Laborator 10: Gestiunea bufferelor. Buffer overflow

Acest laborator își propune prezentarea conceptului de buffere în C și limbaj de asamblare împreună cu operațiile specifice acestora, dar și vulnerabilitățile pe care acestea le au și cum pot ele să fie exploatate de un potențial atacator prin folosirea unui program cu scopul de a ataca un sistem sau de a obține informații la care în mod normal nu ar avea acces.

Obiective:

• Prezentarea conceptelor de buffer și buffer overflow
• Exemple de atacuri de tip buffer overflow
• Prezentarea unor modalități de securizare a programelor pentru evitarea atacurilor de tip buffer overflow.

Un buffer este o zonă de memorie definită printr-o adresă de start și o dimensiune. Fie N dimensiunea bufferului, adică numărul de elemente. Dimensiunea totală a bufferului este N x dimensiunea unui element. Un șir de caractere (string) este un caz particular de buffer.

Un buffer overflow este un eveniment care se produce atunci când în parcurgerea unui buffer se depășește limita superioară, adică poziția ultimului element (v[N - 1]). Un buffer overflow este un caz particular de index out of bounds, în care vectorul poate fi accesat folosind și indecși negativi. Multe funcții din C nu verifică dimensiunea bufferelor cu care lucrează, acestea cauzând erori de tip buffer overflow atunci când sunt apelate. Câteva exemple de astfel de funcții sunt:

• memcpy
• strcpy
• fgets

Un exemplu clasic de buffer overflow este dat de următorul cod:

char buffer[32];
fgets(buffer, 64, stdin);

În urma execuției acestui cod vom obține un buffer overflow care ar putea conduce chiar la o eroare de tip Segmentation Fault, însă acest lucru nu este garantat. Totul depinde de poziția bufferului pe stivă și de ceea ce se va suprascrie prin cei 32 de octeți ce depășesc dimensiunea bufferului. Mai multe detalii despre ceea ce se va suprascrie, dar și modalitatea prin care se va face acest lucru veți descoperi în timpul rezolvării exercițiilor.

Buffer overflow poate fi exploatat de un potențial atacator pentru a suprascrie anumite date din cadrul unui program, afectând fluxul de execuție și oferind anumite beneficii atacatorului. Cel mai adesea, un atacator inițiază un atac de tip buffer overflow cu scopul de a obține acces la date confidențiale, la care, în mod normal, un utilizator obișnuit nu ar avea acces.

Atacurile de tip buffer overflow sunt folosite în general pe buffere statice, stocate la nivel de stivă. Acest lucru se datorează faptului că pe stivă, pe lângă datele programului, se stochează și adrese de retur în urma apelurilor de funcții (vezi laboratorul 7). Aceste adrese pot fi suprascrise printr-un atac de tip buffer overflow, caz în care poate fi alterat fluxul de execuție a programului. Prin suprascrierea adresei de retur, odată cu încheierea execuției funcției curente nu se va mai reveni la execuția funcției apelante, ci se va „sări” la o altă adresă din cadrul executabilului de unde se va continua execuția. Acest eveniment poate conduce la comportament nedefinit al programului (undefined behaviour) dacă adresa la care se „sare” nu a fost calculată corect.

Scopul unui atacator este acela de a prelua controlul unui sistem prin obținerea accesului la un shell din care să poată rula comenzi. Acest lucru se poate realiza prin suprascrierea adresei de retur, folosind un apel de sistem prin intermediul căruia se poate deschide un shell pe sistemul pe care executabilul rulează (mai multe detalii la cursul de SO).

Există multe modalități de a proteja un executabil de acest tip de atacuri. Pe majoritatea le veți studia în amănunt la cursul de SO anul viitor. O bună practică împotriva acestui tip de atac este de a evita folosirea unor funcții nesigure, precum cele prezentate mai sus. Mai multe detalii despre bune practici împotriva atacurilor de tip buffer overflow puteți găsi aici.

