黑客攻防：缓冲区溢出攻击与堆栈保护

来源丨经授权转自 码农的荒岛求生（ID：escape-it）

作者丨陆小风

大家好，我是小风哥。在上一篇文章《进程切换的本质是什么？》中举了一个示例，也就是这段代码：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>
void funcC() { printf("jump to funcC !!!\n") ; exit(-1) ;}
void funcB() { long *p = NULL ; p = (long*)&p ; *(p+2) = (long)funcC ;}
void funcA() { funcB();}
int main() { funcA() ; return 0 ;}

有同学在微信群里问不能在自己的机器上复现，并给出了编译后的机器指令：

00000000004005ee <funcB>: 4005ee: 55 push %rbp 4005ef: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 4005f2: 48 83 ec 10 sub $0x10,%rsp 4005f6: 64 48 8b 04 25 28 00 mov %fs:0x28,%rax 4005fd: 00 00 4005ff: 48 89 45 f8 mov %rax,-0x8(%rbp) 400603: 31 c0 xor %eax,%eax 400605: 48 c7 45 f0 00 00 00 movq $0x0,-0x10(%rbp) 40060c: 00 40060d: 48 8d 45 f0 lea -0x10(%rbp),%rax 400611: 48 89 45 f0 mov %rax,-0x10(%rbp) 400615: 48 8b 45 f0 mov -0x10(%rbp),%rax 400619: 48 83 c0 10 add $0x10,%rax 40061d: ba d6 05 40 00 mov $0x4005d6,%edx 400622: 48 89 10 mov %rdx,(%rax) 400625: 90 nop 400626: 48 8b 45 f8 mov -0x8(%rbp),%rax 40062a: 64 48 33 04 25 28 00 xor %fs:0x28,%rax 400631: 00 00 400633: 74 05 je 40063a <funcB+0x4c> 400635: e8 66 fe ff ff callq 4004a0 <__stack_chk_fail@plt> 40063a: c9 leaveq 40063b: c3 retq

仔细看这段代码，有这样一段可疑的指令：

mov %fs:0x28,%raxmov %rax,-0x8(%rbp)

这两行指令将fs:[0x28] (段寻址的方式)处的值push到了调用栈上(%rbp偏移8字节)，并在函数即将返回的时候又检查了一遍该值有没有被修改：

mov -0x8(%rbp),%raxxor %fs:0x28,%rax

接下来如果保存到栈上的值不等于fs:[0x28]处的值(xor指令进行比较)那么跳转到__stack_chk_fail函数，我们的疑问是为什么要有这么一遍检查呢？本质上我们在开头给出的代码相对于缓冲区溢出攻击，做法是修改上一个栈帧的返回地址，将其修改为某个特定地址(黑客希望跳转到的地方)；在开头的这段代码中本来funcA函数调用完funcB后需要返回funcA，但在我们的“精心”设计下调用完funcB后却跳转到了funcC，那么我们有没有办法防范这种攻击呢？
答案是肯定的，这种方法要追溯到很久很久以前。在上世纪初，煤矿开采是一项很危险的工作，因为煤矿中的有毒气体通常极难被人类察觉，这给矿工的生命带来很大的威胁，而金丝雀对毒气非常敏感，这样矿工可以利用金丝雀来监控矿区，从而提早发现险情。这里也是一样的道理，我们可以在栈区中放置一个“金丝雀”(fs:[0x28]处的值)：
当函数返回时我们会再次拿fs:[0x28]处的值与栈上的“金丝雀”进行对比，一旦发现这两个值不同我们就可以认为当前的栈已经被破坏了，由于栈上的数据已然不可信，因此我们必须及早撤离矿区，也就是调用__stack_chk_fail函数提前终止进程。
而金丝雀也就是fs:[0x28]是随机产生的(每次程序运行时都不一样)，因此攻击者很难提前知道该值是多少。当然我们也可以看到，添加堆栈保护功能需要增加额外的机器指令，这些也会稍稍对性能产生影响，代价就是需要额外多执行一部分机器指令。这就是编译器的堆栈保护功能，当然这个功能也是可以去掉的，编译时添加-fno-stack-protector编译选项(在这里感谢小风哥微信技术群里同学的提示)，这样即可关闭堆栈保护功能，生成的代码就可以复现上一篇文章《进程切换的本质是什么？》中提到的效果了。怎么样，想成为黑客还是没那么容易吧，就好比只有真正理解法律才能钻空子一样，只有真正理解计算机的工作原理才能hack它，当然，想成为顶尖黑客只有对计算机的理解还不够，你还需要有想象力。

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