黑客攻防：缓冲区溢出攻击与堆栈保护

大家好，我是小风哥。在上一篇文章《​​进程切换的本质是什么?​​》中举了一个示例，也就是这段代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void funcC() {
    printf("jump to funcC !!!\n") ;
    exit(-1) ;
}

void funcB() {
    long *p = NULL ;
    p = (long*)&p ;
    *(p+2) = (long)funcC ;
}

void funcA() {
  funcB();
}

int main() {
    funcA() ;
    return 0 ;
}

有同学在微信群里问不能在自己的机器上复现，并给出了编译后的机器指令：

00000000004005ee <funcB>:
  4005ee:       55                      push   %rbp
  4005ef:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  4005f2:       48 83 ec 10             sub    $0x10,%rsp
  4005f6:       64 48 8b 04 25 28 00    mov    %fs:0x28,%rax
  4005fd:       00 00
  4005ff:       48 89 45 f8             mov    %rax,-0x8(%rbp)
  400603:       31 c0                   xor    %eax,%eax
  400605:       48 c7 45 f0 00 00 00    movq   $0x0,-0x10(%rbp)
  40060c:       00
  40060d:       48 8d 45 f0             lea    -0x10(%rbp),%rax
  400611:       48 89 45 f0             mov    %rax,-0x10(%rbp)
  400615:       48 8b 45 f0             mov    -0x10(%rbp),%rax
  400619:       48 83 c0 10             add    $0x10,%rax
  40061d:       ba d6 05 40 00          mov    $0x4005d6,%edx
  400622:       48 89 10                mov    %rdx,(%rax)
  400625:       90                      nop
  400626:       48 8b 45 f8             mov    -0x8(%rbp),%rax
  40062a:       64 48 33 04 25 28 00    xor    %fs:0x28,%rax
  400631:       00 00
  400633:       74 05                   je     40063a <funcB+0x4c>
  400635:       e8 66 fe ff ff          callq  4004a0 <__stack_chk_fail@plt>
  40063a:       c9                      leaveq
  40063b:       c3                      retq

仔细看这段代码，有这样一段可疑的指令：

mov    %fs:0x28,%rax
mov    %rax,-0x8(%rbp)

这两行指令将fs:[0x28] (段寻址的方式)处的值push到了调用栈上(%rbp偏移8字节)，并在函数即将返回的时候又检查了一遍该值有没有被修改：

mov    -0x8(%rbp),%rax
xor    %fs:0x28,%rax

接下来如果保存到栈上的值不等于fs:[0x28]处的值(xor指令进行比较)那么跳转到__stack_chk_fail函数，我们的疑问是为什么要有这么一遍检查呢?本质上我们在开头给出的代码相对于缓冲区溢出攻击，做法是修改上一个栈帧的返回地址，将其修改为某个特定地址(黑客希望跳转到的地方); 在开头的这段代码中本来funcA函数调用完funcB后需要返回funcA，但在我们的“精心”设计下调用完funcB后却跳转到了funcC，那么我们有没有办法防范这种攻击呢? 答案是肯定的，这种方法要追溯到很久很久以前。在上世纪初，煤矿开采是一项很危险的工作，因为煤矿中的有毒气体通常极难被人类察觉，这给矿工的生命带来很大的威胁，而金丝雀对毒气非常敏感，这样矿工可以利用金丝雀来监控矿区，从而提早发现险情。 这里也是一样的道理，我们可以在栈区中放置一个“金丝雀”(fs:[0x28]处的值)： 当函数返回时我们会再次拿fs:[0x28]处的值与栈上的“金丝雀”进行对比，一旦发现这两个值不同我们就可以认为当前的栈已经被破坏了，由于栈上的数据已然不可信，因此我们必须及早撤离矿区，也就是调用__stack_chk_fail函数提前终止进程。 而金丝雀也就是fs:[0x28]是随机产生的(每次程序运行时都不一样)，因此攻击者很难提前知道该值是多少。 当然我们也可以看到，添加堆栈保护功能需要增加额外的机器指令，这些也会稍稍对性能产生影响，代价就是需要额外多执行一部分机器指令。 这就是编译器的堆栈保护功能，当然这个功能也是可以去掉的，编译时添加-fno-stack-protector编译选项，这样即可关闭堆栈保护功能，生成的代码就可以复现上一篇文章《​​进程切换的本质是什么?​​》中提到的效果了。 怎么样，想成为黑客还是没那么容易吧，就好比只有真正理解法律才能钻空子一样，只有真正理解计算机的工作原理才能hack它，当然，想成为顶尖黑客只有对计算机的理解还不够，你还需要有想象力。