Переполнение буфера происходит, когда объем записанной в ячейку памяти информации превышает выделенный. Это может привести к повреждению данных, сбоям программы и даже к выполнению вредоносного кода. Обсудить

Перевод публикуется с сокращениями, автор оригинальной статьи Megan Kaczanowski.

C, C++ и Objective-C являются ключевыми языками, имеющими уязвимости переполнения буфера, поскольку они работают с памятью более непосредственно чем многие интерпретируемые языки.

Даже если код написан на «безопасном» языке (например, на Python), если используются любые написанные на C, C++ или Objective C библиотеки, он все равно может быть уязвим для переполнения буфера.

Выделение памяти

Чтобы понять механизм возникновения переполнения буфера, нужно немного разобраться с выделением памяти в программы. В написанном на языке С приложении можно выделить память в стеке во время компиляции или в куче во время выполнения.

• Объявление переменной в стеке: int numberPoints = 10.
• Объявление переменной в куче: int* ptr = malloc (10 * sizeof(int)).

Переполнение буфера может происходить в стеке (переполнение стека) или в куче (переполнение кучи). Как правило, переполнение стека встречается чаще. Он содержит последовательность вложенных функций: каждая из них возвращает адрес вызывающей функции, к которой нужно вернуться после завершения работы. Этот возвращаемый адрес может быть заменен инструкцией для выполнения фрагмента вредоносного кода.

Поскольку куча реже хранит возвращаемые адреса, гораздо сложнее (хотя в ряде случаев это возможно) запустить эксплойт. Память в куче обычно содержит данные программы и динамически выделяется по мере ее выполнения. Это означает, что при переполнении кучи, скорее всего, перезапишется указатель функции – такой путь более сложен и менее эффективен чем переполнение стека.

Поскольку переполнение стека является наиболее часто используемым типом переполнения буфера, кратко рассмотрим, как именно они работают.

Переполнение стека

Эксплуатация уязвимости происходит внутри процесса, при этом каждый процесс имеет свой собственный стек. Когда он выполняет основную функцию, то находит как новые локальные переменные (которые будут «запушены» в начало стека), так и вызовы других функций (которые создадут новый «стекфрейм»).

Схема стека:

Что такое stackframe?

Стек вызовов – это в основном код ассемблера для конкретной программы. Это стек переменных и стекфреймов, которые сообщают компьютеру, в каком порядке выполнять инструкции. Для каждой функции, которая еще не завершила выполнение, будет создан стекфрейм, а функция, которая выполняется в данный момент, будет находиться в верхней части стека.

Чтобы отслеживать этот процесс, компьютер хранит в памяти несколько указателей:

• Stack Pointer: указывает на топ стека вызовов процесса (или на последний помещенный в стек элемент).
• Instruction Pointer: указывает на адрес следующей инструкции процессора, которая будет выполнена.
• Base Pointer (BP): (также известный как указатель кадра) указывает на основание текущего кадра стека. Он остается постоянным до тех пор, пока программа выполняет текущий стекфрейм (хотя указатель стека может измениться).

Для примера рассмотрим следующий код:

         int main() {     int j = firstFunction(5);     return 0; }      int firstFunction(int z) {     int x = 1 + z;     return x; }     

Стек вызовов будет выглядеть следующим образом, сразу после вызова firstFunction и выполнения оператора int x = 1+z:

Здесь main вызывает firstFunction (которая в данный момент выполняется), поэтому она находится в верхней части стека вызовов. Возвращаемый адрес – это адрес в памяти, относящийся к функции, которая его вызвала (он удерживается указателем инструкции при создании стекфрейма). Локальные переменные, которые все еще находятся в области видимости, также находятся в стеке вызовов. Когда они выполняются и выходят за пределы области действия, они удаляются из верха стека.

Таким образом, компьютер может отслеживать, какая инструкция должна быть выполнена и в каком порядке. Переполнение стека основано на перезаписи одного из этих сохраненных обратных адресов вредоносным адресом.

Пример уязвимости переполнения буфера:

         int main() {     bufferOverflow();  }    bufferOverflow() {     char textLine[10];     printf("Enter your line of text: ");     gets(textLine);     printf("You entered: ", textLine);     return 0;  }     

Этот простой код считывает произвольное количество данных (gets будет считывать до конца файла или символа новой строки). Рассмотрев его, можно понять опасность. Если пользователь вводит больше данных, чем помещается в выделенную для переменной область, введенная строка перезапишет следующие ячейки памяти в стеке вызовов. Если она достаточно длинная, перезапишется даже обратный адрес вызывающей функции.

