緩沖區(qū)溢出攻擊詳細(xì)講解

1、緩沖區(qū)溢出攻擊詳細(xì)講解緩沖區(qū)溢出（Buffer Overflow）是計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域內(nèi)既經(jīng)典而又古老的話題。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全性的加強(qiáng)，傳統(tǒng)的緩沖區(qū)溢出攻擊方式可能變得不再奏效，相應(yīng)的介紹緩沖區(qū)溢出原理的資料也變得“大眾化”起來(lái)。其中看雪的0day安全：軟件漏洞分析技術(shù)一書(shū)將緩沖區(qū)溢出攻擊的原理闡述得簡(jiǎn)潔明了。本文參考該書(shū)對(duì)緩沖區(qū)溢出原理的講解，并結(jié)合實(shí)際的代碼實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。不過(guò)即便如此，完成一個(gè)簡(jiǎn)單的溢出代碼也需要解決很多書(shū)中無(wú)法涉及的問(wèn)題，尤其是面對(duì)較新的具有安全特性的編譯器比如MS的Visual Studio2010。接下來(lái)，我們結(jié)合具體代碼，按照對(duì)緩沖區(qū)溢出原理的循序漸進(jìn)地理解方式去挖掘

2、緩沖區(qū)溢出背后的底層機(jī)制。一、代碼 <=> 數(shù)據(jù)顧名思義，緩沖區(qū)溢出的含義是為緩沖區(qū)提供了多于其存儲(chǔ)容量的數(shù)據(jù)，就像往杯子里倒入了過(guò)量的水一樣。通常情況下，緩沖區(qū)溢出的數(shù)據(jù)只會(huì)破壞程序數(shù)據(jù)，造成意外終止。但是如果有人精心構(gòu)造溢出數(shù)據(jù)的內(nèi)容，那么就有可能獲得系統(tǒng)的控制權(quán)！如果說(shuō)用戶（也可能是黑客）提供了水緩沖區(qū)溢出攻擊的數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)提供了溢出的容器緩沖區(qū)。緩沖區(qū)在系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式是多樣的，高級(jí)語(yǔ)言定義的變量、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等在運(yùn)行時(shí)可以說(shuō)都是保存在緩沖區(qū)內(nèi)的，因此所謂緩沖區(qū)可以更抽象地理解為一段可讀寫(xiě)的內(nèi)存區(qū)域，緩沖區(qū)攻擊的最終目的就是希望系統(tǒng)能執(zhí)行這塊可讀寫(xiě)內(nèi)存

3、中已經(jīng)被蓄意設(shè)定好的惡意代碼。按照馮·諾依曼存儲(chǔ)程序原理，程序代碼是作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)存的，同樣程序的數(shù)據(jù)也在內(nèi)存中，因此直接從內(nèi)存的二進(jìn)制形式上是無(wú)法區(qū)分哪些是數(shù)據(jù)哪些是代碼的，這也為緩沖區(qū)溢出攻擊提供了可能。圖1 進(jìn)程地址空間分布圖1是進(jìn)程地址空間分布的簡(jiǎn)單表示。代碼存儲(chǔ)了用戶程序的所有可執(zhí)行代碼，在程序正常執(zhí)行的情況下，程序計(jì)數(shù)器（PC指針）只會(huì)在代碼段和操作系統(tǒng)地址空間（內(nèi)核態(tài)）內(nèi)尋址。數(shù)據(jù)段內(nèi)存儲(chǔ)了用戶程序的全局變量，文字池等。?？臻g存儲(chǔ)了用戶程序的函數(shù)棧幀（包括參數(shù)、局部數(shù)據(jù)等），實(shí)現(xiàn)函數(shù)調(diào)用機(jī)制，它的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)方向是低地址方向。堆空間存儲(chǔ)了程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)

