•  1. 蠕蟲病毒簡介
• 2. 緩沖區(qū)溢出
• 3. 緩沖區(qū)溢出舉例
• 4. 緩沖區(qū)溢出的危害
• 5. 內(nèi)存在計算機中的排布方式
• 6. 計算機中越界訪問的后果
• 7. 避免緩沖區(qū)溢出的三種方法
  • 7.1 棧隨機化
  • 7.2 檢測棧是否被破壞
  • 7.3 限制可執(zhí)行代碼區(qū)域
• 8. 總結(jié)

蠕蟲病毒是一種常見的利用Unix系統(tǒng)中的缺點來進(jìn)行攻擊的病毒。緩沖區(qū)溢出一個常見的后果是：黑客利用函數(shù)調(diào)用過程中程序的返回地址，將存放這塊地址的指針精準(zhǔn)指向計算機中存放攻擊代碼的位置，造成程序異常中止。為了防止發(fā)生嚴(yán)重的后果，計算機會采用棧隨機化，利用金絲雀值檢查破壞棧，限制代碼可執(zhí)行區(qū)域等方法來盡量避免被攻擊。雖然，現(xiàn)代計算機已經(jīng)可以“智能”查錯了，但是我們還是要養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，盡量避免寫出有漏洞的代碼，以節(jié)省寶貴的時間!

1. 蠕蟲病毒簡介

蠕蟲是一種可以自我復(fù)制的代碼，并且通過網(wǎng)絡(luò)傳播，通常無需人為干預(yù)就能傳播。蠕蟲病毒入侵并完全控制一臺計算機之后，就會把這臺機器作為宿主，進(jìn)而掃描并感染其他計算機。當(dāng)這些新的被蠕蟲入侵的計算機被控制之后，蠕蟲會以這些計算機為宿主繼續(xù)掃描并感染其他計算機，這種行為會一直延續(xù)下去。蠕蟲使用這種遞歸的方法進(jìn)行傳播，按照指數(shù)增長的規(guī)律分布自己，進(jìn)而及時控制越來越多的計算機。

2. 緩沖區(qū)溢出

緩沖區(qū)溢出是指計算機向緩沖區(qū)內(nèi)填充數(shù)據(jù)位數(shù)時超過了緩沖區(qū)本身的容量，溢出的數(shù)據(jù)覆蓋在合法數(shù)據(jù)上。理想的情況是：程序會檢查數(shù)據(jù)長度，而且并不允許輸入超過緩沖區(qū)長度的字符。但是絕大多數(shù)程序都會假設(shè)數(shù)據(jù)長度總是與所分配的儲存空間相匹配，這就為緩沖區(qū)溢出埋下隱患。操作系統(tǒng)所使用的緩沖區(qū)，又被稱為“堆棧”，在各個操作進(jìn)程之間，指令會被臨時儲存在“堆棧”當(dāng)中，“堆棧”也會出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出。

3. 緩沖區(qū)溢出舉例

void echo() 
{ 
  char buf[4];   /*buf故意設(shè)置很小*/ 
  gets(buf); 
  puts(buf); 
} 
void call_echo() 
{ 
  echo(); 
} 

反匯編如下：

/*echo*/ 
000000000040069c <echo>:  
40069c:48 83 ec 18         sub $0x18,%rsp  /*0X18 == 24,分配了24字節(jié)內(nèi)存。計算機會多分配一些給緩沖區(qū)*/ 
4006a0:48 89 e7            mov %rsp,%rdi    
4006a3:e8 a5 ff ff ff      callq 40064d <gets> 
4006a8::48 89 e7           mov %rsp,%rdi 
4006ab:e8 50  fe ff ff     callq callq 400500 <puts@plt> 
4006b0:48 83 c4 18         add $0x18,%rsp  
4006b4:c3                  retq  

/*call_echo*/ 
4006b5:48 83  ec 08             sub $0x8,%rsp  
4006b9:b8 00 00 00 00           mov $0x0,%eax 
4006be:e8 d9 ff ff ff           callq 40069c <echo> 
4006c3:48 83 c4 08              add $0x8,%rsp  
4006c7:c3                       retq 

在這個例子中，我們故意把buf設(shè)置的很小。運行該程序，我們在命令行中輸入012345678901234567890123，程序立馬就會報錯：Segmentation fault。

