Дэвид Лебланк - 19 смертных грехов, угрожающих безопасности программ
Результатом переполнения буфера может стать что угодно – от краха программы до получения противником полного контроля над приложением, а если приложение запущено от имени пользователя с высоким уровнем доступа (root, Administrator или System), то и над всей операционной системой и другими пользователями. Если рассматриваемое приложение – это сетевая служба, то ошибка может привести к распространению червя. Первый получивший широкую известность Интернет–червь эксплуатировал ошибку в сервере finger, он так и назывался – «finger–червь Роберта Т. Морриса» (или просто «червь Морриса»). Казалось бы, что после того как в 1988 году Интернет был поставлен на колени, мы уже должны научиться избегать переполнения буфера, но и сейчас нередко появляются сообщения о такого рода ошибках в самых разных программах.
Быть может, кто–то думает, что такие ошибки свойственны лишь небрежным и беззаботным программистам. Однако на самом деле эта проблема сложна, решения не всегда тривиальны, и всякий, кто достаточно часто программировал на С или С++, почти наверняка хоть раз да допускал нечто подобное. Автор этой главы, который учит других разработчиков, как писать безопасный код, сам однажды передал заказчику программу, в которой было переполнение на одну позицию (off–by–one overflow). Даже самые лучшие, самые внимательные программисты допускают ошибки, но при этом они знают, насколько важно тщательно тестировать программу, чтобы эти ошибки не остались незамеченными.
Подверженные греху языки
Чаще всего переполнение буфера встречается в программах, написанных на С, недалеко от него отстает и С++. Совсем просто переполнить буфер в ассемблерной программе, поскольку тут нет вообще никаких предохранительных механизмов. По существу, С++ так же небезопасен, как и С, поскольку основан на этом языке. Но использование стандартной библиотеки шаблонов STL позволяет свести риск некорректной работы со строками к минимуму, а более строгий компилятор С++ помогает программисту избегать некоторых ошибок. Даже если ваша программа составлена на чистом С, мы все же рекомендуем использовать компилятор С++, чтобы выловить как можно больше ошибок.
В языках более высокого уровня, появившихся позже, программист уже не имеет прямого доступа к памяти, хотя за это и приходится расплачиваться производительностью. В такие языки, как Java, С# и Visual Basic, уже встроены строковый тип, массивы с контролем выхода за границы и запрет на прямой доступ к памяти (в стандартном режиме). Кто–то может сказать, что в таких языках переполнение буфера невозможно, но правильнее было бы считать, что оно лишь гораздо менее вероятно. Ведь в большинстве своем эти языки реализованы на С или С++, а ошибка в реализации может стать причиной переполнения буфера. Еще один потенциальный источник проблемы заключается в том, что на какой–то стадии все эти высокоуровневые языки должны обращаться к операционной системе, а уж она–то почти наверняка написана на С или С++. Язык С# позволяет обойти стандартные механизмы .NET, объявив небезопасный участок с помощью ключевого слова unsafe. Да, это упрощает взаимодействие с операционной системой и библиотеками, написанными на C/C++, но одновременно открывает возможность допустить обычные для C/C++ ошибки. Даже если вы программируете преимущественно на языках высокого уровня, не отказывайтесь от тщательного контроля данных, передаваемых внешним библиотекам, если не хотите пасть жертвой содержащихся в них ошибок.
Мы не станем приводить исчерпывающий список языков, подверженных ошибкам из–за переполнения буфера, скажем лишь, что к их числу относится большинство старых языков.
Как происходит грехопадение
Классическое проявление переполнения буфера – это затирание стека. В откомпилированной программе стек используется для хранения управляющей информации (например, аргументов). Здесь находится также адрес возврата из функции и, поскольку число регистров в процессорах семейства х86 невелико, сюда же перед входом в функцию помещаются регистры для временного хранения. Увы, в стеке же выделяется память для локальных переменных. Иногда их неправильно называют статически распределенными в противоположность динамической памяти, выделенной из кучи. Когда кто–то говорит о переполнении статического буфера, он чаще всего имеет в виду переполнение буфера в стеке. Суть проблемы в том, что если приложение пытается писать за границей массива, распределенного в стеке, то противник получает возможность изменить управляющую информацию. А это уже половина успеха, ведь цель противника – модифицировать управляющие данные по своему усмотрению.
Возникает вопрос: почему мы продолжаем пользоваться столь очевидно опасной системой? Избежать проблемы, по крайней мере частично, можно было бы, перейдя на 64–разрядный процессор Intel Itanium, где адрес возврата хранится в регистре. Но тогда пришлось бы смириться с утратой обратной совместимости, хотя на момент работы над этой книгой представляется, что процессор х64 в конце концов станет популярным.
