【软件与系统安全笔记】四、内存破坏漏洞

【软件与系统安全】四、内存破坏漏洞

这是《【软件与系统安全】笔记与期末复习》系列中的一篇

2022-03-21 第四次课后半部分

mem-vul-part.pdf 内存破坏漏洞

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与安全相关的语言问题(C 与 Java 比较)

回顾：

漏洞、攻击与危害

漏洞(vulnerability):可以被对缺陷具有利用能力的攻击者访问并利用的缺陷, 要素:

• 缺陷 (flaw)
• 攻击者能访问缺陷
• 攻击者有利用缺陷的能力

攻击(attack): 指攻击者尝试利用漏洞，例如 主动、被动、DoS…

危害(compromise)：攻击成功则危害发生

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• 软件错误（Software error）：会导致软件无法满足预期的编程错误
• 软件漏洞（Software vulnerability）：可能导致攻击的软件错误

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C 字符串的用法与陷阱

在 C/C++ 程序中, 用 C 语言字符串编程时, 容易出现的错误

• 缓冲区溢出（Buffer overflows）
• Null 终止错误（null-termination errors）
• 差一错误（off-by-one errors）

差一错误 是在计数时由于边界条件判断失误导致结果多了一或少了一的错误

gets:无边界的字符串复制

strcpy 和 strcat

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缓冲区溢出：栈溢出(stack smashing)

“x86 Linux 系统的线性地址空间分层”¹

“System V AMD64 ABI 调用惯例”²

缓冲区溢出可被利用于修改:

• 栈上的: 返回指令指针, 函数指针, 局部变量. . .
• 堆数据结构

覆写返回指令指针

代码注入

将 ret 设置为被注入代码的起始地址, 被注入代码可以做任何事情,如下载和安装蠕虫

注入 Shell Code

shellcode: 注入的 payload 代码会执行起来一个 shell
在该 shell 中, 攻击者可以执行任何命令
该 shell 与当前进程具有相同的特权级
通常具有 root 权限的进程会被攻击

如何使用被注入的代码调用“execve”?

• 将函数“execve”的地址注入栈上

• “execve”是一个 libc 中的函数, 动态链接到进程地址空间中

• 为了使得我们的可执行程序能够调用 libc 中的函数，可执行程序必须能找到被调用函数的地址

  • 如何做到? 当前程序通过一个 stub（PLT, Procedure Linkage Table ）调用“execve”, PLT 在链接时检索 GOT (Global Offset Table)中的地址集合（请回忆动态链接过程）
    “劫持全局偏移量表(GOT)中的函数指针, 被动态链接函数所使用”³

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整数溢出

略

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堆溢出

【NOTES.0x04】简易 Glibc heap exploit 笔记 - arttnba3’s blog

堆溢出: 在堆上开辟的缓冲区中的缓冲区溢出漏洞

溢出发生在堆缓冲区

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溢出堆上的元数据

Heap allocators (又称内存管理器)

• 哪些内存区域已被开辟，它们的大小
• 哪些内存区域可以被开辟

Heap allocators 维护了元数据 (前块大小, 本块大小, previous 指针, next 指针)

• 堆元数据与堆数据是内联关系
• 内存管理函数（如 malloc()和 free()）内部，会修改元数据

堆溢出攻击会篡改元数据，并等待内存管理函数把被篡改的元数据写入目标地址

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Heap Allocator

• 维护一个已开辟的块的双向链表，以及一个空闲块的双向链表
• malloc()和 free()会修改双向链表

移除一个块

攻击 Heap Allocator

• 通过溢出 chunk2, 攻击者控制 chunk2 的 bk 和 fd 指针

  • 实际上就控制了“向哪儿写数据”(where)以及 “写入什么数据”(what), 可以随意修改堆, 因此又称 “write-what-where” 漏洞

• 假设攻击者想将 value 写入内存地址 addr

  • 攻击者将 chunk2->fd 设为 value
  • 攻击者将 chunk2->bk 设为 addr - offset，其中 offset 为 fd 字段在 chuck 结构体内的偏移量

free():

• chunk2->bk->fd = chunk2->fd
• chunk2->fd->bk = chunk2->bk

变为

• “(addr - offset)->fd = value”, 等同于(*addr)=value
• “value->bk = addr - offset” （应确保value->bk有可写权限）

第一个写操作实现了攻击者的目标, 实现了任意的内存写操作

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因 write-what-where 操作由free()完成, 故需从free()向上寻找潜在溢出

