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接觸過(guò)編程的人都知道，高級(jí)語(yǔ)言都能通過(guò)變量名來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。那么這些變量在內(nèi)存中是如何存放的呢？程序又是如何使用這些變量的呢？下面就會(huì)對(duì)此進(jìn)行深入的討論。下文中的C語(yǔ)言代碼如沒(méi)有特別聲明，默認(rèn)都使用VC編譯的release版。
首先，來(lái)了解一下 C 語(yǔ)言的變量是如何在內(nèi)存分部的。C 語(yǔ)言有全局變量(Global)、本地變量(Local)，靜態(tài)變量(Static)、寄存器變量(Regeister)。每種變量都有不同的分配方式。先來(lái)看下面這段代碼：
#include <stdio.h>
int g1=0, g2=0, g3=0;
int main()
{
static int s1=0, s2=0, s3=0;
int v1=0, v2=0, v3=0;
//打印出各個(gè)變量的內(nèi)存地址
printf("0x%08x\n",&v1); //打印各本地變量的內(nèi)存地址
printf("0x%08x\n",&v2);
printf("0x%08x\n\n",&v3);
printf("0x%08x\n",&g1); //打印各全局變量的內(nèi)存地址
printf("0x%08x\n",&g2);
printf("0x%08x\n\n",&g3);
printf("0x%08x\n",&s1); //打印各靜態(tài)變量的內(nèi)存地址
printf("0x%08x\n",&s2);
printf("0x%08x\n\n",&s3);
return 0;
}
編譯后的執(zhí)行結(jié)果是：
0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80
0x004068d0
0x004068d4
0x004068d8
0x004068dc
0x004068e0
0x004068e4
輸出的結(jié)果就是變量的內(nèi)存地址。其中v1,v2,v3是本地變量，g1,g2,g3是全局變量，s1,s2,s3是靜態(tài)變量。你可以看到這些變量在內(nèi)存是連續(xù)分布的，但是本地變量和全局變量分配的內(nèi)存地址差了十萬(wàn)八千里，而全局變量和靜態(tài)變量分配的內(nèi)存是連續(xù)的。這是因?yàn)楸镜刈兞亢腿?靜態(tài)變量是分配在不同類型的內(nèi)存區(qū)域中的結(jié)果。對(duì)于一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間而言，可以在邏輯上分成3個(gè)部份：代碼區(qū)，靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)一般就是“堆棧”。“棧(stack)”和“堆(heap)”是兩種不同的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，棧是一種線性結(jié)構(gòu)，堆是一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。進(jìn)程的每個(gè)線程都有私有的“棧”，所以每個(gè)線程雖然代碼一樣，但本地變量的數(shù)據(jù)都是互不干擾。一個(gè)堆棧可以通過(guò)“基地址”和“棧頂”地址來(lái)描述。全局變量和靜態(tài)變量分配在靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，本地變量分配在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)，即堆棧中。程序通過(guò)堆棧的基地址和偏移量來(lái)訪問(wèn)本地變量。
├———————┤低端內(nèi)存區(qū)域
│ …… │
├———————┤
│ 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū) │
├———————┤
│ …… │
├———————┤
│ 代碼區(qū) │
├———————┤
│ 靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū) │
├———————┤
│ …… │
├———————┤高端內(nèi)存區(qū)域
堆棧是一個(gè)先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，棧頂?shù)刂房偸切∮诘扔跅５幕刂贰Ｎ覀兛梢韵攘私庖幌潞瘮?shù)調(diào)用的過(guò)程，以便對(duì)堆棧在程序中的作用有更深入的了解。不同的語(yǔ)言有不同的函數(shù)調(diào)用規(guī)定，這些因素有參數(shù)的壓入規(guī)則和堆棧的平衡。windows API的調(diào)用規(guī)則和ANSI C的函數(shù)調(diào)用規(guī)則是不一樣的，前者由被調(diào)函數(shù)調(diào)整堆棧，后者由調(diào)用者調(diào)整堆棧。兩者通過(guò)“__stdcall”和“__cdecl”前綴區(qū)分。先看下面這段代碼：
#include <stdio.h>
void __stdcall func(int param1,int param2,int param3)
{
int var1=param1;
int var2=param2;
int var3=param3;
printf("0x%08x\n",¶m1); //打印出各個(gè)變量的內(nèi)存地址
printf("0x%08x\n",¶m2);
printf("0x%08x\n\n",¶m3);
printf("0x%08x\n",&var1);
printf("0x%08x\n",&var2);
printf("0x%08x\n\n",&var3);
return;
}
int main()
{
func(1,2,3);
return 0;
}
編譯后的執(zhí)行結(jié)果是：
0x0012ff78
0x0012ff7c
0x0012ff80
0x0012ff68
0x0012ff6c
0x0012ff70
├———————┤<—函數(shù)執(zhí)行時(shí)的棧頂（ESP）、低端內(nèi)存區(qū)域
│ …… │
├———————┤
│ var 1 │
├———————┤
│ var 2 │
├———————┤
│ var 3 │
├———————┤
│ RET │
├———————┤<—“__cdecl”函數(shù)返回后的棧頂（ESP）
│ parameter 1 │
├———————┤
