接调用 真正的库函数 ，如果有的库函数逻辑比较复杂，可能分析程序就出不来了~~。同时 angr 使用 python 实现了很多的库函数（保存在 angr.SIM_PROCEDURES 里面），默认情况下会使用列表内部的函数来替换实际的函数调用，如果不在列表内才会进入到真正的 library.
如果 auto_load_libs 为 false ， 程序调用函数时，会直接返回一个 不受约束的符号值。
我们可以在 angr 中使用 hook 来把指定地址的二进制代码替换为 python 代码。angr 在模拟执行程序时，执行每一条指令前会检测该地址处是否已经被 hook ，如果是就不执行这条语句，转而执行hook 时指定的 python 处理代码。
下面看实例
目标程序地址
https://github.com/angr/angr-doc/tree/master/examples/sym-write
示例脚本
#!/usr/bin/env python
# coding=utf-8
import angr
import claripy
def hook_demo(state):
state.regs.eax = 0
state.regs.ebx = 0xdeadbeef
p = angr.Project("./examples/sym-write/issue", load_options={"auto_load_libs": False})
p.hook(addr=0x08048485, hook=hook_demo, length=2)
state = p.factory.blank_state(addr=0x0804846B, add_options={"SYMBOLIC_WRITE_ADDRESSES"})
u = claripy.BVS("u", 8)
state.memory.store(0x0804A021, u)
sm = p.factory.simgr(state)
sm.explore(find=0x080484DB)
st = sm.found[0]
print hex(st.se.eval(st.regs.ebx))
介绍一下脚本的流程
首先 使用 angr.Project 载入文件， 设置 auto_load_libs 为 false 则不加载依赖的 lib
然后 使用 p.hook 把 0x08048485 处的 2 字节的指令 为 hook_demo，之后执行 0x08048485就会去执行 hook_demo
然后创建一个 state , 因为要往内存里面设置 符号量 （ BVS ），设置SYMBOLIC_WRITE_ADDRESSES
然后新建一个 8 位长度的符号量，并把它存到 0x0804A021 (全局变量 u 的位置)
然后开始探索路径，最后求解出使得 程序执行到 you win 代码块的符号量的解。
这里主要讲 p.hook 的处理， 这里使用了 hook 函数的三个参数
p.hook(addr=0x08048485, hook=hook_demo, length=2)
addr 为待 hook 指令的地址
hook 为 hook 的处理函数，在执行到 addr 时，会执行 这个函数，同时把 当前的 state 对象作为参数传递过去
length 为 待 hook 指令的长度，在 执行完 hook 函数以后，angr 需要根据 length 来跳过这条指令，执行下一条指令
在上面的示例中， hook 了 0x08048485 处的指令
这是一条 xor eax, eax 的指令，长度为 2 .
def hook_demo(state):
state.regs.eax = 0
state.regs.ebx = 0xdeadbeef
为了做示范，这里就是把 eax 设置为 0（ xor eax,eax 的作用)， 然后 设置 ebx 为0xdeadbeef， 因为后续不会用到 ebx , 修改它可以在路径探索完后查看这个值是否符合预期。
可以看到 ebx 被修改成了 0xdeadbeef 。
这个对象保存着程序运行到某一阶段的状态信息。
通过这个对象可以操作某一运行状态的上下文信息，比如内存，寄存器等
In [8]: p = angr.Project("./hello_angr")
In [9]: st = p.factory.entry_state()
In [10]: st.regs.rsp
Out[10]: <BV64 0x7fffffffffeff98>
In [11]: st
Out[11]: <SimState @ 0x4004a0>
In [12]:
首先加载二进制分析文件，创建 project 对象，然后创建一个 entry_state ， 之后就可以通过 这个 state 对象，获取或者修改此时程序的运行状态
entry_state ： 做一些初始化工作，然后在 程序的 入口停下
还有一个用的比较多的是
st = p.factory.blank_state(addr=0x4004a0)
这会创建一个 blank_state 对象，这个对象里面很多东西都是未初始化的，当程序访问未初始化的数据时，会返回一个不受约束的符号量
state 对象一般是作为 符号执行开始前 创建用来 为 后续的执行 初始化一些数据，比如栈状态，寄存器值。
或者在 路径探索结束后 ** 返回一个 state 对象供用户提取需要的值或进行 **约束求解 ，解出到达目标分支所使用的符号量的值。
通过 state.regs 对象的属性访问以及修改寄存器的数据
In [12]: state.regs.r
state.regs.r10 state.regs.r14 state.regs.rax state.regs.rdi state.regs.rip
state.regs.r11 state.regs.r15 state.regs.rbp state.regs.rdx state.regs.rsi
state.regs.r12 state.regs.r8 state.regs.rbx state.regs.register_default state.regs.rsp