要想明白為什么會報錯，我們需要通過分析反匯編來了解其在內(nèi)存是如何分布的。具體如下圖所示：

如下圖所示，此時計算機為buf分配了24字節(jié)空間，其中20字節(jié)還未使用。

此時，準(zhǔn)備調(diào)用echo函數(shù)，將其返回地址壓棧。

當(dāng)我們輸入“0123456789012345678 9012"時，緩沖區(qū)已經(jīng)溢出，但是并沒有破壞程序的運行狀態(tài)。

當(dāng)我們輸入：“012345678901234567 890123"。緩沖區(qū)溢出，返回地址被破壞，程序返回 0x0400600。

這樣程序就跳轉(zhuǎn)到了計算機中其他內(nèi)存的位置，很大可能這塊內(nèi)存已經(jīng)被使用。跳轉(zhuǎn)修改了原來的值，所以程序就會中止運行。

黑客可以利用這個漏洞，將程序精準(zhǔn)跳轉(zhuǎn)到其存放木馬的位置(如nop sled技術(shù))，然后就會執(zhí)行木馬程序，對我們的計算機造成破壞。

4. 緩沖區(qū)溢出的危害

緩沖區(qū)溢出可以執(zhí)行非授權(quán)指令，甚至可以取得系統(tǒng)特權(quán)，進(jìn)而進(jìn)行各種非法操作。第一個緩沖區(qū)溢出攻擊--Morris蠕蟲，發(fā)生在二十年前，它曾造成了全世界6000多臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器癱瘓。

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)安全中，被廣泛利用的50%以上都是緩沖區(qū)溢出，其中最著名的例子是1988年利用fingerd漏洞的蠕蟲。而緩沖區(qū)溢出中，最為危險的是堆棧溢出。因為入侵者可以利用堆棧溢出，在函數(shù)返回時改變返回程序的地址，讓其跳轉(zhuǎn)到任意地址。帶來的危害有兩種，一種是程序崩潰導(dǎo)致拒絕服務(wù)，另外一種就是跳轉(zhuǎn)并且執(zhí)行一段惡意代碼，比如得到shell，然后為所欲為。

5. 內(nèi)存在計算機中的排布方式

內(nèi)存在計算機中的排布方式如下，從上到下依次為共享庫，棧，堆，數(shù)據(jù)段，代碼段。各個段的作用簡介如下：

共享庫:共享庫以.so結(jié)尾.(so==share object)在程序的鏈接時候并不像靜態(tài)庫那樣在拷貝使用函數(shù)的代碼，而只是作些標(biāo)記。然后在程序開始啟動運行的時候，動態(tài)地加載所需模塊。所以，應(yīng)用程序在運行的時候仍然需要共享庫的支持。共享庫鏈接出來的文件比靜態(tài)庫要小得多。

棧：棧又稱堆棧，是用戶存放程序臨時創(chuàng)建的變量，也就是我們函數(shù){}中定義的變量，但不包括static聲明的變量，static意味著在數(shù)據(jù)段中存放變量。

除此之外，在函數(shù)被調(diào)用時，其參數(shù)也會被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會被存放回棧中，由于棧的先進(jìn)后出特點，所以棧特別方便用來保存、恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。從這個意義上講，我們可以把堆棧看成一個寄存，交換臨時數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。在X86-64 Linux系統(tǒng)中，棧的大小一般為8M(用ulitmit - a命令可以查看)。

堆：堆是用來存放進(jìn)程中被動態(tài)分配的內(nèi)存段，它的大小并不固定，可動態(tài)擴張或縮減。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用malloc等函數(shù)分配內(nèi)存時，新分配的內(nèi)存就被動態(tài)分配到堆上，當(dāng)利用free等函數(shù)釋放內(nèi)存時，被釋放的內(nèi)存從堆中被剔除。

堆存放new出來的對象，棧里面所有對象都是在堆里面有指向的。假如棧里指向堆的指針被刪除，堆里的對象也要釋放(C++需要手動釋放)。當(dāng)然現(xiàn)在面向?qū)ο蟪绦蚨加?垃圾回收機制'，會定期的把堆里沒用的對象清除出去。

數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)段通常用來存放程序中已初始化的全局變量和已初始化為非0的靜態(tài)變量的一塊內(nèi)存區(qū)域，屬于靜態(tài)內(nèi)存分配。直觀理解就是C語言程序中的全局變量(注意：全局變量才算是程序的數(shù)據(jù)，局部變量不算程序的數(shù)據(jù)，只能算是函數(shù)的數(shù)據(jù))