Как компьютер отреагирует на это, зависит от реализации стеков и выделения памяти в конкретной системе. Реакция на переполнение буфера может быть совершенно непредсказуемой, начиная от сбоев программы и заканчивая выполнением вредоносного кода.

Почему происходит переполнение буфера?

Причина, по которой переполнение буфера стало такой серьезной проблемой, заключается в отсутствии проверки границ во многих функции управления памятью в C и C++. Хотя этот процесс сейчас довольно хорошо известен, он также очень часто эксплуатируется (например, зловред WannaCry использовал переполнение буфера).

Переполнение буфера чаще всего происходит, когда код зависит от внешних входных данных и слишком сложен для программиста, чтобы понять его поведение или когда он имеет зависимости за пределами прямой видимости кода.

Веб-серверы, серверные приложения и среды веб-приложений подвержены переполнению буфера. Исключение составляют написанные на интерпретируемых языках среды, хотя сами интерпретаторы тоже могут быть подвержены переполнению.

Как уменьшить влияние переполнения буфера:

• Используйте интерпретируемый язык, который не подвержен этим проблемам.
• Избегайте использования функций, которые не выполняют проверку буфера (например, в C вместо функции gets() используйте функцию fgets()).
• Применяйте компиляторы, которые помогают определить небезопасные функции или найти ошибки.
• Используйте canaries, которые могут помочь предотвратить переполнение буфера. Они вставляются перед обратным адресом в стеке и проверяются перед обращением к нему. Если программа обнаружит изменение значения canary, она прервет процесс, не позволив злоумышленнику пробиться. Значение canary является либо случайным (поэтому злоумышленнику очень трудно его угадать), либо строкой, которую по техническим причинам невозможно перезаписать.
• Переставляйте локальные переменных таким образом, чтобы скалярные (отдельные объекты данных фиксированного размера) были выше переменных массива, содержащих несколько значений. Это означает, что если переменные массива переполняются, они не будут влиять на скалярные переменные. Этот метод в сочетании с canary-значениями очень помогает.
• Сделайте стек неисполняемым, установив бит NX (No-eXecute), чтобы злоумышленник не вставлял шелл-код непосредственно в стек и не выполнял его там. Это неидеальное решение, так как даже неисполняемые стеки могут стать жертвами атак переполнения буфера, вроде return-to-libc. Эта атака происходит, когда обратный адрес стекового фрейма заменяется адресом библиотеки, уже находящейся в адресном пространстве процесса. К тому же не все процессоры позволяют установить бит NX.
• ASLR (рандомизация расположения адресного пространства) может служить общей защитой, а также специфической защитой от атак return-to-libc. Это означает, что всякий раз, когда файл библиотеки или другая функция вызывается запущенным процессом, ее адрес сдвигается на случайное число. Это делает практически невозможным связать фиксированный адрес памяти процесса с функциями, из чего следует, что злоумышленнику может быть трудно узнать, откуда вызывать определенные функции. ASLR включен по умолчанию во многих версиях Linux, OS X и Android.

Stack Underflow

Такая уязвимость возникает, когда две части программы по-разному обрабатывают один и тот же блок памяти. Например, если вы выделите массив размером X, но заполните его массивом размером x < X, а затем попытаетесь извлечь все X байтов, скорее всего вы получите «грязные» данные для X – x байтов.

Вы, возможно, извлекли данные, которые остались после использования этой области памяти ранее. В лучшем случае это мусор, который ничего не значит, а в худшем – конфиденциальные данные, которыми может злоупотребить злоумышленник.

Заключение

Рассмотренная уязвимость является очень серьезной угрозой стабильной работе любого продукта. Необходимо приложить все усилия и проверить ваши проекты на ее наличие, т. к. последствия могут быть весьма плачевными (уже упоминался Ransome) и болезненными. Используйте советы из статьи и вы уменьшите вероятность успешного проникновения злоумышленников в ваш код. Удачи в обучении!

Дополнительные материалы:

• Алгоритмы в C++: запросы к статическим массивам
• ТОП-10 трюков на C++, которые облегчат вам жизнь
• Сайт на C++ своими руками с помощью библиотеки cgicc
• 5 шагов для создания простой формы входа на C#
• 10 самых популярных алгоритмов сортировки на C#