state.regs.r13 state.regs.r9 state.regs.rcx state.regs.rflags
# 获取 rip 的值
In [12]: state.regs.rip
Out[12]: <BV64 0x400470>
# 获取 rsp 的值
In [13]: state.regs.rsp
Out[13]: <BV64 0x7fffffffffeff78>
# 获取 rbp 的值
In [14]: state.regs.rbp
Out[14]: <BV64 reg_38_36_64{UNINITIALIZED}>
# 设置 rbp = rsp + 0x40
In [15]: state.regs.rbp = state.regs.rsp + 0x40
In [16]: state.regs.rbp
Out[16]: <BV64 0x7fffffffffeffb8>
# 对于 BVV 和 BVS 都需要通过 solver 进行求解得到具体的值
In [26]: hex(state.se.eval(state.regs.rbp))
Out[26]: '0x7fffffffffeffb8L'
In [27]: hex(state.solver.eval(state.regs.rbp))
Out[27]: '0x7fffffffffeffb8L'
有两种方式访问内存，一个是通过 state.mem 使用数组索引类似的方式进行访问
In [64]: state.mem[state.regs.rsp].qword
Out[64]: <uint64_t <BV64 0x2> at 0x7fffffffffeff78>
In [65]: state.mem[state.regs.rsp].qword = 0xdeadbeefdeadbeef
In [66]: state.mem[state.regs.rsp].qword
Out[66]: <uint64_t <BV64 0xdeadbeefdeadbeef> at 0x7fffffffffeff78>
In [67]: m = state.mem[state.regs.rsp]
In [68]: m.
m.STRONGREF_STATE m.double m.int32_t m.register_default m.ssize m.uint32_t m.wstring
m.array m.dword m.int64_t m.resolvable m.ssize_t m.uint64_t
m.byte m.example m.int8_t m.resolved m.state m.uint8_t
m.char m.float m.long m.set_state m.store m.uintptr_t
m.concrete m.init_state m.merge m.set_strongref_state m.string m.void
m.copy m.int m.ptrdiff_t m.short m.types m.widen
m.deref m.int16_t m.qword m.size_t m.uint16_t m.word
通过 得到的是一个 SimMemView 对象， 可以这个对象的属性决定按照什么方式进行内存访问。
In [71]: m.dword # 按照 dword 进行访问， 4 字节
Out[71]: <uint32_t <BV32 0xdeadbeef> at 0x7fffffffffeff78>
In [72]: m.qword # 按照 qword 进行访问， 8 字节
Out[72]: <uint64_t <BV64 0xdeadbeefdeadbeef> at 0x7fffffffffeff78>
In [73]: m.int
Out[73]: <int (32 bits) <BV32 0xdeadbeef> at 0x7fffffffffeff78>
In [74]: m.uin
m.uint16_t m.uint32_t m.uint64_t m.uint8_t m.uintptr_t
In [74]: m.uint64_t
Out[74]: <uint64_t <BV64 0xdeadbeefdeadbeef> at 0x7fffffffffeff78>
这些值如果需要把它转成python中的基本数据类型
# 通过 .resolved 转成 BVV 对象
In [75]: state.se.eval(m.qword.resolved)
Out[75]: 16045690984833335023L
# 通过求解器拿到具体值
In [76]: hex(state.se.eval(m.qword.resolved))
Out[76]: '0xdeadbeefdeadbeefL'
或者可以通过 state.memory 的 load 和 store 来读取和写入数据到内存
In [90]: data = claripy.BVV(0xaaaaaaaaabbbbbbbbbbbb, 0x20 * 8)
In [91]: data
Out[91]: <BV256 0xaaaaaaaaabbbbbbbbbbbb>
In [92]: state.memory.load(state.regs.rsp, 0x40)
Out[92]: <BV512 0xdeadbeefefbeaddec0fffeffffffff07ccfffeffffffff07000000000000000000000000000000001900000000000000ddfffeffffffff070000000000000000>
# 存数据存的是 BVV 对象
In [93]: state.memory.store(state.regs.rsp,data)
In [94]: state.memory.load(state.regs.rsp, 0x40)
Out[94]: <BV512 0xaaaaaaaaabbbbbbbbbbbb00000000000000001900000000000000ddfffeffffffff070000000000000000>