代碼段：代碼段通常用來存放程序執(zhí)行代碼的一塊區(qū)域。這部分區(qū)域的大小在程序運行前就已經(jīng)確定了，通常這塊內(nèi)存區(qū)域?qū)儆谥蛔x，有些架構(gòu)也允許可寫，在代碼段中也有可能包含以下只讀的常數(shù)變量，例如字符串常量等。

下面舉個例子來看下代碼中各個部分在計算機中是如何排布的。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
 
char big_array[1L<<24];     /*16 MB*/ 
char huge_array[1L<<31];    /*2 GB*/ 
 
int global = 0; 
 
int useless() {return 0;} 
 
int main() 
{ 
  void *phuge1,*psmall2,*phuge3,*psmall4; 
  int local = 0; 
  phuge1 = malloc(1L<<28);    /*256 MB*/ 
  psmall2 = malloc(1L<<8);    /*256 B*/ 
  phuge3 = malloc(1L<<32);    /*4 GB*/ 
  psmall4 = malloc(1L<<8);    /*256 B*/ 
} 

上述代碼中，程序中的各個變量在內(nèi)存的排布方式如下圖所示。根據(jù)顏色可以一一對應(yīng)起來。由于了local變量存放在棧區(qū)，四個指針變量使用了malloc分配了空間， 所以存放在堆上，兩個數(shù)組big_ array，huge_array存放在數(shù)據(jù)段，main，useless函數(shù)的其他部分存放在代碼段中。

6. 計算機中越界訪問的后果

下面再看一個例子，看下越界訪問內(nèi)存會有什么結(jié)果。

typedef struct  
{ 
  int a[2]; 
  double d; 
}struct_t; 
 
double fun(int i) 
{ 
  volatile struct_t s; 
  s.d = 3.14; 
  s.a[i] = 1073741824;  /*可能越界*/ 
  return s.d; 
} 
 
int main() 
{ 
  printf("fun(0):%lf\n",fun(0)); 
  printf("fun(1):%lf\n",fun(1)); 
  printf("fun(2):%lf\n",fun(2)); 
  printf("fun(3):%lf\n",fun(3)); 
  printf("fun(6):%lf\n",fun(6)); 
  return 0;  
} 

打印結(jié)果如下所示：

fun(0):3.14 
fun(1):3.14 
fun(2):3.1399998664856 
fun(3):2.00000061035156 
fun(6):Segmentation fault 

在上面的程序中，我們定義了一個結(jié)構(gòu)體，其中 a 數(shù)組中包含兩個整數(shù)值，還有 d 一個雙精度浮點數(shù)。在函數(shù)fun中，fun函數(shù)根據(jù)傳入的參數(shù)i來初始化a數(shù)組。顯然，i的值只能為0和1。在fun函數(shù)中，同時還設(shè)置了d的值為3.14。當(dāng)我們給fun函數(shù)傳入0和1時可以打印出正確的結(jié)果3.14。但是當(dāng)我們傳入2,3,6時，奇怪的現(xiàn)象發(fā)生了。為什么fun(2)和fun(3)的值會接近3.14，而fun(6)會報錯呢?

要搞清楚這個問題，我們要明白結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中是如何存儲的，具體如下圖所示。

結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中的存儲方式

GCC默認(rèn)不檢查數(shù)組越界(除非加編譯選項)。而越界會修改某些內(nèi)存的值，得出我們意想不到的結(jié)果。即使有些數(shù)據(jù)相隔萬里，也可能受到影響。當(dāng)一個系統(tǒng)這幾天運行正常時，過幾天可能就會崩潰。(如果這個系統(tǒng)是運行在我們的心臟起搏器，又或者是航天飛行器上，那么這無疑將會造成巨大的損失!)

如上圖所示，對于最下面的兩個元素，每個塊代表 4 字節(jié)。a數(shù)組占用8個字節(jié)，d變量占用8字節(jié)，d排布在a數(shù)組的上方。所以我們會看到，如果我引用 a[0] 或者 a[1]，會按照正常修改該數(shù)組的值。但是當(dāng)我調(diào)用 fun(2) 或者 fun(3)時，實際上修改的是這個浮點數(shù) d 所對應(yīng)的內(nèi)存位置。這就是為什么我們打印出來的fun(2)和fun(3)的值如此接近3.14的原因。

當(dāng)輸入 6 時，就修改了對應(yīng)的這塊內(nèi)存的值。原來這塊內(nèi)存可能存儲了其他用于維持程序運行的內(nèi)容，而且是已經(jīng)分配的內(nèi)存。所以，我們程序就會報出Segmentation fault的錯誤。