4、的內(nèi)存數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)增長(zhǎng)方向是高地址方向。除了代碼段和受操作系統(tǒng)保護(hù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，其他的內(nèi)存區(qū)域都可能作為緩沖區(qū)，因此緩沖區(qū)溢出的位置可能在數(shù)據(jù)段，也可能在堆、棧段。如果程序的代碼有軟件漏洞，惡意程序會(huì)“教唆”程序計(jì)數(shù)器從上述緩沖區(qū)內(nèi)取指，執(zhí)行惡意程序提供的數(shù)據(jù)代碼！本文分析并實(shí)現(xiàn)棧溢出攻擊方式。二、函數(shù)棧幀棧的主要功能是實(shí)現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。因此在介紹棧溢出原理之前，需要弄清函數(shù)調(diào)用時(shí)棧空間發(fā)生了怎樣的變化。每次函數(shù)調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)把函數(shù)的返回地址（函數(shù)調(diào)用指令后緊跟指令的地址），一些關(guān)鍵的寄存器值保存在棧內(nèi)，函數(shù)的實(shí)際參數(shù)和局部變量（包括數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)體、對(duì)象等）也會(huì)保存在棧內(nèi)。這些數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為函數(shù)調(diào)用的棧

5、幀，而且是每次函數(shù)調(diào)用都會(huì)有個(gè)獨(dú)立的棧幀，這也為遞歸函數(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。圖2 函數(shù)棧幀如圖所示，我們定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)function，它接受一個(gè)整形參數(shù)，做一次乘法操作并返回。當(dāng)調(diào)用function(0)時(shí)，arg參數(shù)記錄了值0入棧，并將call function指令下一條指令的地址0x00bd16f0保存到棧內(nèi)，然后跳轉(zhuǎn)到function函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行。每個(gè)函數(shù)定義都會(huì)有函數(shù)頭和函數(shù)尾代碼，如圖綠框表示。因?yàn)楹瘮?shù)內(nèi)需要用ebp保存函數(shù)棧幀基址，因此先保存ebp原來(lái)的值到棧內(nèi)，然后將棧指針esp內(nèi)容保存到ebp。函數(shù)返回前需要做相反的操作將esp指針恢復(fù)，并彈出ebp。這樣，函數(shù)

6、內(nèi)正常情況下無(wú)論怎樣使用棧，都不會(huì)使棧失去平衡。sub esp,44h指令為局部變量開(kāi)辟了?？臻g，比如ret變量的位置。理論上，function只需要再開(kāi)辟4字節(jié)空間保存ret即可，但是編譯器開(kāi)辟了更多的空間（這個(gè)問(wèn)題很詭異，你覺(jué)得呢？）。函數(shù)調(diào)用結(jié)束返回后，函數(shù)棧幀恢復(fù)到保存參數(shù)0時(shí)的狀態(tài)，為了保持棧幀平衡，需要恢復(fù)esp的內(nèi)容，使用add esp,4將壓入的參數(shù)彈出。之所以會(huì)有緩沖區(qū)溢出的可能，主要是因?yàn)闂？臻g內(nèi)保存了函數(shù)的返回地址。該地址保存了函數(shù)調(diào)用結(jié)束后后續(xù)執(zhí)行的指令的位置，對(duì)于計(jì)算機(jī)安全來(lái)說(shuō)，該信息是很敏感的。如果有人惡意修改了這個(gè)返回地址，并使該返回地址指向了一個(gè)新的代碼位置，程

7、序便能從其它位置繼續(xù)執(zhí)行。三、棧溢出基本原理上邊給出的代碼是無(wú)法進(jìn)行溢出操作的，因?yàn)橛脩魶](méi)有“插足”的機(jī)會(huì)。但是實(shí)際上很多程序都會(huì)接受用戶的外界輸入，尤其是當(dāng)函數(shù)內(nèi)的一個(gè)數(shù)組緩沖區(qū)接受用戶輸入的時(shí)候，一旦程序代碼未對(duì)輸入的長(zhǎng)度進(jìn)行合法性檢查的話，緩沖區(qū)溢出便有可能觸發(fā)！比如下邊的一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)。1. void fun(unsigned char *data)2. 3. unsigned char bufferBUF_LEN;4. strcpy(char*)buffer,(char*)data);/溢出點(diǎn)5. 這個(gè)函數(shù)沒(méi)有做什么有“意義”的事情（