此外还可以往内存里面设置符号变量 (BVS)
In [96]: data = claripy.BVS("data", 0x20 * 8)
In [97]: data
Out[97]: <BV256 data_37_256>
In [98]: state.memory.store(state.regs.rsp,data)
In [99]: state.memory.load(state.regs.rsp, 0x40)
Out[99]: <BV512 data_37_256 .. 0x1900000000000000ddfffeffffffff070000000000000000#256>
此时还需在创建 state 时 设置 SYMBOLIC_WRITE_ADDRESSES， 例如
state = p.factory.blank_state(addr=0x0804846B, add_options={"SYMBOLIC_WRITE_ADDRESSES"})
用的的程序
https://github.com/angr/angr-doc/tree/master/examples/fauxware
可以通过 state 对象来执行代码块
proj = angr.Project('examples/fauxware/fauxware')
state = proj.factory.entry_state()
while True:
succ = state.step()
if len(succ.successors) == 2:
break
state = succ.successors[0]
state1, state2 = succ.successors
state1
state2
上面的代码就是一直执行直到出现两个分支时停下
这两个分支位于 authenticate 函数里面
然后使用
In [7]: state1.posix.dumps(0)
Out[7]: '\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00SOSNEAKY\x00'
In [8]: state2.posix.dumps(0)
Out[8]: '\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00S\x00\x80N\x00\x00 \x00\x00'
获取进入特定分支, 需要往 stdin 输入的数据。
可以看到这里如果要进入返回 1 的分支( state1 )，只要往 stdin 输入 SOSNEAKY ，从而认证通过，这是一个后门密码。
angr 重写了一些 libc 的函数，比如获取 stdin 数据，会返回符号量，用于符号执行，在某个状态下可以使用 state1.posix.dumps(0) 获取进入该状态时 stdin 需要输入的数据 （0表示的就是 stdin, 1 则是 stdout )。
创建 state 时还可以设置 命令行参数为 符号量 .下面用一个简单的例子
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char** argv)
{
if (!strcmp(argv[1], "hello args test")) {
printf("you win!");
}
else {
printf("you lose!");
}
return 0;
}
这里需要传入一个命令行参数，参数值如果为 hello args test 就会进入 you win 分支
you win 分支所在代码块的地址为 0x400591. 所以我们就需要通过符号执行让层序执行到0x400591。
脚本如下
#!/usr/bin/env python
# coding=utf-8
import angr
import claripy
p = angr.Project("./args_test")
args = claripy.BVS("args", 8 * 16)
state = p.factory.entry_state(args=['./args_test', args])
sm = p.factory.simgr(state)
sm.explore(find=0x400591)
st = sm.found[0]
print st.se.eval(args,cast_to=str)
首先加载文件，然后设置 args 符号量，长度为 16 字节 （ 8*16 位）
然后创建一个 entry_state 同时把 args 作为第一个参数传给程序。
之后创建 simgr 对象进行路径探索， 指定要走到的目标代码块 （ 0x400591 ）即 win 所在的代码块
然后使用 求解对象 st.se.eval(args,cast_to=str) 得到进入到该代码块用到的 符号量的值
cast_to=str， 用于把结果转成 字符串， 否则就是 16 进制字符串
建议使用 ipython 来执行脚本，执行完后脚本中的对象还会存在 ipython 的上下文中，可以方便做些其他的操作
这个对象用于具体的路径探索。
以一个简单的例子开始
程序来自
https://github.com/angr/angr-doc/tree/master/examples/fauxware
解决的代码
#!/usr/bin/env python
import angr
p = angr.Project('fauxware')
state = p.factory.entry_state()
sm = p.factory.simgr(state)
sm.explore(find=0x04007BD)
st = sm.found[0]
print st.posix.dumps(0).strip("\x00")
创建一个 entry_state
然后创建 SimulationManager 对象 sm 进行路径探索
指定我们想要走到的位置是 0x04007BD （即认证通过的分支）
找到以后从 sm.found[0] 拿到此时的 state, 然后获取 stdin 输入的数据，就可以知道走到该分支需要从 stdin 输入的数据
