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）是計算機(jī)安全領(lǐng)域內(nèi)既經(jīng)典而又古老的話題。隨著計算機(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。其中看雪的0day安全：軟件漏洞分析技術(shù)一書將緩沖區(qū)溢出攻擊的原理闡述得簡潔明了。本文參考該書對緩沖區(qū)溢出原理的講解，并結(jié)合實際的代碼實例進(jìn)行驗證。不過即便如此，完成一個簡單的溢出代碼也需要解決很多書中無法涉及的問題，尤其是面對較新的具有安全特性的編譯器比如MS的Visual Studio2010。接下來，我們結(jié)合具體代碼，按照對緩沖區(qū)溢出原理的循序漸進(jìn)地理解方式去挖

2、掘緩沖區(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)提供了多于其存儲容量的數(shù)據(jù)，就像往杯子里倒入了過量的水一樣。通常情況下，緩沖區(qū)溢出的數(shù)據(jù)只會破壞程序數(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，高級語言定義的變量、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等在運行時可以說都是保存在緩沖區(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)行這塊可讀寫內(nèi)

3、存中已經(jīng)被蓄意設(shè)定好的惡意代碼。按照馮·諾依曼存儲程序原理，程序代碼是作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲在內(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單表示。代碼存儲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，程序計數(shù)器（PC指針）只會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)存儲了用戶程序的全局變量，文字池等。棧空間存儲了用戶程序的函數(shù)棧幀（包括參數(shù)、局部數(shù)據(jù)等），實現(xiàn)函數(shù)調(diào)用機(jī)制，它的數(shù)據(jù)增長方向是低地址方向。堆空間存儲了程序運行時動態(tài)申

4、請的內(nèi)存數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)增長方向是高地址方向。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“教唆”程序計數(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！本文分析并實現(xiàn)棧溢出攻擊方式。二、函數(shù)棧幀棧的主要功能是實現(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?？臻g發(fā)生了怎樣的變化。每次函數(shù)調(diào)用時，系統(tǒng)會把函數(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)的實際參數(shù)和局部變量（包括數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)體、對象等）也會保存在棧內(nèi)。這些數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為函數(shù)調(diào)用的

5、棧幀，而且是每次函數(shù)調(diào)用都會有個獨立的棧幀，這也為遞歸函數(shù)的實現(xiàn)提供了可能。圖2 函數(shù)棧幀如圖所示，我們定義了一個簡單的函數(shù)function，它接受一個整形參數(shù)，做一次乘法操作并返回。當(dāng)調(diào)用function(0)時，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。每個函數(shù)定義都會有函數(shù)頭和函數(shù)尾代碼，如圖綠框表示。因為函數(shù)內(nèi)需要用ebp保存函數(shù)棧幀基址，因此先保存ebp原來的值到棧內(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

6、數(shù)內(nèi)正常情況下無論怎樣使用棧，都不會使棧失去平衡。sub esp,44h指令為局部變量開辟了棧空間，比如ret變量的位置。理論上，function只需要再開辟4字節(jié)空間保存ret即可，但是編譯器開辟了更多的空間（這個問題很詭異，你覺得呢？）。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。之所以會有緩沖區(qū)溢出的可能，主要是因為棧空間內(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，對于計算機(jī)安全來說，該信息是很敏感的。如果有人惡意修改了這個返回地址，并使該返回地址指向了一個新的代碼位置，

7、程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法進(jìn)行溢出操作的，因為用戶沒有“插足”的機(jī)會。但是實際上很多程序都會接受用戶的外界輸入，尤其是當(dāng)函數(shù)內(nèi)的一個數(shù)組緩沖區(qū)接受用戶輸入的時候，一旦程序代碼未對輸入的長度進(jìn)行合法性檢查的話，緩沖區(qū)溢出便有可能觸發(fā)！比如下邊的一個簡單的函數(shù)。1. void fun(unsigned char *data)2. 3. unsigned char bufferBUF_LEN;4. strcpy(char*)buffer,(char*)data);/溢出點5. 這個函數(shù)沒有做什么有“意義”的事情

8、（這里主要是為了簡化問題），但是它是一個典型的棧溢出代碼。在使用不安全的strcpy庫函數(shù)時，系統(tǒng)會盲目地將data的全部數(shù)據(jù)拷貝到buffer指向的內(nèi)存區(qū)域。buffer的長度是有限的，一旦data的數(shù)據(jù)長度超過BUF_LEN，便會產(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，超過緩沖區(qū)區(qū)域的高地址部分?jǐn)?shù)據(jù)會“淹沒”原本的其他棧幀數(shù)據(jù)，根據(jù)淹沒數(shù)據(jù)的內(nèi)容不同，可能會有產(chǎn)生以下情況：1、淹沒了其他的局部變量。如果被淹沒的局部變量是條件變量，那么可能會改變函數(shù)原本的執(zhí)行流程。這種方式可以

9、用于破解簡單的軟件驗證。2、淹沒了ebp的值。修改了函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后要恢復(fù)的棧指針，將會導(dǎo)致棧幀失去平衡。3、淹沒了返回地址。這是棧溢出原理的核心所在，通過淹沒的方式修改函數(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、淹沒上級函數(shù)的棧幀，情況與上述4點類似，只不過影響的是上級函數(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)制代碼的其實位置，那么就完成了基本的溢出攻擊行