8、這里主要是為了簡(jiǎn)化問(wèn)題），但是它是一個(gè)典型的棧溢出代碼。在使用不安全的strcpy庫(kù)函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)盲目地將data的全部數(shù)據(jù)拷貝到buffer指向的內(nèi)存區(qū)域。buffer的長(zhǎng)度是有限的，一旦data的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)BUF_LEN，便會(huì)產(chǎn)生緩沖區(qū)溢出。圖3 緩沖區(qū)溢出由于棧是低地址方向增長(zhǎng)的，因此局部數(shù)組buffer的指針在緩沖區(qū)的下方。當(dāng)把data的數(shù)據(jù)拷貝到buffer內(nèi)時(shí)，超過(guò)緩沖區(qū)區(qū)域的高地址部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)“淹沒(méi)”原本的其他棧幀數(shù)據(jù)，根據(jù)淹沒(méi)數(shù)據(jù)的內(nèi)容不同，可能會(huì)有產(chǎn)生以下情況：1、淹沒(méi)了其他的局部變量。如果被淹沒(méi)的局部變量是條件變量，那么可能會(huì)改變函數(shù)原本的執(zhí)行流程。這種方式可以用

9、于破解簡(jiǎn)單的軟件驗(yàn)證。2、淹沒(méi)了ebp的值。修改了函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后要恢復(fù)的棧指針，將會(huì)導(dǎo)致棧幀失去平衡。3、淹沒(méi)了返回地址。這是棧溢出原理的核心所在，通過(guò)淹沒(méi)的方式修改函數(shù)的返回地址，使程序代碼執(zhí)行“意外”的流程！4、淹沒(méi)參數(shù)變量。修改函數(shù)的參數(shù)變量也可能改變當(dāng)前函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果和流程。5、淹沒(méi)上級(jí)函數(shù)的棧幀，情況與上述4點(diǎn)類似，只不過(guò)影響的是上級(jí)函數(shù)的執(zhí)行。當(dāng)然這里的前提是保證函數(shù)能正常返回，即函數(shù)地址不能被隨意修改（這可能很麻煩?。Ｈ绻赿ata本身的數(shù)據(jù)內(nèi)就保存了一系列的指令的二進(jìn)制代碼，一旦棧溢出修改了函數(shù)的返回地址，并將該地址指向這段二進(jìn)制代碼的其實(shí)位置，那么就完成了基本的溢出攻擊行為

10、。圖4 基本棧溢出攻擊通過(guò)計(jì)算返回地址內(nèi)存區(qū)域相對(duì)于buffer的偏移，并在對(duì)應(yīng)位置構(gòu)造新的地址指向buffer內(nèi)部二進(jìn)制代碼的其實(shí)位置，便能執(zhí)行用戶的自定義代碼！這段既是代碼又是數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被稱為shellcode，因?yàn)楣粽呦Ｍㄟ^(guò)這段代碼打開(kāi)系統(tǒng)的shell，以執(zhí)行任意的操作系統(tǒng)命令比如下載病毒，安裝木馬，開(kāi)放端口，格式化磁盤(pán)等惡意操作。四、棧溢出攻擊上述過(guò)程雖然理論上能完成棧溢出攻擊行為，但是實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)每次加載可執(zhí)行文件到進(jìn)程空間的位置都是無(wú)法預(yù)測(cè)的，因此棧的位置實(shí)際是不固定的，通過(guò)硬編碼覆蓋新返回地址的方式并不可靠。為了能準(zhǔn)確定位shellcode的地址，

