Текст книги "19 смертных грехов, угрожающих безопасности программ"

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  ?.@. <– адрес возврата

0x0012FEE0  c4 18 32 00    .2. <– адрес аргумента DontDoThis

0x0012FEE4  cO ff 12 00     ..

0x0012FEE8  10 13 40 00  ..@. <– 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.

Как видите, мы предоставили противнику как минимум три возможности получить контроль над нашим приложением, а это ведь была очень простая функция. Если в стеке объявлен объект класса С++ с виртуальными функциями, то станет доступна таблица указателей на виртуальные функции; такая ошибка тоже легко эксплуатируется. Если одним из аргументов функции является указатель на функцию, что часто бывает в оконных системах (например, в X Window System или Microsoft Windows), то перезапись этого указателя перед использованием–очевидный способ получить контроль над приложением.

Есть множество хитроумных способов перехватить управление программой, гораздо больше, чем способен измыслить наш слабый ум. Существует несоответствие между возможностями и ресурами, доступными разработчику и хакеру. В своей работе вы ограничены сроками, тогда как противник может тратить все свое свободное время на то, чтобы придумать, как заставить вашу программу делать то, что нужно ему. Ваша программа может защищать ресурс, достаточно ценный, чтобы потратить на ее взлом несколько месяцев. Хакер тратит массу времени на то, чтобы быть в курсе последних достижений в области взлома. К его услугам – такие ресурсы, как www.metasploit.com, позволяющие в несколько «кликов» создать shell–код, который будет делать что угодно и при этом включать только символы из ограниченного набора.

Если вы попытаетесь выяснить, можно ли создать эксплойт для какой–то программы, то, скорее всего, полученный ответ будет неполным. В большинстве случае можно лишь доказать, что программа либо уязвима, либо вы недостаточно хитроумны (или потратили на поиск решения недостаточно времени), чтобы написать для нее эксплойт. Очень редко можно с уверенностью утверждать, что для некоторого переполнения эксплойт невозможен.

Мораль, стало быть, в том, что самое правильное – исправить ошибки! Сколько раз случалось, что модификации с целью «повысить качество кода» заодно приводили и к исправлению ошибок, связанных с безопасностью. Автор как–то битых три часа убеждал команду разработчиков исправить некую ошибку. В переписке приняло участие восемь человек, и мы потратили 20 человекочасов (половина рабочей недели одного программиста), споря, нужно ли исправлять ошибку, поскольку разработчики жаждали получить доказательства того, что для нее можно написать эксплойт. Когда эксперты по безопасности доказали, что проблема действительно есть, для исправления потребовался час работы программиста и еще четыре часа на Тестирование. Сколько же времени ушло впустую!

Заниматься анализом надо непосредственно перед поставкой программы. На завершающих стадиях разработки хорошо бы иметь обоснованное предположение о том, достаточно ли велика опасность написания эксплойта для ошибки, чтобы оправдать риск, связанный с переделками и, как следствие, нестабильностью продукта.

Распространено заблуждение, будто переполнение буфера в куче не так опасно, как буфера в стеке. Это совершенно неправильно. Большинство реализаций кучи страдают тем же фундаментальным пороком, что и стек, – пользовательские и управляющие данные хранятся вместе. Часто можно заставить менеджер кучи поместить четыре указанных противником байта по выбранному им же адресу. Детали атаки на кучу довольно сложны. Недавно Matthew «shok» Conover и Oded Horovitz подготовили очень ясную презентацию на эту тему под названием «Re–liable Windows Heap Exploits» («Надежный эксплойт переполнения кучи в Win–dows»), которую можно найти на странице http://cansecwest.com/csw04/csw04–Oded+Connover.ppt. Даже если сам менеджер кучи не поддается взломщику, в соседних участках памяти могут находиться указатели на функции или на переменные, в которые записывается информация. Когда–то эксплуатация переполнений кучи считалась экзотическим и трудным делом, теперь же это одна из самых распространенных атакуемых ошибок.

В программах на языках C/C++ есть масса способов переполнить буфер. Вот строки, породившие finger–червя Морриса:

char buf[20] ;

gets (buf) ;

Не существует никакого способа вызвать gets для чтения из стандартного ввода без риска переполнить буфер. Используйте вместо этого fgets. Наверное, второй по популярности способ вызвать переполнение – это воспользоваться функцией strcpy (см. предыдущий пример). А вот как еще можно напроситься на неприятности:

char buf[20];

char prefix[] = "http://";

strcpy(buf, prefix);

strncat(buf, path, sizeof(buf));

Что здесь не так? Проблема в неудачном интерфейсе функции strncat. Ей нужно указать, сколько символов свободно в буфере, а не общую длину буфера. Вот еще один распространенный код, приводящий к переполнению:

char buf[MAX_PATH];

sprintf(buf, "%s – %dn", path, errno);

Если не считать нескольких граничных случаев, функцию sprintf почти невозможно использовать безопасно. Для Microsoft Windows было выпущено извещение о критической ошибке, связанной с применением sprintf для отладочного протоколирования. Подробности см. в бюллетене MS04–011 (точная ссылка приведена в разделе «Другие ресурсы»).