7. 避免緩沖區(qū)溢出的三種方法

為了在系統(tǒng)中插入攻擊代碼，攻擊者既要插入代碼，也要插入指向這段代碼的指針。這個指針也是攻擊字符串的一部分。產(chǎn)生這個指針需要知道這個字符串放置的棧地址。在過去，程序的棧地址非常容易預(yù)測。對于所有運行同樣程序和操作系統(tǒng)版本的系統(tǒng)來說，在不同的機器之間，棧的位置是相當(dāng)固定的。因此，如果攻擊者可以確定一個常見的Web服務(wù)器所使用的?？臻g，就可以設(shè)計一個在許多機器上都能實施的攻擊。

7.1 棧隨機化

棧隨機化的思想使得棧的位置在程序每次運行時都有變化。因此，即使許多機器都運行同樣的代碼，它們的棧地址都是不同的。實現(xiàn)的方式是：程序開始時，在棧上分配一段0 ~ n字節(jié)之間的隨機大小的空間，例如，使用分配函數(shù)alloca在棧上分配指定字節(jié)數(shù)量的空間。程序不使用這段空間，但是它會導(dǎo)致程序每次執(zhí)行時后續(xù)的棧位置發(fā)生了變化。分配的范圍n必須足夠大，才能獲得足夠多的棧地址變化，但是又要足夠小，不至于浪費程序太多的空間。

int main() 
{ 
 long local; 
 printf("local at %p\n",&local); 
 return 0; 
} 

這段代碼只是簡單地打印出main函數(shù)中局部變量的地址。在32位 Linux上運行這段代碼10000次，這個地址的變化范圍為0xff7fc59c到0xffffd09c，范圍大小大約是。在64位 Linux機器上運行，這個地址的變化范圍為0x7fff0001b698到0x7ffffffaa4a8，范圍大小大約是 。

其實，一個好的黑客專家，可以使用暴力破壞棧的隨機化。對于32位的機器，我們枚舉個地址就能猜出來棧的地址。對于64位的機器，我們需要枚舉次。如此看來，棧的隨機化降低了病毒或者蠕蟲的傳播速度，但是也不能提供完全的安全保障。

7.2 檢測棧是否被破壞

??計算機的第二道防線是能夠檢測到何時棧已經(jīng)被破壞。我們在echo函數(shù)示例中看到，當(dāng)訪問緩沖區(qū)越界時，會破壞程序的運行狀態(tài)。在C語言中，沒有可靠的方法來防止對數(shù)組的越界寫。但是，我們能夠在發(fā)生了越界寫的時候，在造成任何有害結(jié)果之前，嘗試檢測到它。

GCC在產(chǎn)生的代碼中加人了一種棧保護(hù)者機制，來檢測緩沖區(qū)越界。其思想是在棧幀中任何局部緩沖區(qū)與棧狀態(tài)之間存儲一個特殊的金絲雀值，如下圖所示：

這個金絲雀值，也稱為哨兵值，是在程序每次運行時隨機產(chǎn)生的，因此，攻擊者很難猜出這個哨兵值。在恢復(fù)寄存器狀態(tài)和從函數(shù)返回之前，程序檢查這個金絲雀值是否被該函數(shù)的某個操作或者該函數(shù)調(diào)用的某個函數(shù)的某個操作改變了。如果是的，那么程序異常中止。

英國礦井飼養(yǎng)金絲雀的歷史大約起始1911年。當(dāng)時，礦井工作條件差，礦工在下井時時常冒著中毒的生命危險。后來，約翰·斯科特·霍爾丹(John Scott Haldane)在經(jīng)過對一氧化碳一番研究之后，開始推薦在煤礦中使用金絲雀檢測一氧化碳和其他有毒氣體。金絲雀的特點是極易受有毒氣體的侵害，因為它們平常飛行高度很高，需要吸入大量空氣吸入足夠氧氣。因此，相比于老鼠或其他容易攜帶的動物，金絲雀會吸入更多的空氣以及空氣中可能含有的有毒物質(zhì)。這樣，一旦金絲雀出了事，礦工就會迅速意識到礦井中的有毒氣體濃度過高，他們已經(jīng)陷入危險之中，從而及時撤離。

