防止缓冲区溢出杜绝如今最常见的程序缺陷方案

什么是缓冲区溢出？缓冲区以前可能被定义为“包含相同数据类型的实例的一个连续计算机内存块”。

在 C 和 C 中，缓冲区通常是使用数组和诸如 malloc() 和 new 这样的内存分配例程来实现的。

极其常见的缓冲区种类是简单的字符数组。

溢出是指数据被添加到分配给该缓冲区的内存块之外。

如果攻击者能够导致缓冲区溢出，那么它就能控制程序中的其他值。

虽然存在许多利用缓冲区溢出的方法，不过最常见的方法还是“stack-smashing”攻击。

Elias Levy (又名为 Aleph One）的一篇经典文章“Smashing the Stack for Fun and Profit”解释了 stack-smashing 攻击，Elias Levy 是 Bugtraq 邮件列表（请参阅参考资料以获得相关链接）的前任主持人。

为了理解 stack-smashing 攻击（或其他任何缓冲区攻击）是如何进行的，您需要了解一些关于计算机在机器语言级实际如何工作的知识。

在类 UNIX 系统上，每个进程都可以划分为三个主要区域：文本、数据和堆栈。

文本区域包括代码和只读数据，通常不能对它执行写入操作。

数据区域同时包括静态分配的内存（比如全局和静态数据）和动态分配的内存（通常称为堆）。

堆栈区域用于允许函数/方法调用；它用于记录函数完成之后的返回位置，存储函数中使用的本地变量，向函数传递参数，以及从函数返回值。

每当调用一个函数，就会使用一个新的堆栈帧来支持该调用。

了解这些之后，让我们来考察一个简单的程序。

清单 1. 一个简单的程序void function1(int a, int b, int c) {char buffer1[5];gets(buffer1); /* DON'T DO THIS */}void main() {function(1,2,3);}假设使用 gcc 来编译清单 1 中的简单程序，在 X86 上的 Linux 中运行，并且紧跟在对 gets()的调用之后中止。

此时的内存内容看起来像什么样子呢？答案是它看起来类似图 1，其中展示了从左边的低位地址到右边的高位地址排序的内存布局。

内存的底部内存的顶部buffer1 sfp ret a b c<--- 增长 --- [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ...堆栈的顶部堆栈的底部许多计算机处理器，包括所有 x86 处理器，都支持从高位地址向低位地址“倒”增长堆栈。

因此，每当一个函数调用另一个函数，更多的数据将被添加到左边（低位地址），直至系统的堆栈空间耗尽。

在这个例子中，当 main() 调用function1()时，它将 c 的值压入堆栈，然后压入 b 的值，最后压入 a 的值。

之后它压入 return (ret)值，这个值在 function1()完成时告诉 function1() 返回到 main() 中的何处。

它还把所谓的“已保存的帧指针（saved frame pointer，sfp）”记录到堆栈上；这并不是必须保存的内容，此处我们不需要理解它。

在任何情况下，function1()在启动以后，它会为 buffer1()预留空间，这在图 1 中显示为具有一个低地址位置。

现在假设攻击者发送了超过 buffer1() 所能处理的数据。

接下来会发生什么情况呢？当然，C 和 C 程序员不会自动检查这个问题，因此除非程序员明确地阻止它，否则下一个值将进入内存中的“下一个”位置。

那意味着攻击者能够改写sfp（即已保存的帧指针），然后改写 ret（返回地址）。

之后，当 function1() 完成时，它将“返回”——不过不是返回到 main()，而是返回到攻击者想要运行的任何代码。

通常攻击者会使用它想要运行的恶意代码来使缓冲区溢出，然后攻击者会更改返回值以指向它们已发送的恶意代码。

这意味着攻击者本质上能够在一个操作中完成整个攻击！Aleph On 的文章（请参阅参考资料）详细介绍了这样的攻击代码是如何创建的。

例如，将一个 ASCII 0 字符压入缓冲区通常是很困难的，而该文介绍了攻击者一般如何能够解决这个问题。

除了 smashing-stack 和更改返回地址外，还存在利用缓冲区溢出缺陷的其他途径。

与改写返回地址不同，攻击者可以 smashing-stack（使堆栈上的缓冲区溢出），然后改写局部变量以利用缓冲区溢出缺陷。

缓冲区根本就不必在堆栈上——它可以是堆中动态分配的内存（也称为“malloc”或“new”区域），或者在某些静态分配的内存中（比如“global”或“static”内存）。

基本上，如果攻击者能够溢出缓冲区的边界，麻烦或许就会找上你了。

然而，最危险的缓冲区溢出攻击就是 stack-smashing 攻击，因为如果程序对攻击者很脆弱，攻击者获得整个机器的控制权就特别容易。

为什么缓冲区溢出如此常见？在几乎所有计算机语言中，不管是新的语言还是旧的语言，使缓冲区溢出的任何尝试通常都会被该语言本身自动检测并阻止（比如通过引发一个异常或根据需要给缓冲区添加更多空间）。

