gcc栈帧随机化介绍

一、简介

在GCC中，栈帧随机化是一种控制流保护机制，用于防止攻击者利用栈溢出漏洞执行代码注入攻击。栈帧随机化通过在每次程序执行时随机化生成的函数栈帧布局，使得攻击者无法准确预测栈帧的结构，从而对栈进行攻击的难度大大增加。

GCC中的栈帧随机化通过在编译时对函数进行修改来实现。具体来说，它会对函数中的局部变量、参数以及返回地址等进行重新排列，使它们的相对位置在每次执行时都不同。这样，攻击者就无法在运行时精确地计算出在栈上覆盖返回地址的偏移量。

栈帧随机化的实现主要基于以下几个步骤：

1. 对函数内的局部变量进行随机化：在编译时，GCC会将函数内的局部变量按照一定的规则进行重新排列，使它们的相对位置发生变化。

2. 对函数的入口点和出口点进行修改：GCC会在程序的函数入口和出口处插入代码，用于记录栈帧的随机化偏移量。

3. 基于随机化偏移量重新计算栈上的局部变量、参数和返回地址等。

通过这些步骤，每次程序执行时都会生成不同的栈帧布局，使得攻击者无法准确预测栈的结构，从而对栈进行攻击变得极为困难。

二、实例教程

要开启GCC的栈帧随机化（Stack Frame Randomization），可以使用以下方式：

1. 使用编译选项启用栈帧随机化：在编译时，使用GCC的编译选项`-fstack-protector-strong`或`-fstack-protector-all`来开启栈帧随机化。例如：

   ```
   $ gcc -fstack-protector-strong -o output_file source_file.c
   ```

   或者

   ```
   $ gcc -fstack-protector-all -o output_file source_file.c
   ```

   `-fstack-protector-strong`选项会对具有高风险的函数启用栈帧随机化（例如`strcpy`、`sprintf`等），而`-fstack-protector-all`选项会对所有函数开启栈帧随机化。

2. 使用GCC的链接选项启用栈帧随机化：在链接时，使用GCC的链接选项`-Wl,-z,relro,-z,now`来开启栈帧随机化。例如：

   ```
   $ gcc -o output_file source_file.c -Wl,-z,relro,-z,now
   ```

   `-Wl,-z,relro,-z,now`选项会启用RELR和NOW保护，其中RELR（Partial Relocation）保护可以确保只有指定的部分可以被再定位，而NOW保护会立即对所有库符号进行重定位。

3. 验证栈帧随机化：使用GCC的输出选项`-E`来查看编译的汇编代码。搜索函数的汇编代码，如果看到了与栈帧随机化相关的指令，说明栈帧随机化已经开启。

栈帧随机化开启后可能会产生一些运行时开销，因为需要在每次函数调用时重新计算和修改栈帧布局。此外，栈帧随机化只能提供一定程度的保护，不是绝对安全，因此还需要结合其他安全措施来提高程序的安全性。

三、潜在风险

尽管GCC的栈帧随机化能够提高程序的安全性，但在开启后仍存在一些潜在的风险，如下所示：

1. 版本兼容性问题：栈帧随机化的实现方式可能在不同的GCC版本中有所不同，因此在不同版本的GCC上编译的程序可能存在兼容性问题。这可能导致在一些运行环境中无法正常执行或导致不一致的行为。

2. 性能开销：栈帧随机化需要对函数的局部变量、参数和返回地址进行重新排列和计算，这会引入一定的运行时性能开销。尤其是在大型程序中，栈帧随机化可能会显著影响程序的性能。

3. 潜在的依赖问题：某些程序可能依赖于栈帧的特定布局和结构，例如通过偏移量来访问指定的局部变量或返回地址。开启栈帧随机化后，这些偏移量将会随机化，可能导致这些程序崩溃或出现未定义行为。

4. 绕过技术的发展：尽管栈帧随机化能够增加攻击者对栈溢出攻击的难度，但攻击者也在不断发展新的技术来绕过栈帧随机化的保护机制。因此，栈帧随机化并不能完全消除栈溢出攻击的风险。

为了最大程度地减少这些风险，开发人员还应采取其他安全措施，如输入验证、使用安全的函数替代不安全的函数、内存安全编程等。此外，定期更新和维护软件确保使用最新版本的GCC也是降低风险的重要措施之一。

四、支持版本

栈帧随机化在GCC中的支持情况如下：

1. GCC 4.1及更高版本：从GCC 4.1开始，栈帧随机化被引入并默认开启。通过使用`-fstack-protector`选项，可以在这些版本的GCC中启用栈帧随机化。

2. GCC 4.8及更高版本：从GCC 4.8开始，新增了`-fstack-protector-strong`选项，它提供了更强的栈帧保护，会对通过标准库函数调用的函数进行栈帧随机化。这个选项在默认情况下是关闭的，需要显式指定。

3. GCC 4.9及更高版本：从GCC 4.9开始，新增了`-fstack-protector-all`选项，它会对所有的函数启用栈帧随机化，包括通过内联函数或函数指针调用的函数。这个选项在默认情况下是关闭的，需要显式指定。

需要注意的是，具体版本的GCC可能会有一些差异，因此在使用栈帧随机化时，建议查看并了解所使用的GCC版本的文档。另外，栈帧随机化对于不同平台和操作系统也会有一些细微的差异。