防止缓冲区溢出杜绝如今最常见的程序缺陷

核心提示：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，防止缓冲区溢出杜绝如今最常见的程序缺陷，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，而一些最受欢迎的措施可分组为以下类别： 基

　　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 D