А вот еще пример:

char buf [ 32] ;

strncpy(buf, data, strlen(data));

Что неверно? В последнем аргументе передана длина входного буфера, а не размер целевого буфера!

Еще один способ столкнуться с проблемой – по ошибке считать байты вместо символов. Если вы работаете с кодировкой ASCII, то между ними нет разницы, но в кодировке Unicode один символ представляется двумя байтами. Вот пример:

_snwprintf(wbuf, sizeof(wbuf), «%sn», input);

Следующее переполнение несколько интереснее:

bool CopyStructs(InputFile* pInFile, unsigned long count)

{

unsigned long i;

m_pStructs = new Structs[count];

for(i = 0; i < count; i++)

{

if(!ReadFromFile(pInFile, &(m_pStructs[i])))

break;

}

}

Как здесь может возникнуть ошибка? Оператор new[] в языке С++ делает примерно то же, что такой код:

ptr = malloc(sizeof(type) * count);

Если значение count может поступать от пользователя, то нетрудно задать его так, чтобы при умножении возникло переполнение. Тогда будет выделен буфер гораздо меньшего размера, чем необходимо, и противник сможет его переполнить. В компиляторе С++, который будет поставляться в составе Microsoft Visual Studio 2005, реализована внутренняя проверка для недопущения такого рода ошибок. Аналогичная проблема может возникнуть во многих реализациях функции calloc, которая выполняет примерно такую же операцию. В этом и состоит коварство многих ошибок, связанных с переполнением целых чисел: опасно не само это переполнение, а вызванное им переполнение буфера. Но подробнее об этом мы расскажем в грехе 3.

Вот как еще может возникать переполнение буфера:

#define MAX_BUF 256

void BadCode(char* input)

{

short len;

char buf[MAX_BUF];

len = strlen(input);

// конечно, мы можем использовать strcpy безопасно

if(len < MAX_BUF)

strcpy(buf, input);

}

На первый взгляд, все хорошо, не так ли? Но на самом деле здесь ошибка на ошибке. Детали мы отложим до обсуждения переполнения целых числе в грехе 3, а пока заметим, что литералы всегда имеют тип signed int. Если длина входных данных (строка input) превышает 32К, то переменная len станет отрицательна, она будет расширена до типа int с сохранением знака и окажется меньше MAX_BUF, что приведет к переполнению. Еще одна ошибка возникнет, если длина строки превосходит 64К. В этом случае мы имеем ошибку усечения: len оказывается маленьким положительным числом. Основной способ исправления – объявлять переменные для хранения размеров как имеющие тип size_t. Еще одна скрытая проблема заключается в том, что входные данные могут не заканчиваться нулем. Вот как может выглядеть исправленный код:

const size_t MAX_BUF = 256;

void LessBadCode(char* input)

{

size_t len;

char buf[MAX_BUF];

len = strlen(input);

// конечно, мы можем использовать strcpy безопасно

if(len < MAX_BUF)

strcpy(buf, input);

}

С этим грехом тесно связано переполнение целых чисел. Если вы пытаетесь устранить ошибки переполнения буфера путем использования функций работы со строками семейства strn… или вычисляете размер выделяемого из кучи буфера, то очень важно не допускать арифметических ошибок.

Ошибки при работе с форматной строкой могут дать такой же эффект, как переполнение буфера, хотя переполнением в строгом смысле не являются. Обычно такие ошибки вообще не связаны ни с какими буферами.

Вариантом переполнения буфера является запись в массив без контроля выхода за границы. Если противник сумеет прямо или косвенно подсунуть индекс массива и вы не проверите, что он принадлежит допустимому диапазону, то возможна запись по произвольному адресу в памяти. При этом не только изменяется поток выполнения программы, но могут быть затерты несмежные области памяти, а это сводит на нет все меры противодействия переполнению буфера.

Где искать ошибку

Вот на что нужно обращать внимание в первую очередь:

□ любые входные данные, будь то из сети, из файла или из командной строки;

□ передача данных из вышеупомянутых источников входных данных во внутренние структуры;

□ использование небезопасных функций работы со строками;

□ использование арифметических операций для вычисления размера буфера или числа свободных байтов в нем.

Выявление ошибки на этапе анализа кода

Обнаружить присутствие этого греха во время анализа кода может быть как совсем легко, так и очень сложно. Проще всего проанализировать все случаи употребления функций работы со строками. Надо иметь в виду, что вы можете найти много мест, где функции вызываются безопасно, но наш опыт показывает, что ошибки могут скрываться даже в правильных вызовах. Коэффициент регрессии, характерный для модификации кода с целью перехода исключительно на безопасные функции, обычно очень мал (от одной десятой до одной сотой величины, типичной для исправления ошибки), зато это позволит устранить возможность некоторых видов эксплойтов.