但是有两种语言不是这样：C 和 C 语言。

C 和 C 语言通常只是让额外的数据乱写到其余内存的任何位置，而这种情况可能被利用从而导致恐怖的结果。

更糟糕的是，用 C 和 C 编写正确的代码来始终如一地处理缓冲区溢出则更为困难；很容易就会意外地导致缓冲区溢出。

除了 C 和 C 使用得非常广泛外，上述这些可能都是不相关的事实；例如，Red Hat Linux 7.1 中86% 的代码行都是用 C 或 C 编写的。

因此，大量的代码对这个问题都是脆弱的，因为实现语言无法保护代码避免这个问题。

在 C 和 C 语言本身中，这个问题是不容易解决的。

该问题基于 C 语言的根本设计决定（特别是 C 语言中指针和数组的处理方式）。

由于 C 是最兼容的C 语言超集，它也具有相同的问题。

存在一些能防止这个问题的 C/C 兼容版本，但是它们存在极其严重的性能问题。

而且一旦改变 C 语言来防止这个问题，它就不再是 C 语言了。

许多语言（比如 Java 和 C#）在语法上类似 C，但它们实际上是不同的语言，将现有 C 或 C 程序改为使用那些语言是一项艰巨的任务。

然而，其他语言的用户也不应该沾沾自喜。

有些语言存在允许缓冲区溢出发生的“转义”子句。

Ada 一般会检测和防止缓冲区溢出（即针对这样的尝试引发一个异常），但是不同的程序可能会禁用这个特性。

C# 一般会检测和防止缓冲区溢出，但是它允许程序员将某些例程定义为“不安全的”，而这样的代码可能会导致缓冲区溢出。

因此如果您使用那些转义机制，就需要使用 C/C 程序所必须使用的相同种类的保护机制。

许多语言都是用 C 语言来实现的（至少部分是用 C 语言来实现的），并且用任何语言编写的所有程序本质上都依赖用 C 或 C 编写的库。

因此，所有程序都会继承那些问题，所以了解这些问题是很重要的。

导致缓冲区溢出的常见 C 和 C 错误从根本上讲，在程序将数据读入或复制到缓冲区中的任何时候，它需要在复制之前检查是否有足够的空间。

能够容易看出来的异常就不可能会发生——但是程序通常会随时间而变更，从而使得不可能成为可能。

遗憾的是，C 和 C 附带的大量危险函数（或普遍使用的库）甚至连这点（指检查空间）也无法做到。

程序对这些函数的任何使用都是一个警告信号，因为除非慎重地使用它们，否则它们就会成为程序缺陷。

您不需要记住这些函数的列表；我的真正目的是说明这个问题是多么普遍。

这些函数包括 strcpy(3)、strcat(3)、sprintf(3)（及其同类 vsprintf(3)）和 gets(3)。

scanf()函数集（scanf(3)、fscanf(3)、sscanf(3)、vscanf(3)、vsscanf(3) 和 vfscanf(3)）可能会导致问题，因为使用一个没有定义最大长度的格式是很容易的（当读取不受信任的输入时，使用格式“%s”总是一个错误）。

其他危险的函数包括 realpath(3)、getopt(3)、getpass(3)、streadd(3)、strecpy(3) 和 strtrns(3)。

从理论上讲，snprintf()应该是相对安全的——在现代 GNU/Linux 系统中的确是这样。

但是非常老的 UNIX 和 Linux 系统没有实现 snprintf() 所应该实现的保护机制。

Microsoft 的库中还有在相应平台上导致同类问题的其他函数（这些函数包括wcscpy()、_tcscpy()、_mbscpy()、wcscat()、_tcscat()、_mbscat() 和CopyMemory()）。

注意，如果使用 Microsoft 的 MultiByteToWideChar() 函数，还存在一个常见的危险错误——该函数需要一个最大尺寸作为字符数目，但是程序员经常将该尺寸以字节计（更普遍的需要），结果导致缓冲区溢出缺陷。

另一个问题是 C 和 C 对整数具有非常弱的类型检查，一般不会检测操作这些整数的问题。

由于它们要求程序员手工做所有的问题检测工作，因此以某种可被利用的方式不正确地操作那些整数是很容易的。

特别是，当您需要跟踪缓冲区长度或读取某个内容的长度时，通常就是这种情况。

但是如果使用一个有符号的值来存储这个长度值会发生什么情况呢——攻击者会使它“成为负值”，然后把该数据解释为一个实际上很大的正值吗？当数字值在不同的尺寸之间转换时，攻击者会利用这个操作吗？数值溢出可被利用吗？有时处理整数的方式会导致程序缺陷。

防止缓冲区溢出的新技术当然，要让程序员不犯常见错误是很难的，而让程序（以及程序员）改为使用另一种语言通常更为困难。

那么为何不让底层系统自动保护程序避免这些问题呢？最起码，避免 stack-smashing 攻击是一件好事，因为 stack-smashing 攻击是特别容易做到的。

一般来说，更改底层系统以避免常见的安全问题是一个极好的想法，我们在本文后面也会遇到这个主题。

事实证明存在许多可用的防御措施，而一些最受欢迎的措施可分组为以下类别：基于探测方法（canary）的防御。

这包括 StackGuard（由 Immunix 所使用）、ProPolice（由 OpenBSD 所使用）和 Microsoft 的 /GS 选项。

非执行的堆栈防御。

这包括 Solar Designer 的 non-exec 补丁（由OpenWall 所使用）和 exec shield（由 Red Hat/Fedora 所使用）。

其他方法。

这包括 libsafe（由 Mandrake 所使用）和堆栈分割方法。

遗憾的是，迄今所见的所有方法都具有弱点，因此它们不是万能药，但是它们会提供一些帮助。