│ parameter 2 │
├———————┤
│ parameter 3 │
├———————┤<—“__stdcall”函數(shù)返回后的棧頂（ESP）
│ …… │
├———————┤<—棧底（基地址 EBP）、高端內(nèi)存區(qū)域
上圖就是函數(shù)調(diào)用過(guò)程中堆棧的樣子了。首先，三個(gè)參數(shù)以從又到左的次序壓入堆棧，先壓“param3”，再壓“param2”，最后壓入“param1”；然后壓入函數(shù)的返回地址(RET)，接著跳轉(zhuǎn)到函數(shù)地址接著執(zhí)行（這里要補(bǔ)充一點(diǎn)，介紹UNIX下的緩沖溢出原理的文章中都提到在壓入RET后，繼續(xù)壓入當(dāng)前EBP，然后用當(dāng)前ESP代替EBP。然而，有一篇介紹windows下函數(shù)調(diào)用的文章中說(shuō)，在windows下的函數(shù)調(diào)用也有這一步驟，但根據(jù)我的實(shí)際調(diào)試，并未發(fā)現(xiàn)這一步，這還可以從param3和var1之間只有4字節(jié)的間隙這點(diǎn)看出來(lái)）；第三步，將棧頂(ESP)減去一個(gè)數(shù)，為本地變量分配內(nèi)存空間，上例中是減去12字節(jié)(ESP=ESP-3*4，每個(gè)int變量占用4個(gè)字節(jié))；接著就初始化本地變量的內(nèi)存空間。由于“__stdcall”調(diào)用由被調(diào)函數(shù)調(diào)整堆棧，所以在函數(shù)返回前要恢復(fù)堆棧，先回收本地變量占用的內(nèi)存(ESP=ESP+3*4)，然后取出返回地址，填入EIP寄存器，回收先前壓入?yún)?shù)占用的內(nèi)存(ESP=ESP+3*4)，繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用者的代碼。參見(jiàn)下列匯編代碼：
;--------------func 函數(shù)的匯編代碼-------------------
:00401000 83EC0C sub esp, 0000000C //創(chuàng)建本地變量的內(nèi)存空間
:00401003 8B442410 mov eax, dword ptr [esp+10]
:00401007 8B4C2414 mov ecx, dword ptr [esp+14]
:0040100B 8B542418 mov edx, dword ptr [esp+18]
:0040100F 89442400 mov dword ptr [esp], eax
:00401013 8D442410 lea eax, dword ptr [esp+10]
:00401017 894C2404 mov dword ptr [esp+04], ecx
……………………（省略若干代碼）
:00401075 83C43C add esp, 0000003C ;恢復(fù)堆棧，回收本地變量的內(nèi)存空間
:00401078 C3 ret 000C ;函數(shù)返回，恢復(fù)參數(shù)占用的內(nèi)存空間
;如果是“__cdecl”的話，這里是“ret”，堆棧將由調(diào)用者恢復(fù)
;-------------------函數(shù)結(jié)束-------------------------
;--------------主程序調(diào)用func函數(shù)的代碼--------------
:00401080 6A03 push 00000003 //壓入?yún)?shù)param3
:00401082 6A02 push 00000002 //壓入?yún)?shù)param2
:00401084 6A01 push 00000001 //壓入?yún)?shù)param1
:00401086 E875FFFFFF call 00401000 //調(diào)用func函數(shù)
;如果是“__cdecl”的話，將在這里恢復(fù)堆棧，“add esp, 0000000C”
聰明的讀者看到這里，差不多就明白緩沖溢出的原理了。先來(lái)看下面的代碼：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void __stdcall func()
{
char lpBuff[8]="\0";
strcat(lpBuff,"AAAAAAAAAAA");
return;
}
int main()
{
func();
return 0;
}
編譯后執(zhí)行一下回怎么樣？哈，“"0x00414141"指令引用的"0x00000000"內(nèi)存。該內(nèi)存不能為"read"。”，“非法操作”嘍！"41"就是"A"的16進(jìn)制的ASCII碼了，那明顯就是strcat這句出的問(wèn)題了。"lpBuff"的大小只有8字節(jié)，算進(jìn)結(jié)尾的’\0’，那strcat最多只能寫(xiě)入7個(gè)"A"，但程序?qū)嶋H寫(xiě)入了11個(gè)"A"外加1個(gè)’\0’。再來(lái)看看上面那幅圖，多出來(lái)的4個(gè)字節(jié)正好覆蓋了RET的所在的內(nèi)存空間，導(dǎo)致函數(shù)返回到一個(gè)錯(cuò)誤的內(nèi)存地址，執(zhí)行了錯(cuò)誤的指令。如果能精心構(gòu)造這個(gè)字符串，使它分成三部分，前一部份僅僅是填充的無(wú)意義數(shù)據(jù)以達(dá)到溢出的目的，接著是一個(gè)覆蓋RET的數(shù)據(jù)，緊接著是一段shellcode，那只要著個(gè)RET地址能指向這段shellcode的第一個(gè)指令，那函數(shù)返回時(shí)就能執(zhí)行shellcode了。但是軟件的不同版本和不同的運(yùn)行環(huán)境都可能影響這段shellcode在內(nèi)存中的位置，那么要構(gòu)造這個(gè)RET是十分困難的。一般都在RET和shellcode之間填充大量的NOP指令，使得exploit有更強(qiáng)的通用性。
├———————┤<—低端內(nèi)存區(qū)域
│ …… │
├———————┤<—由exploit填入數(shù)據(jù)的開(kāi)始
│ │
│ buffer │<—填入無(wú)用的數(shù)據(jù)
│ │
├———————┤
│ RET │<—指向shellcode，或NOP指令的范圍
├———————┤
│ NOP │
│ …… │<—填入的NOP指令，是RET可指向的范圍
│ NOP │
├———————┤
│ │
│ shellcode │
│ │
├———————┤<—由exploit填入數(shù)據(jù)的結(jié)束
│ …… │
├———————┤<—高端內(nèi)存區(qū)域