11、需要借助一些額外的操作，其中最經(jīng)典的是借助跳板的棧溢出方式。根據(jù)前邊所述，函數(shù)執(zhí)行后，棧指針esp會(huì)恢復(fù)到壓入?yún)?shù)時(shí)的狀態(tài)，在圖4中即data參數(shù)的地址。如果我們?cè)诤瘮?shù)的返回地址填入一個(gè)地址，該地址指向的內(nèi)存保存了一條特殊的指令jmp esp跳板。那么函數(shù)返回后，會(huì)執(zhí)行該指令并跳轉(zhuǎn)到esp所在的位置即data的位置。我們可以將緩沖區(qū)再多溢出一部分，淹沒(méi)data這樣的函數(shù)參數(shù)，并在這里放上我們想要執(zhí)行的代碼！這樣，不管程序被加載到哪個(gè)位置，最終都會(huì)回來(lái)執(zhí)行棧內(nèi)的代碼。圖5 借助跳板的棧溢出攻擊借助于跳板的確可以很好的解決棧幀移位（棧加載地址不固定）的問(wèn)題，但是跳板指令從哪找呢？“幸運(yùn)”

12、的是，在Windows操作系統(tǒng)加載的大量dll中，包含了許多這樣的指令，比如kernel32.dll，ntdll.dll，這兩個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是Windows程序默認(rèn)加載的。如果是圖形化界面的Windows程序還會(huì)加載user32.dll，它也包含了大量的跳板指令！而且更“神奇”的是Windows操作系統(tǒng)加載dll時(shí)候一般都是固定地址，因此這些dll內(nèi)的跳板指令的地址一般都是固定的。我們可以離線搜索出跳板執(zhí)行在dll內(nèi)的偏移，并加上dll的加載地址，便得到一個(gè)適用的跳板指令地址！/查詢dll內(nèi)第一個(gè)jmp esp指令的位置int findJmp(char*dll_name)ch

13、ar* handle=(char*)LoadLibraryA(dll_name);/獲取dll加載地址for(int pos=0;pos+)/遍歷dll代碼空間if(handlepos=(char)0xff&&handlepos+1=(char)0xe4)/尋找0xffe4 = jmp  espreturn (int)(handle+pos);這里簡(jiǎn)化了搜索算法，輸出第一個(gè)跳板指令的地址，讀者可以選取其他更合適位置。LoadLibraryA庫(kù)函數(shù)返回值就是dll的加載地址，然后加上搜索到的跳板指令偏移pos便

14、是最終地址。jmp esp指令的二進(jìn)制表示為0xffe4，因此搜索算法就是搜索dll內(nèi)這樣的字節(jié)數(shù)據(jù)即可。雖然如此，上述的攻擊方式還不夠好。因?yàn)樵趀sp后繼續(xù)追加shellcode代碼會(huì)將上級(jí)函數(shù)的棧幀淹沒(méi)，這樣做并沒(méi)有什么好處，甚至可能會(huì)帶來(lái)運(yùn)行時(shí)問(wèn)題。既然被溢出的函數(shù)棧幀內(nèi)提供了緩沖區(qū)，我們還是把核心的shellcode放在緩沖區(qū)內(nèi)，而在esp之后放上跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)移到原本的緩沖區(qū)位置。由于這樣做使代碼的位置在esp指針之前，如果shellcode中使用了push指令便會(huì)讓esp指令與shellcode代碼越來(lái)越近，甚至淹沒(méi)自身的代碼。這顯然不是我們想要的結(jié)果，因此我們可以強(qiáng)制抬高esp指針，

