計算機應(yīng)用論文之緩沖區(qū)溢出以及漏洞的探討

　　摘要 論文詳細分析了緩沖區(qū)溢出的原理，描述了網(wǎng)絡(luò)攻擊者利用緩沖區(qū)溢出漏洞進行系統(tǒng)攻擊的一般過程，最后簡單討論了幾種緩沖區(qū)溢出的保護方法。

　　關(guān)鍵詞　緩沖區(qū)溢出 緩沖區(qū)溢出漏洞 安全攻擊 緩沖區(qū)溢出保護

　　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。更為嚴重的是，緩沖區(qū)溢出漏洞占了遠程網(wǎng)絡(luò)攻擊的絕大多數(shù)，這種攻擊可以使得一個匿名的Internet用戶有機會獲得一臺主機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的控制權(quán)，所以它代表了一類極其嚴重的安全威脅。

　　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，并且易于實現(xiàn)。而且，緩沖區(qū)溢出所以成為遠程攻擊的主要手段，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)限運行有緩沖區(qū)溢出漏洞的程序，從而得到被攻擊主機的控制權(quán)。本文簡單介紹了緩沖區(qū)溢出的基本原理和預防辦法。

　　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)放到機器內(nèi)存中的某一個位置的時候，因為沒有足夠的空間就會發(fā)生緩沖區(qū)溢出。而人為的溢出則是有一定企圖的，攻擊者寫一個超過緩沖區(qū)長度的字符串，植入到緩沖區(qū)，然后再向一個有限空間的緩沖區(qū)中植入超長的字符串，這時可能會出現(xiàn)兩個結(jié)果：一是過長的字符串覆蓋了相鄰的存儲單元，引起程序運行失敗，嚴重的可導致系統(tǒng)崩潰;另一個結(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特級權(quán)限。

　　緩沖區(qū)是程序運行的時候機器內(nèi)存中的一個連續(xù)塊，它保存了給定類型的數(shù)據(jù)，隨著動態(tài)分配變量會出現(xiàn)問題。大多時為了不占用太多的內(nèi)存，一個有動態(tài)分配變量的程序在程序運行時才決定給它們分配多少內(nèi)存。如果程序在動態(tài)分配緩沖區(qū)放入超長的數(shù)據(jù)，它就會溢出了。一個緩沖區(qū)溢出程序使用這個溢出的數(shù)據(jù)將匯編語言代碼放到機器的內(nèi)存里，通常是產(chǎn)生root權(quán)限的地方。僅僅單個的緩沖區(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)限運行命令的區(qū)域，一旦運行這些命令，那可就等于把機器拱手相讓了。

　　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的長度大于16，就會造成buffer的溢出，使程序運行出錯。存在像strcpy這樣的問題的標準函數(shù)還有strcat(),sprintf(),vsprintf(),gets(),scanf(),以及在循環(huán)內(nèi)的getc(),fgetc(),getchar()等。

　　當然，隨便往緩沖區(qū)中填東西造成它溢出一般只會出現(xiàn)Segmentation fault 錯誤，而不能達到攻擊的目的。最常見的手段是通過制造緩沖區(qū)溢出使程序運行一個用戶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有root權(quán)限的shell，便可以對系統(tǒng)進行任意操作了。

　　請注意，如果沒有特別說明，下面的內(nèi)容都假設(shè)用戶使用的平臺為基于Intel x86 CPU的Linux系統(tǒng)。對其他平臺來說，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：

　　當程序中發(fā)生函數(shù)調(diào)用時，計算機做如下操作：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);第三個放入堆棧的是基址寄存器(FP);然后把當前的棧指針(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?shù)臄?shù)值。以下面程序為例：

　　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 [i] = 'B';

　　func1(longstring);

　　}

　　當調(diào)用函數(shù)func1()時，堆棧如下：

　　不用說，程序執(zhí)行的結(jié)果是"Segmentation fault (core dumped)"或類似的出錯信息。因為從buffer開始的256個字節(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有黑客技術(shù)的人取得機器的控制權(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。黑客要達到目的通常要完成兩個任務(wù)，就是在程序的地址空間里安排適當?shù)拇�碼和通過適當?shù)某跏蓟�寄存器和存儲器，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?shù)拇�碼

　　在程序的地址空間里安排適當?shù)拇�碼往往是相對簡單的。如果要攻擊的代碼在所攻擊程序中已經(jīng)存在了，那么就簡單地對代碼傳遞一些參數(shù)，然后使程序跳轉(zhuǎn)到目標中就可以完成了。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。當然，很多時候這個可能性是很小的，那么就得用一種叫“植入法”的方式來完成了。當向要攻擊的程序里輸入一個字符串時，程序就會把這個字符串放到緩沖區(qū)里，這個字符串包含的數(shù)據(jù)是可以在這個所攻擊的目標的硬件平臺上運行的指令序列。緩沖區(qū)可以設(shè)在：堆棧(自動變量)、堆(動態(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。也可以不必為達到這個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沒有檢查或者其他漏洞的緩沖區(qū)，這樣做就會擾亂程序的正常執(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)對身份的驗證。原則上來講攻擊時所針對的緩沖區(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，攻擊時只需要在任意空間里的Function Pointers鄰近處找到一個能夠溢出的緩沖區(qū)，然后用溢出來改變Function Pointers。當程序通過Function Pointers調(diào)用函數(shù)，程序的流程就會實現(xiàn)。

　　(2)Activation Records(激活記錄)

　　當一個函數(shù)調(diào)用發(fā)生時，堆棧中會留駐一個Activation Records，它包含了函數(shù)結(jié)束時返回的地址。執(zhí)行溢出這些自動變量，使這個返回的地址指向攻擊代碼，再通過改變程序的返回地址。當函數(shù)調(diào)用結(jié)束時，程序就會跳轉(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(長跳轉(zhuǎn)緩沖區(qū))

　　在C語言中包含了一個簡單的檢驗/恢復系統(tǒng)，稱為“setjmp/longjmp”，意思是在檢驗點設(shè)定“setjmp(buffer)”，用longjmp(buffer)“來恢復檢驗點。如果攻擊時能夠進入緩沖區(qū)的空間，感覺“longjmp(buffer)”實際上是跳轉(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，所以找到一個可供溢出的緩沖區(qū)是最先應(yīng)該做的事情。

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