其他更多请看https://docs.angr.io/docs/
angr 还搜集了许多使用 angr 解出来的 题目。下面就以其中的一些题来介绍 angr 的使用， 用几遍就知道大概流程了。
程序位于
https://github.com/angr/angr-doc/tree/master/examples/csaw_wyvern
通过这个题可以了解到怎么往 stdin 里面放置符号量 以及 设置约束条件
先看看大概逻辑, 首先调用 fgets 获取输入保存到 s
.text:000000000040E1D8 lea rcx, [rbp-110h]
.text:000000000040E1DF mov esi, 101h ; n
.text:000000000040E1E4 mov rdi, rcx ; s
.text:000000000040E1E7 mov [rbp-180h], rax
.text:000000000040E1EE mov [rbp-188h], rcx
.text:000000000040E1F5 call _fgets
.text:000000000040E1FA lea rcx, [rbp-120h]
然后进入 start_quest ，对输入进行处理
这里判断输入字符串的长度是不是 28 （ fgets 会把 输入的字符串 + \n 保存到缓冲区，legend>>2 为 28）
所以要求输入的字符串的长度应该为 28 个字节，且 每个字节都不是 \x00 或者 \n , 第 29 个字节为 \n， 表示输入完成。
最后的脚本为
#!/usr/bin/env python
import angr
p = angr.Project('wyvern')
st = p.factory.full_init_state()
# 设置 stdin 的约束条件， 使其 前 28 个字节 不能为 \x00 或者 \n
for _ in xrange(28):
k = st.posix.files[0].read_from(1)
st.se.add(k != 0)
st.se.add(k != 10)
# 设置第 29 个字节为终止符，即为 \n
k = st.posix.files[0].read_from(1)
st.se.add(k == 10)
# 使得 文件指针指向文件的开头
st.posix.files[0].seek(0)
st.posix.files[0].length = 29
sm = p.factory.simgr(st)
sm.run()
# 因为是用的 sm.run() 所以要在 sm.deadended 里面寻找结果
for st in sm.deadended:
out = st.posix.dumps(1)
if "flag" in out:
print out
首先创建一个 full_init_state ， 因为这里是 c++ 代码， 而 angr 只是 实现了一些常用的 c函数，所以得加载所有的库， c++ 的函数在底层才会去调用 c 的函数。创建 full_init_state后 angr 就会跟进 c++ 函数里面。
然后对 stdin 里面的前 29 个字节做约束条件， 前面已经分析过，要求输入的字符串长度为28 ， 最后以 \n 结束
最后创建 SimulationManager ，然后调用 .run() 跑到不能进行跑为止，然后遍历sm.deadended 查看 flag， 因为如果输入正确就会打印出 flag。
运行示例
In [1]: %run my.py
WARNING | 2018-05-22 21:58:34,760 | angr.analyses.disassembly_utils | Your verison of capstone does not support MIPS instruction groups.
WARNING | 2018-05-22 21:58:41,288 | angr.manager | No completion state defined for SimulationManager; stepping until all states deadend
WARNING | 2018-05-22 22:17:50,610 | angr.state_plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing.
+-----------------------+
| Welcome Hero |
+-----------------------+
[!] Quest: there is a dragon prowling the domain.
brute strength and magic is our only hope. Test your skill.
Enter the dragon's secret: success
[+] A great success! Here is a flag{dr4g0n_or_p4tric1an_it5_LLVM}
通过打印的日志，可以看到大概运行了 20 分钟。下面介绍两种加速的方法
**使用 pypy **
pypy 是一个 python 的版本，采用 jit 的方法来提升 python 脚本的运行速度。
首先安装
sudo apt install pypy
然后安装 pip
wget https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py
sudo pypy get-pip.py
然后使用 pip 安装 angr
sudo pip install angr
然后使用 pypy 来执行脚本即可
23:52 haclh@ubuntu:csaw_wyvern $ pypy my.py
WARNING | 2018-05-22 23:52:09,645 | angr.analyses.disassembly_utils | Your verison of capstone does not support MIPS instruction groups.