15、使它在shellcode之前（低地址位置），這樣就能在shellcode內(nèi)正常使用push指令了。圖6 調(diào)整shellcode與棧指針調(diào)整代碼的內(nèi)容很簡(jiǎn)單： add esp,-Xjmp esp第一條指令抬高了棧指針到shellcode之前。X代表shellcode起始地址與esp的偏移。如果shellcode從緩沖區(qū)起始位置開(kāi)始，那么就是buffer的地址偏移。這里不使用sub esp,X指令主要是避免X的高位字節(jié)為0的問(wèn)題，很多情況下緩沖區(qū)溢出是針對(duì)字符串緩沖區(qū)的，如果出現(xiàn)字節(jié)0會(huì)導(dǎo)致緩沖區(qū)截?cái)?，從而?dǎo)致溢出失敗。第二條指令就是跳轉(zhuǎn)到shellcode

16、的起始位置繼續(xù)執(zhí)行。（又是jmp esp?。┩ㄟ^(guò)上述方式便能獲得一個(gè)較為穩(wěn)定的棧溢出攻擊。五、shellcode構(gòu)造shellcode實(shí)質(zhì)是指溢出后執(zhí)行的能開(kāi)啟系統(tǒng)shell的代碼。但是在緩沖區(qū)溢出攻擊時(shí)，也可以將整個(gè)觸發(fā)緩沖區(qū)溢出攻擊過(guò)程的代碼統(tǒng)稱為shellcode，按照這種定義可以把shellcode分為四部分：1、核心shellcode代碼，包含了攻擊者要執(zhí)行的所有代碼。2、溢出地址，是觸發(fā)shellcode的關(guān)鍵所在。3、填充物，填充未使用的緩沖區(qū)，用于控制溢出地址的位置，一般使用nop指令填充0x90表示。4、結(jié)束符號(hào)0，對(duì)于符號(hào)串shellcode需要用0結(jié)尾，避免溢出時(shí)字符串異

17、常。前邊一直在圍繞溢出地址討論，并解決了shellcode組織的問(wèn)題，而最核心的代碼如何構(gòu)造并未提及即攻擊成功后做的事情。其實(shí)一旦緩沖區(qū)溢出攻擊成功后，如果被攻擊的程序有系統(tǒng)的root權(quán)限比如系統(tǒng)服務(wù)程序，那么攻擊者基本上可以為所欲為了！但是我們需要清楚的是，核心shellcode必須是二進(jìn)制代碼形式。而且shellcode執(zhí)行時(shí)是在遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上，因此shellcode是否能通用是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。我們可以用一段簡(jiǎn)單的代碼實(shí)例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。緩沖區(qū)溢出成功后，一般大家都會(huì)希望開(kāi)啟一個(gè)遠(yuǎn)程的shell控制被攻擊的計(jì)算機(jī)。開(kāi)啟shell最直接的方式便是調(diào)用C語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)system，該函數(shù)可以執(zhí)

18、行操作系統(tǒng)的命令，就像我們?cè)诿钚邢聢?zhí)行命令那樣。假如我們執(zhí)行cmd命令在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)一個(gè)命令提示終端（我們可能還不能和它交互，但是可以在這之前建立一個(gè)遠(yuǎn)程管道等），這里僅作為實(shí)例測(cè)試。為了使system函數(shù)調(diào)用成功，我們需要將“cmd”字符串內(nèi)容壓入?？臻g，并將其地址壓入作為system函數(shù)的參數(shù)，然后使用call指令調(diào)用system函數(shù)的地址，完成函數(shù)的執(zhí)行。但是這樣做還不夠，如果被溢出的程序沒(méi)有加載C語(yǔ)言庫(kù)的話，我們還需要調(diào)用Windows的API Loadlibrary加載C語(yǔ)言的庫(kù)msvcrt.dll，類似的我們也需要為字符串“msvcrt.dll”開(kāi)辟棧空間。1. xor

19、60;ebx,ebx /ebx=02.  3. push 0x3f3f6c6c /ll?4. push 0x642e7472 /rt.d5. push 0x6376736d /msvc6. mov esp+10,ebx /'?'-&gt;'0'7. mov esp+11,ebx /'?'-&gt;'0'8. mov eax,esp /"msvcrt.dll"

