Puffer-Überläufe gibt es schon seit den Anfängen der Von-Neuman-Architektur 1. Sie erlangten zum ersten Mal durch den Internetwurm Morris im Jahre 1988 öffentliche Bekanntheit. Unglücklicherweise funktioniert der gleiche grundlegende Angriff noch heute. Die bei weitem häufigste Form eines Puffer-Überlauf-Angriffs basiert darauf, den Stack zu korrumpieren.
Die meisten modernen Computer-Systeme verwenden einen Stack, um Argumente an Prozeduren zu übergeben und lokale Variablen zu speichern. Ein Stack ist ein last-in-first-out-Puffer (LIFO) im hohen Speicherbereich eines Prozesses. Wenn ein Programm eine Funktion aufruft wird ein neuer "Stackframe" erzeugt. Dieser besteht aus den Argumenten, die der Funktion übergeben wurden und einem variabel grossem Bereich für lokale Variablen. Der "Stack-Pointer" ist ein Register, dass die aktuelle Adresse der Stack-Spitze enthält. Da sich dieser Wert oft ändert, wenn neue Werte auf dem Stack abgelegt werden, bieten viele Implementierungen einen "Frame-Pointer", der nahe am Anfang des Stack-Frames liegt und es so leichter macht lokale Variablen relativ zum aktuellen Stackframe zu adressieren. 1 Die Rücksprungadresse der Funktionen werden ebenfalls auf dem Stack gespeichert und das ist der Grund für Stack-Überlauf-Exploits. Denn ein böswilliger Nutzer kann die Rücksprungadresse der Funktion überschreiben indem er eine lokale Variable in der Funktion überlaufen lässt, wodurch es ihm möglich ist beliebigen Code auszuführen.
Obwohl Stack-basierte Angriffe bei weitem die Häufigsten sind, ist es auch möglich den Stack mit einem Heap-basierten (malloc/free) Angriff zu überschreiben.
Die C-Programmiersprache führt keine automatischen Bereichsüberprüfungen bei Feldern oder Zeigern durch, wie viele andere Sprachen das tun. Außerdem enthält die C-Standardbibliothek eine Handvoll sehr gefährlicher Funktionen.
strcpy(char *dest, const char *src) |
Kann den Puffer dest überlaufen lassen |
strcat(char *dest, const char *src) |
Kann den Puffer dest überlaufen lassen |
getwd(char *buf) |
Kann den Puffer buf überlaufen lassen |
gets(char *s) |
Kann den Puffer s überlaufen lassen |
[vf]scanf(const char *format, ...) |
Kann sein Argument überlaufen lassen |
realpath(char *path, char resolved_path[]) |
Kann den Puffer path überlaufen lassen |
[v]sprintf(char *str, const char *format,
...) |
Kann den Puffer str überlaufen lassen |
Das folgende Quellcode-Beispiel enthält einen Puffer-Überlauf, der darauf ausgelegt ist die Rücksprungadresse zu überschreiben und die Anweisung direkt nach dem Funktionsaufruf zu überspringen. (Inspiriert durch 4)
#include <stdio.h>
void manipulate(char *buffer) {
char newbuffer[80];
strcpy(newbuffer,buffer);
}
int main() {
char ch,buffer[4096];
int i=0;
while ((buffer[i++] = getchar()) != '\n') {};
i=1;
manipulate(buffer);
i=2;
printf("The value of i is : %d\n",i);
return 0;
}
Betrachten wir nun, wie das Speicherabbild dieses Prozesses aussehen würde, wenn wir 160 Leerzeichen in unser kleines Programm eingeben, bevor wir Enter drücken.
[XXX figure here!]
Offensichtlich kann man durch böswilligere Eingaben bereits kompilierten Programmtext ausführen (wie z.B. exec(/bin/sh)).