Можно также спросить, почему мы не переходим на языки, осуществляющие строгий контроль массивов и запрещающие прямую работу с памятью. Дело в том, что для многих приложений производительность высокоуровневых языков недостаточно высока. Возможен компромисс: писать интерфейсные части программ, с которыми взаимодействуют пользователи, на языке высокого уровня, а основную часть кода – на низкоуровневом языке. Другое решение–в полной мере задействовать возможности С++ и пользоваться написанными для него библиотеками для работы со строками и контейнерными классами. Например, в Web–сервере Internet Information Server (IIS) 6.0 обработка всех входных данных переписана с использованием строковых классов; один отважный разработчик даже заявил, что даст отрезать себе мизинец, если в его коде отыщется хотя бы одно переполнение буфера. Пока что мизинец остался при нем, и за два года после выхода этого сервера не было опубликовано ни одного сообщения о проблемах с его безопасностью. Поскольку современные компиляторы умеют работать с шаблонными классами, на С++ теперь можно создавать очень эффективный код.
Но довольно теории, рассмотрим пример.
...tinclude <stdio.h>
void DontDoIhis (char* input)
{
char buf[16];
strcpy(buf, input);
printf("%sn» , buf);
}
int main(int argc, char* argv[])
{
// мы не проверяем аргументы
// а чего еще ожидать от программы, в которой используется
// функция strcpy?
DontDoThis(argv[l]);
return 0;
}
Откомпилируем эту программу и посмотрим, что произойдет. Для демонстрации автор собрал приложение, включив отладочные символы и отключив контроль стека. Хороший компилятор предпочел бы встроить такую короткую функцию, как DontDoThis, особенно если она вызывается только один раз, поэтому оптимизация также была отключена. Вот как выглядит стек непосредственно перед вызовом strcpy:
...0x0012FEC0 с8 fe 12 00 .. <– адрес аргумента buf
0x0012FEC4 с4 18 32 00 .2. <– адрес аргумента input
0x0012FEC8 d0 fe 12 00 .. <– начало буфера buf
0x0012FECC 04 80 40 00 .<<Unicode: 80>>@.
0x0012FED0 el 02 3f 4f .?0
0x0012FED4 66 00 00 00 f… <– конец buf
0x0012FED8 e4 fe 12 00 .. <– содержимое регистра EBP
0x0012FEDC 3f 10 40 00 [email protected] <– адрес возврата
0x0012FEE0 c4 18 32 00 .2. <– адрес аргумента DontDoThis
0x0012FEE4 cO ff 12 00 ..
0x0012FEE8 10 13 40 00 [email protected] <– адрес, куда вернется main()
Напомним, что стек растет сверху вниз (от старших адресов к младшим). Этот пример выполнялся на процессоре Intel со схемой адресации «little–endian». Это означает, что младший байт хранится в памяти первым, так что адрес возврата «3f104000» на самом деле означает 0x0040103f.
А теперь посмотрим, что происходит, когда буфер buf переполняется. Сразу вслед за buf находится сохраненное значение регистра EBP (Extended Base Pointer – расширенный указатель на базу). ЕВР содержит указатель кадра стека; при ошибке на одну позицию его значение будет затерто. Если противник сможет получить контроль над областью памяти, начинающейся с адреса 0x0012fe00 (последний байт вследствие ошибки обнулен), то программа перейдет по этому адресу и выполнит помещенный туда противником код.
Если не ограничиваться переполнением на один байт, то следующим будет затерт адрес возврата. Коль скоро противник сумеет получить контроль над этим значением и записать в буфер, адрес которого известен, достаточное число байтов ассемблерного кода, то мы будем иметь классический пример переполнения буфера, допускающего написание эксплойта. Отметим, что ассемблерный код (его обычно называют shell–кодом, потому что чаще всего задача эксплойта – получить доступ к оболочке (shell)) необязательно размещать именно в перезаписываемом буфере. Это типичный случай, но, вообще говоря, код можно внедрить в любое место вашей программы. Не обольщайтесь, полагая, что переполнению подвержен только очень небольшой участок.
После того как адрес возврата переписан, в распоряжении противника оказываются аргументы атакуемой функции. Если функция перед возвратом каким–то образом модифицирует переданные ей аргументы, то открываются новые соблазнительные возможности. Это следует иметь в виду, оценивая эффективность таких средств борьбы с переполнением стека, как программа Stackguard Криспина Коуэена (Crispin Cowan), программа ProPolice, распространяемая IBM, и флаг /GS в компиляторе Microsoft.