当溢出与代码注入/代码重用结合时,

• “*(addr)=value”的addr是预先选择的函数指针、返回指令指针、影响控制流的变量地址等, value是恶意的跳转目标
• fd字段在chunk结构体中的偏移量固定
• 因此, 决定被 free 的 chunk2 的元数据 (chunk2->fd, chunk2->bk) 应该被溢出修改的取值, 是可计算的

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Use After Free

定义: 程序在堆上释放内存, 然后引用该内存, 就好像该内存位置仍然合法：攻击者可以控制使用已释放的指针进行的数据写入

又称作悬挂指针使用，也是一个 write-what-where 漏洞

大多数有效的 use-after-free 攻击利用另一类型的数据

struct A {
    void (*fnptr)(char *arg);
    char *buf;
};
    struct B {
    int B1;
    int B2;
    char info[32];
};

// 释放A, 开辟B, 实际做了什么?
x = (struct A *)malloc(sizeof(struct A));
free(x);
y = (struct B *)malloc(sizeof(struct B));

// 如何利用此漏洞?
y->B1 = 0xDEADBEEF;
x->fnptr(x->buf);
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Use-after-free 是类型混淆的一个实例

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禁止 Use After Free

如何以较简单的方式禁止use-after-free?

设置所有被释放的堆空间为NULL

这时在使用被释放的堆空间时产生一个 null-pointer dereference

目前, 操作系统对 null-pointer deference 有内建的防护机制

复杂度: 需要设置所有别名指针（aliased pointers）为NULL

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Double Free

略

类型混淆

略

格式化字符串攻击

能够导致很灵活的恶意利用

• 代码注入: 被注入代码直接放入字符串
• 各种代码重用

int i; printf (“i = %d with address %08x\n", i, &i);

将格式化字符串的地址指针, i 和 &i 分别通过寄存器 rdi, rsi 和 rdx 传递, 并调用 printf

当程序运行至printf内部, 会在这些寄存器中查找参数；如果参数超过6个，还会在栈上查找参数

格式指示符字母的含义: printf - C++ Reference (cplusplus.com)

格式化字符串中的“%n”

能够将到“%n”位置为止已经由printf打印出的字节数写到一个我们选定的变量中

int i;
printf ("foobar%n\n", (int *) &i);
printf ("i = %d\n", i);
// i 的值最终为6
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对于“format-string.c”程序, 如果用户输入“foobar%n”会怎样?

• 从rsi获得一个地址, 且向该地址上的内存单元中写入整数6
• 如果输入的是“foobar%10u%n”呢? 可能会向该内存位置写入16
• 如何向一个任意地址写? 将该地址放在正确的位置 (寄存器或栈单元, 以作为printf的参数)

因此, 攻击者可以用任意内容更新任意内存。可否覆写一个函数指针并劫持控制流(且安装某些蠕虫代码)?

int main(int argc, char *argv[]) {
    char buf[512];
    fgets(buf, sizeof(buf), stdin); // no buffer overflow here
    printf("The input is:");
    printf(buf); // format string attacks here
    return 0
}
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攻击者可以

• 查看/修改内存的任意部分
• 执行任意代码, 只需要把代码也放入buf

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格式化字符串攻击的修复

通过提供一个特殊的格式化字符串, 可以规避“%400s”的限制：

“%497d\x3c\xd3\xff\xbf”。创建一个497字符长的字符串，加上错误字符串(“ERR Wrong command: ”),超过了outbuf的长度4字节。虽然“user”字符串只允许 400字节,可以通过滥用格式化字符串参数扩展其长度。因为第二个sprintf不检查长度, 它可以用来突破outbuf的长度界限。此时我们写入了一个返回地址 (0xbfffd33c), 并可以以之前栈溢出的利用方式进行攻击

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防止格式化字符串漏洞

即限制攻击者控制格式化字符串的能力

• 如果有可能，硬编码字符串；且不用包含“%*”的格式化字符串
• 如果必须要用格式化字符串，至少不要用“printf(arg)”
• 不要使用 %n
• 小心其他的引用: %s 和 sprintf 能够被用于构造栈内容披露攻击
• 编译器支持printf参数与格式化字符串的匹配检查

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• 最大 3G ？

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1. x86 Linux 系统的线性地址空间分层

   ↩︎

2. System V AMD64 ABI 调用惯例 ↩︎

3. 劫持全局偏移量表(GOT)中的函数指针, 被动态链接函数所使用 ↩︎