GCC會試著確定一個函數(shù)是否容易遭受棧溢出攻擊，并且自動插入這種溢出檢測。實際上，對于前面的棧溢出展示，我們可以使用命令行選項“-fno- stack- protector”來阻止GCC產(chǎn)生這種代碼。當(dāng)用這個選項來編譯echo函數(shù)時(允許使用棧保護(hù))，得到下面的匯編代碼

//void echo  
subq $24,%rsp Allocate 24 bytes on stack 
movq  %fs:40,%rax  Retrieve canary  
movq %rax,8(%rsp) Store on stack 
xorl %eax, %eax Zero out register    //從內(nèi)存中讀出一個值 
movq %rsp, %rdi  Compute buf as %rsp  
call gets Call gets  
movq ‰rsp,%rdi Compute buf as %rsp 
call puts Call puts  
movq 8(%rsp),%rax Retrieve canary  
xorq %fs:40,%rax Compare to stored value   //函數(shù)將存儲在棧位置處的值與金絲雀值做比較 
je .L9  If =, goto ok  
call __stack_chk_fail Stack corrupted   
.L9 
addq $24,%rsp Deallocate stack space  
ret 

這個版本的函數(shù)從內(nèi)存中讀出一個值(第4行)，再把它存放在棧中相對于%rsp偏移量為8的地方。指令參數(shù)各fs:40指明金絲雀值是用段尋址從內(nèi)存中讀入的。段尋址機制可以追溯到80286的尋址，而在現(xiàn)代系統(tǒng)上運行的程序中已經(jīng)很少見到了。將金絲雀值存放在一個特殊的段中，標(biāo)記為只讀，這樣攻擊者就不能覆蓋存儲金絲雀值。在恢復(fù)寄存器狀態(tài)和返回前，函數(shù)將存儲在棧位置處的值與金絲雀值做比較(通過第10行的xorq指令)。如果兩個數(shù)相同，xorq指令就會得到0，函數(shù)會按照正常的方式完成。非零的值表明棧上的金絲雀值被修改過,那么代碼就會調(diào)用一個錯誤處理例程。

棧保護(hù)很好地防止了緩沖區(qū)溢出攻擊破壞存儲在程序棧上的狀態(tài)。一般只會帶來很小的性能損失。

7.3 限制可執(zhí)行代碼區(qū)域

最后一招是消除攻擊者向系統(tǒng)中插入可執(zhí)行代碼的能力。一種方法是限制哪些內(nèi)存區(qū)域能夠存放可執(zhí)行代碼。在典型的程序中，只有保存編譯器產(chǎn)生的代碼的那部分內(nèi)存才需要是可執(zhí)行的。其他部分可以被限制為只允許讀和寫。

許多系統(tǒng)都有三種訪問形式：讀(從內(nèi)存讀數(shù)據(jù))、寫(存儲數(shù)據(jù)到內(nèi)存)和執(zhí)行(將內(nèi)存的內(nèi)容看作機器級代碼)。以前，x86體系結(jié)構(gòu)將讀和執(zhí)行訪問控制合并成一個1位的標(biāo)志，這樣任何被標(biāo)記為可讀的頁也都是可執(zhí)行的。棧必須是既可讀又可寫的，因而棧上的字節(jié)也都是可執(zhí)行的。已經(jīng)實現(xiàn)的很多機制，能夠限制一些頁是可讀但是不可執(zhí)行的，然而這些機制通常會帶來嚴(yán)重的性能損失。

8. 總結(jié)

計算機提供了多種方式來彌補我們犯錯可能產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，但是最關(guān)鍵的還是我們盡量減少犯錯。

例如，對于gets，strcpy等函數(shù)我們應(yīng)替換為 fgets，strncpy等。在數(shù)組中，我們可以將數(shù)組的索引聲明為size_t類型，從根本上防止它傳遞負(fù)數(shù)。此外，還可以在訪問數(shù)組前來加上num小于ARRAY_MAX 語句來檢查數(shù)組的上界。總之，要養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，這樣可以節(jié)省很多寶貴的時間。同時最后也推薦兩本相關(guān)書籍如下所示。

代碼大全(第二版)

高質(zhì)量程序設(shè)計指南

本文參考：《深入理解計算機系統(tǒng)》 https://baike.baidu.com/item/%E7%BC%93%E5%86%B2%E5%8C%BA%E6%BA%A2%E5%87%BA/678453?fr=aladdin#reference-[1]-36638-wrap https://baike.baidu.com/item/%E8%A0%95%E8%99%AB%E7%97%85%E6%AF%92/4094075?fr=aladdin https://zhuanlan.zhihu.com/p/185792677

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