De multe ori, bunele practici se dovedesc a fi insuficiente în „lupta” împotriva atacatorilor, motiv pentru care au fost inventate mai multe mecanisme de protecție a executabilelor prin manipularea codului și a poziției acestuia în cadrul executabilului (Position Independent Code - PIC), prin randomizarea adreselor (Address Space Layout Randomization - ASLR) sau prin introducerea unor verificări suplimentare în cod pentru a detecta eventuale atacuri. Aceste verificări se realizează prin introducerea unor valori speciale, numite canary pe stivă, între buffer și adresa de retur a funcției. Aceste valori sunt generate și plasate în cadrul executabilului de către compilator și diferă la fiecare rulare a executabilului. În momentul în care un atacator vrea să suprascrie adresa de retur se va suprascrie și valoarea canary și înainte de a se părăsi apelul funcției curente se va verifica dacă acea valoare a fost modificată sau nu. Dacă a fost modificată înseamnă că a avut loc un buffer overflow și execuția programului va fi întreruptă. Acest mecanism se numește Stack Smashing Protection sau Stack Guard. Mai multe detalii despre Stack Guard, dar și despre atacuri de tip buffer overflow puteți găsi aici.

Pentru desfășurarea acestui laborator vom folosi interfața în linia de comandă.

Pe parcursul laboratorului, în linia de comandă, vom folosi:

• asamblorul nasm
• comanda gcc pe post de linker
• objdump și ghidra pentru dezasamblarea fișierelor obiect și executabile
• gdb pentru analiza dinamică, investigație și debugging

În general nu va fi nevoie să dați comenzi de compilare. Fiecare director cuprinde un Makefile pe care îl puteți rula pentru a compila în mod automat fișierele cod sursă limbaj de asamblare sau C.

Înainte de a începe laboratorul, alocați-vă 1-2 minute să reparcurgeți diagrama de mai jos ce arată structura stivei în cazul unui apel de funcție.

Accesați, în linia de comandă, directorul 1-data-buffer/ din arhiva de resurse a laboratorului și consultați fișierul data_buffer.asm. În acest fișier se găsește un program care populează un buffer cu informații și apoi le afișează.

Consultați cu atenție programul, apoi compilați-l folosind comanda

make

Observați că în urma comenzii de compilare de mai sus au rezultat un fișier obiect și un fișier executabil, prin rularea comenzii

ls

Rulați programul prin intermediul fișierului executabil, adică folosind comanda

./data_buffer

Observați comportamentul programului în funcție de codul său.

Accesați directorul 2-3-4-stack-buffer/ din arhiva de resurse a laboratorului și consultați fișierul stack_buffer.asm. În acest fișier se găsește un program care populează un buffer cu informații și apoi le afișează. Este similar celui de mai sus doar că acum buffer-ul este alocat pe stivă.

Consultați cu atenție programul, apoi compilați-l folosind comanda

make

apoi rulați-l folosind comanda

./stack_buffer

Observați comportamentul programului în funcție de codul său.

Pe lângă buffer am mai alocat o variabilă locală pe 4 octeți, accesibilă la adresa ebp-4. Este inițializată la valoarea 0xCAFEBABE. Această variabilă va fi importantă mai târziu. Ce este relevant acum este să știm că această variabilă este în memorie imediat după buffer: când se trece de limita buffer-ului se ajunge la această variabilă.

Care este diferenta intre cele 2 programe inspectate pana acum?

Acum că am văzut cum arată buffer-ul în memorie și unde este plasată variabila, actualizați programul stack_buffer.asm pentru ca secvența de afișare a buffer-ului (cea din jurul etichetei print_byte) să ducă și la afișarea octeților variabilei. Adică trebuie să citiți date dincolo de dimensiunea buffer-ului (și să le afișați). Este un caz de buffer overflow de citire, cu obiectiv de information leak: aflarea de informații din memorie.

Afișați și alte informații dincolo chiar de variabila locală. Ce informație vine pe stivă după variabila locală (următorii 4 octeți)? Dar următorii 4 octeți după?

Pe baza experienței de mai sus, realizați modificări pentru ca valoarea variabilei să fie 0xDEADBEEF (în loc de 0xCAFEBABE cum este la început) fără a modifica însă explicit valoarea variabilei. Folosiți-vă de modificarea buffer-ului și de registrul ebx în care am stocat adresa de început a buffer-ului.

    mov byte [ebx+TODO], TODO

La o rezolvare corectă a acestui exercițiu, programul va afișa valoarea 0xDEADBEEF pentru variabila locală.

Accesați directorul 5-6-read-stdin/ din arhiva de resurse a laboratorului și consultați fișierul read_stdin.asm. În acest fișier se găsește un program care folosește apelul gets ca să citească informații de la intrarea standard într-un buffer de pe stivă. La fel ca în cazul precedent am alocat o variabilă locală pe 4 octeți imediat după buffer-ul de pe stivă.