WARNING | 2018-05-22 23:52:17,667 | angr.manager | No completion state defined for SimulationManager; stepping until all states deadend
WARNING | 2018-05-22 23:58:23,344 | angr.state_plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing.
+-----------------------+
| Welcome Hero |
+-----------------------+
[!] Quest: there is a dragon prowling the domain.
brute strength and magic is our only hope. Test your skill.
Enter the dragon's secret: success
[+] A great success! Here is a flag{dr4g0n_or_p4tric1an_it5_LLVM}
此时只用了大概 6 分钟就跑完了。
使用 unicorn
还可以设置 angr 的选项，使用 unicorn 引擎来做模拟执行
#!/usr/bin/env python
import angr
p = angr.Project('wyvern')
st = p.factory.full_init_state(add_options=angr.options.unicorn)
for _ in xrange(28):
k = st.posix.files[0].read_from(1)
st.se.add(k != 0)
st.se.add(k != 10)
k = st.posix.files[0].read_from(1)
st.se.add(k == 10)
st.posix.files[0].seek(0)
st.posix.files[0].length = 29
sm = p.factory.simgr(st)
sm.run()
for st in sm.deadended:
out = st.posix.dumps(1)
if "flag" in out:
print out
然后再跑一次
23:58 haclh@ubuntu:csaw_wyvern $ pypy my.py
WARNING | 2018-05-22 23:59:26,853 | angr.analyses.disassembly_utils | Your verison of capstone does not support MIPS instruction groups.
WARNING | 2018-05-22 23:59:35,539 | angr.manager | No completion state defined for SimulationManager; stepping until all states deadend
WARNING | 2018-05-23 00:03:58,458 | angr.state_plugins.symbolic_memory | Concretizing symbolic length. Much sad; think about implementing.
+-----------------------+
| Welcome Hero |
+-----------------------+
[!] Quest: there is a dragon prowling the domain.
brute strength and magic is our only hope. Test your skill.
Enter the dragon's secret: success
[+] A great success! Here is a flag{dr4g0n_or_p4tric1an_it5_LLVM}
只用了 3 分钟就跑完了。
对于 c++ 的程序，如果调用了 c++ 的函数，使用 full_init_state
如果通过 sm.run() 来探索路径，最后遍历 sm.deadended 查看结果
可以通过 st.posix.files[0] 对 stdin 做约束
可以使用 pypy 和 unicorn 来加速脚本的执行
这个是 cmu 给学生练习逆向分析能力的一个题，相信大多数计算机专业的都做过这东西。今天看看怎么用 angr 来解决它。
程序文件位于
https://github.com/angr/angr-doc/tree/master/examples/cmu_binary_bomb
这个例子主要用于介绍 使用 angr 设置 内存符号量。
以第一个关卡为例
这个就是判断一个字符串。
于是我们把 一块内存设置为符号量， 然后把第一个参数设置为符号量的地址即可
import angr
import claripy
proj = angr.Project('bomb', load_options={'auto_load_libs': False})
start = 0x400ee0
bomb_explode = 0x40143a
end = 0x400ef7
# initial state is at the beginning of phase_one()
# 设置选项让 angr 支持 内存符号量
state = proj.factory.blank_state(addr=start)
state.options |= angr.options.unicorn
state.options |= {"SYMBOLIC_WRITE_ADDRESSES"}
# 初始化内存符号量， 128 字节
arg = state.se.BVS("input_string", 8 * 128)
bind_addr = 0x603780
# 符号量存在 内存中， 这块内存就变成了符号量
state.memory.store(bind_addr, arg)
# 设置 rdi (第一个参数为符号量的地址)
state.regs.rdi = bind_addr
sm = proj.factory.simgr(state)
sm.explore(find=end, avoid=bomb_explode)
st = sm.found[0]
# 求解符号量
print st.se.eval(arg, cast_to=str)
流程就是
首先设置选项，让 angr 支持 内存符号量
然后初始化一块 128 字节的符号量内存，并把符号量存到 0x603780， 此时 0x603780 处是一块符号量内存
然后把内存符号量的地址设置为参数传个第一关函数 0x400ee0
https://github.com/axt/angr-utils
http://ysc21.github.io/blog/2016-01-27-angr-script.html
http://docs.angr.io/
本文作者：hackedbylh
本文为安全脉搏专栏作者发布，转载请注明：https://www.secpulse.com/archives/83197.html
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