20、地址9. push eax /"msvcrt.dll"10. mov eax,0x77b62864 /kernel32.dll:LoadLibraryA11. call eax /LoadLibraryA("msvcrt.dll")12. add esp,1613. push 0x3f646d63 /"cmd?"14. mov esp+3,ebx /'?'-&gt;'0'15. mov&

21、#160;eax,esp;/"cmd"地址16. push eax /"cmd"17. mov eax,0x774ab16f /msvcrt.dll:system18. call eax /system("cmd")19. add esp,8上述匯編代碼實(shí)質(zhì)上是如下兩個(gè)函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句：1. Loadlibrary(“msvcrt.dll”);2. system(“cmd”);3.  不過(guò)在構(gòu)造這段匯編代碼時(shí)需要注意不能出現(xiàn)字節(jié)0，為了填充字符串的結(jié)束字符，我

22、們使用已經(jīng)初始化為0的ebx寄存器代替。另外，在對(duì)庫(kù)函數(shù)調(diào)用的時(shí)候需要提前計(jì)算出函數(shù)的地址，如Loadlibrary函數(shù)的0x77b62864。計(jì)算方式如下：1. int findFunc(char*dll_name,char*func_name)2. 3. HINSTANCE handle=LoadLibraryA(dll_name);/獲取dll加載地址4. return (int)GetProcAddress(handle,func_name);5. 這個(gè)函數(shù)地址是在本地計(jì)算的，如果被攻擊計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)版本差別較大的話，這個(gè)地址可能是錯(cuò)誤的。不過(guò)在0day

23、安全：軟件漏洞分析技術(shù)中，作者提供了一個(gè)更好的方式，感興趣的讀者可以參考該書(shū)提供的代碼。因此構(gòu)造一個(gè)通用的shellcode并非十分容易，如果想讓攻擊變得有效的話。六、匯編語(yǔ)言自動(dòng)轉(zhuǎn)換寫(xiě)出shellcode后（無(wú)論是簡(jiǎn)單的還是通用的），我們還需要將這段匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼。如果讀者對(duì)x86匯編十分熟悉的話，選擇手工敲出二進(jìn)制代碼的話也未嘗不可。不過(guò)我們都希望能讓計(jì)算機(jī)幫助做完這些事，既然開(kāi)發(fā)環(huán)境提供了編譯器，用它們幫忙何樂(lè)而不為呢？既不用OllyDbg工具，也不適用其他的第三方工具，我們寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)完成這個(gè)工作。1. /將內(nèi)嵌匯編的二進(jìn)制指令dump到文件,style指定輸出數(shù)組格式還

24、是二進(jìn)制形式，返回代碼長(zhǎng)度2. int dumpCode(unsigned char*buffer)3. 4. goto END /略過(guò)匯編代碼5. BEGIN:6. _asm7. 8. /在這里定義任意的合法匯編代碼 END: /確定代碼范圍 UINT begin,end; _asm mov eax,BEGIN  mov begin,eax  mov eax,END  mov end,eax  /輸出 int len=end-begin; memcpy(buffer,(void*)begin,len); /四字節(jié)對(duì)齊 int fill=(len-len%4)%4; while(fill-)bufferlen+fill=0x90; /返回長(zhǎng)度 return len+fill; 因?yàn)镃+是支持嵌入式匯編代碼的，因此在函數(shù)內(nèi)的匯編代碼都會(huì)被整成編譯為二進(jìn)制代碼。實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換的基本思想是讀取編譯器最終生成的二進(jìn)制代碼段數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到指定的緩沖區(qū)內(nèi)。為了鎖定嵌入式匯編代碼的位置和長(zhǎng)度，我們定義了兩個(gè)標(biāo)簽BEGIN和END。這兩個(gè)標(biāo)簽在匯編語(yǔ)言級(jí)別會(huì)被解析為實(shí)際的線性地址，但是在高級(jí)語(yǔ)言級(jí)是無(wú)法直接使