Consultați cu atenție programul, apoi compilați-l folosind comanda

make

apoi rulați-l folosind comanda

./read_stdin

Observați comportamentul programului funcție de input-ul primit.

Funcția gets este o funcție care este practic interzisă în programele C din cauza vulnerabilității mari a acesteia: nu verifică limitele buffer-ului în care se face citirea, putând fi ușor folosită pentru buffer overflow.

Pentru aceasta transmiteți șirul de intrare corespunzător pentru ca valoarea afișată pentru variabila locală să nu mai fie 0xCAFEBABE, ci să fie 0x574F4C46 (valorile ASCII în hexazecimal pentru FLOW).

python -c 'print "A"*32 + "\xEF\xBE\xAD\xDE"' > payload

./read_stdin < payload

Așa cum am precizat mai sus, funcția gets este interzisă în programele curente. În locul acesteia se poate folosi funcția fgets. Creați o copie a fișierului cod sursă read_stdin.asm din subdirectorul 5-6-read-stdin/ într-un fișier cod sursă read_stdin_fgets.asm în subdirectorul 7-read-stdin-fgets/. În fișierul cod sursă read_stdin_fgets.asm schimbați apelul funcției gets() cu apelul funcției fgets.

Pentru apelul fgets() citiți de la intrarea standard. Ca argument pentru al treilea parametru al fgets() (de tipul FILE *) veți folosi intrarea standard. Pentru a specifica intrarea standard folosiți stream-ul stdin. Va trebui să îl marcați ca extern folosind, la începutul fișierului în limbaj de asamblare, construcția

extern stdin

stdin este o adresă; pentru a apela fgets() cu intrarea standard, este suficient să transmitem pe stivă valoarea de la adresa stdin, adică folosind construcția

push dword [stdin]

call fgets

extern fgets

Să păstrați posibilitatea unui buffer overflow și să demonstrați acest lucru prin afișarea valorii 0x574F4C46 pentru variabila locală. Adică să folosiți ca al doilea argument pentru fgets() (dimensiunea) o valoare suficient de mare cât să permită realizarea unui buffer overflow.

./read_stdin_fgets < payload

De cele mai multe ori vom identifica vulnerabilități de tip buffer overflow în programe scrise în C. Acolo trebuie să vedem ce buffere sunt și care este distanța de la buffer la variabila dorită pentru a putea face suprascrierea.

Pentru exercițiul curent, accesați directorul 8-c-buffer-overflow/ din arhiva de resurse a laboratorului și observați codul sursă aferent în C. Pentru cazul în care doriți să nu mai compilați voi codul aveți în arhivă și fișierul limbaj de asamblare echivalent și fișierul în cod obiect și fișierul executabil.

Descoperiți diferența între adresa buffer-ului și adresa variabilei, creați un fișier de intrare (numit și payload) cu care să declanșați overflow-ul și faceți în așa fel încât să fie afișat mesajul Full of win!.

make clean && make

./do_overflow < payload

Pornind de la resursele exercițiului anterior din directorul 8-9-c-buffer-overflow inspectați fișierul Makefile.

cat Makefile

Analizați atent opțiunile de compilare. Ce observați?

Așa cum ați observat în cadrul exercițiului anterior, deși am depășit dimensiunea buffer-ului și am suprascris o altă variabilă din program, acesta și-a încheiat execuția în mod normal. Acest lucru este nedorit atunci când lucrăm cu buffere, deoarece sunt o sursă de la care poate porni foarte ușor un atac. Folosind objdump inspectați funcția main a executabilului.

objdump -M intel -d do_overflow

Acum intrați în fișierul Makefile și modificați parametrii CFLAGS înlocuind -fno-stack-protector cu -fstack-protector. Recompilați programul și rulați-l. Ce observați?

Inspectați din nou executabilul recompilat cu noul flag folosind objdump. Ce s-a schimbat?

De multe ori nu avem șansa accesului la codul sursă și vrem să descoperim vulnerabilități în fișiere executabile. În directorul 10-overflow-in-binary din arhiva de resurse a laboratorului, găsiți un fișier executabil. Folosind ghidra sau gdb pentru investigație descoperiți cum puteți exploata vulnerabilitatea de tip buffer overflow, pentru ca programul să afișeze mesajul Great success!.