Die direkteste Lösung, um Stack-Überläufe zu vermeiden, ist immer
grössenbegrenzten Speicher und String-Copy-Funktionen zu verwenden. strncpy und strncat sind Teil
der C-Standardbibliothek. Diese Funktionen akzeptieren einen
Längen-Parameter. Dieser Wert sollte nicht größer sein als die Länge des
Zielpuffers. Die Funktionen kopieren dann bis zu `length' Bytes von der Quelle zum
Ziel. Allerdings gibt es einige Probleme. Keine der Funktionen garantiert, dass
die Zeichenkette NUL-terminiert ist, wenn die Größe des
Eingabepuffers so groß ist wie das Ziel. Außerdem wird der Parameter length zwischen
strncpy und strncat inkonsistent definiert, weshalb Programmierer leicht
bezüglich der korrekten Verwendung durcheinander kommen können. Weiterhin gibt es
einen spürbaren Leistungsverlust im Vergleich zu strcpy, wenn eine kurze Zeichenkette in einen großen Puffer
kopiert wird. Denn strncpy fült den Puffer bis zur
angegebenen Länge mit NUL auf.
In OpenBSD wurde eine weitere Möglichkeit zum kopieren von
Speicherbereichen implementiert, die dieses Problem umgeht. Die Funktionen strlcpy und strlcat
garantieren, dass das Ziel immer NUL-terminiert wird, wenn das Argument length
ungleich null ist. Für weitere Informationen über diese Funktionen lesen Sie
bitte 6. Die OpenBSD-Funktionen strlcpy und strlcat sind seit
Version 3.3 auch in FreeBSD verfügbar.
Unglücklicherweise gibt es immer noch sehr viel Quelltext, der allgemein verwendet wird und blind Speicher umherkopiert, ohne eine der gerade besprochenen Funktionen, die Begrenzungen unterstützen, zu verwenden. Glücklicherweise gibt es einen Weg, um solche Angriffe zu verhindern - Überprüfung der Grenzen zur Laufzeit, die in verschiedenen C/C++ Compilern eingebaut ist.
ProPolice ist eine solche Compiler-Eigenschaft und ist in den gcc(1) Versionen 4.1 und höher integriert. Es ersetzt und erweitert die gcc(1) StackGuard-Erweiterung von früher.
ProPolice schützt gegen stackbasierte Pufferüberläufe und andere Angriffe durch das Ablegen von Pseudo-Zufallszahlen in Schlüsselbereichen des Stacks bevor es irgendwelche Funktionen aufruft. Wenn eine Funktion beendet wird, werden diese “Kanarienvögel” überprüft und wenn festgestellt wird, dass diese verändert wurden wird das Programm sofort abgebrochen. Dadurch wird jeglicher Versuch, die Rücksprungadresse oder andere Variablen, die auf dem Stack gespeichert werden, durch die Ausführung von Schadcode zu manipulieren, nicht funktionieren, da der Angreifer auch die Pseudo-Zufallszahlen unberührt lassen müsste.
Ihre Anwendungen mit ProPolice neu zu kompilieren ist eine effektive Maßnahme, um sie vor den meisten Puffer-Überlauf-Angriffen zu schützen, aber die Programme können noch immer kompromittiert werden.
Compiler-basierte Mechanismen sind bei Software, die nur im Binärformat
vertrieben wird, und die somit nicht neu kompiliert werden kann völlig nutzlos.
Für diesen Fall gibt es einige Bibliotheken, welche die unsicheren Funktionen
der C-Bibliothek (strcpy, fscanf, getwd, etc..) neu
implementieren und sicherstellen, dass nicht hinter den Stack-Pointer
geschrieben werden kann.
libsafe
libverify
libparanoia
Leider haben diese Bibliotheks-basierten Verteidigungen mehrere Schwächen. Diese Bibliotheken schützen nur vor einer kleinen Gruppe von Sicherheitslücken und sie können das eigentliche Problem nicht lösen. Diese Maßnahmen können versagen, wenn die Anwendung mit -fomit-frame-pointer kompiliert wurde. Außerdem kann der Nutzer die Umgebungsvariablen LD_PRELOAD und LD_LIBRARY_PATH überschreiben oder löschen.
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