10、為。圖4 基本棧溢出攻擊通過計算返回地址內(nèi)存區(qū)域相對于buffer的偏移，并在對應(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，因為攻擊者希望通過這段代碼打開系統(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，開放端口，格式化磁盤等惡意操作。四、棧溢出攻擊上述過程雖然理論上能完成棧溢出攻擊行為，但是實際上很難實現(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法預(yù)測的，因此棧的位置實際是不固定的，通過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會恢復(fù)到壓入?yún)?shù)時的狀態(tài)，在圖4中即data參數(shù)的地址。如果我們在函數(shù)的返回地址填入一個地址，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位置，最終都會回來執(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）的問題，但是跳板指令從哪找呢？“幸運

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，這兩個動態(tài)鏈接庫是Windows程序默認(rèn)加載的。如果是圖形化界面的Windows程序還會加載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，便得到一個適用的跳板指令地址！/查詢dll內(nèi)第一個jmp esp指令的位置int findJmp(char*dll_name)c

13、har* 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);這里簡化了搜索算法，輸出第一個跳板指令的地址，讀者可以選取其他更合適位置。LoadLibraryA庫函數(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

14、便是最終地址。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。因為在esp后繼續(xù)追加shellcode代碼會將上級函數(shù)的棧幀淹沒，這樣做并沒有什么好處，甚至可能會帶來運行時問題。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指令便會讓esp指令與shellcode代碼越來越近，甚至淹沒自身的代碼。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的問題，很多情況下緩沖區(qū)溢出是針對字符串緩沖區(qū)的，如果出現(xiàn)字節(jié)0會導(dǎo)致緩沖區(qū)截斷，從而導(dǎo)致溢出失敗。第二條指令就是跳轉(zhuǎn)到shellcod

16、e的起始位置繼續(xù)執(zhí)行。（又是jmp esp?。┩ㄟ^上述方式便能獲得一個較為穩(wěn)定的棧溢出攻擊。五、shellcode構(gòu)造shellcode實質(zhì)是指溢出后執(zhí)行的能開啟系統(tǒng)shell的代碼。但是在緩沖區(qū)溢出攻擊時，也可以將整個觸發(fā)緩沖區(qū)溢出攻擊過程的代碼統(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0，對于符號串shellcode需要用0結(jié)尾，避免溢出時字符串

17、異常。前邊一直在圍繞溢出地址討論，并解決了shellcode組織的問題，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)行時是在遠(yuǎn)程的計算機(jī)上，因此shellcode是否能通用是一個很復(fù)雜的問題。我們可以用一段簡單的代碼實例來說明這個問題。緩沖區(qū)溢出成功后，一般大家都會希望開啟一個遠(yuǎn)程的shell控制被攻擊的計算機(jī)。開啟shell最直接的方式便是調(diào)用C語言的庫函數(shù)system，該函數(shù)可以

18、執(zhí)行操作系統(tǒng)的命令，就像我們在命令行下執(zhí)行命令那樣。假如我們執(zhí)行cmd命令在遠(yuǎn)程計算機(jī)上啟動一個命令提示終端（我們可能還不能和它交互，但是可以在這之前建立一個遠(yuǎn)程管道等），這里僅作為實例測試。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有加載C語言庫的話，我們還需要調(diào)用Windows的API Loadlibrary加載C語言的庫msvcrt.dll，類似的我們也需要為字符串“msvcrt.dll”開辟棧空間。1. xor&#

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

22、我們使用已經(jīng)初始化為0的ebx寄存器代替。另外，在對庫函數(shù)調(diào)用的時候需要提前計算出函數(shù)的地址，如Loadlibrary函數(shù)的0x77b62864。計算方式如下：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. 這個函數(shù)地址是在本地計算的，如果被攻擊計算機(jī)的操作系統(tǒng)版本差別較大的話，這個地址可能是錯誤的。不過在0da

23、y安全：軟件漏洞分析技術(shù)中，作者提供了一個更好的方式，感興趣的讀者可以參考該書提供的代碼。因此構(gòu)造一個通用的shellcode并非十分容易，如果想讓攻擊變得有效的話。六、匯編語言自動轉(zhuǎn)換寫出shellcode后（無論是簡單的還是通用的），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。不過我們都希望能讓計算機(jī)幫助做完這些事，既然開發(fā)環(huán)境提供了編譯器，用它們幫忙何樂而不為呢？既不用OllyDbg工具，也不適用其他的第三方工具，我們寫一個簡單的函數(shù)來完成這個工作。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

24、還是二進(jìn)制形式，返回代碼長度2. int dumpCode(unsigned char*buffer)3. 4. goto END /略過匯編代碼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)對齊 int fill=(len-len%4)%4; while(fill-)bufferlen+fill=0x90; /返回長度 return len+fill; 因為C+是支持嵌入式匯編代碼的，因此在函數(shù)內(nèi)的匯編代碼都會被整成編譯為二進(jìn)制代碼。實現(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度，我們定義了兩個標(biāo)簽BEGIN和END。這兩個標(biāo)簽在匯編語言級別會被解析為實際的線性地址，但是在高級語言級是無法直接使用