Добиться этого можно, например, поручив выполнение задачи компилятору. Если вы исключите объявления функций strcpy, strcat, sprintf и им подобных из заголовочных файлов, то компилятор укажет все места в коде, где они встречаются. Но имейте в виду, что некоторые приложения полностью или частично переопределяют библиотеку времени исполнения для языка С.

Сложнее отыскать переполнение кучи. Чтобы решить эту задачу, нужно помнить о возможности переполнения целых, о чем пойдет речь в грехе 3. Начать нужно с выявления всех мест, где производится выделение памяти, а затем проверить, с помощью каких арифметических операций вычислялся размер буфера.

Наилучший подход состоит в том, чтобы проследить, как используются все поступающие от пользователя данные, начиная с точки входа в приложение и далее по всем функциям. Очень важно знать, что именно может контролировать противник.

Тестирование

Одной из наиболее эффективных методик является рандомизированное тестирование (fuzz testing), когда на вход подаются полуслучайные данные. Попробуйте увеличить длину входных строк и понаблюдайте за поведением приложения. Обратите внимание на одну особенность: иногда множество неправильных значений входных данных довольно мало. Например, в одном месте программы проверяется, что длина входной строки должна быть меньше 260 байтов, а в другом месте выделяется буфер длиной 256. Если вы подадите на вход очень длинную строку, то она, конечно, будет отвергнута, но стоит попасть точно в неконтролируемый интервал–и можно писать эксплойт. Часто проблему можно найти, используя при тестировании степени двойки или степени двойки плюс–минус единица.

Стоит также поискать те места, где пользователь может задать длину чего–либо. Измените длину так, чтобы она не соответствовала строке, и особое внимание обращайте на возможность переполнения целого: опасность представляют случаи, когда длина +1 = 0.

Для рандомизированного тестирования нужно собрать специальную тестовую версию программы. В отладочные версии часто вставляют утверждения, которые изменяют поток выполнения программы и могут помешать обнаружить условия, при которых возможен экплойт. С другой стороны, современные компиляторы включают в отладочные версии хитроумный код для обнаружения порчи стека. В зависимости от используемого распределителя памяти и операционной системы вы можете также включить более строгую проверку целостности кучи.

Если вы используете утверждения для контроля входных данных, то имеет смысл перейти от такой формы:

assert(len < MAX_PATH);

к следующей

if(len >= MAX_PATH)

{

assert(false);

return false;

}

Всегда следует тестировать программу с помощью какой–либо утилиты обнаружения ошибок при работе с памятью, например AppVerifier для Windows (см. ссылку в разделе «Другие ресурсы»). Это позволит выявить ошибки, связанные с небольшим или трудноуловимым переполнением буфера.

Примеры из реальной жизни

Ниже приведены некоторые примеры переполнения буфера, взятые из базы данных типичных уязвимостей и брешей (CVE) на сайте http://cve.mitre.org. Интересно, что когда мы работали над этой книгой, в базе CVE по запросу «buffer overrim» находилось 1734 записи. Поиск по бюллетеням CERT, в которых документируются самые широко распространенные и серьезные уязвимости, по тому же запросу дал 107 документов.

Цитата из описания ошибки: «Переполнение буфера в реализации серверов IMAP и POP Вашингтонского университета». Эта же ошибка очень подробно документирована в бюллетене CERT за номером СА–1997–09. Переполнение происходит во время аутентификации для доступа к серверам, реализующим протоколы Post Office Protocol (POP) и Internet Message Access Protocol (IMAP). Связанная с ней уязвимость состоит в том, что сервер электронной почты не мог отказаться от избыточных привилегий, поэтому эксплойт давал противнику права пользователя root. Это переполнение поставило под удар довольно много систем.

Контрольная программа, созданная для поиска уязвимых версий этого сервера, обнаружила аналогичные дефекты в программе SLMail 2.5 производства Seattle Labs, о чем помещен отчет на странице www.winnetmag.com/Article/ArticleID/9223/ 9223.html.

Из CVE–2000–0389: «Переполнение буфера в функции krb_rd_req в Kerberos версий 4 и 5 позволяет удаленному противнику получить привилегии root».

Из CVE–2000–0390: «Переполнение буфера в функции krb425_conv_principal в Kerberos 5 позволяет удаленному противнику получить привилегии root».

Из CVE–2000–0391: «Переполнение буфера в программе krshd, входящей в состав Kerberos 5, позволяет удаленному противнику получить привилегии root».

Из CVE–2000–0392: «Переполнение буфера в программе krshd, входящей в состав Kerberos 5, позволяет удаленному противнику получить привилегии root».

Эти ошибки в реализации системы Kerberos производства МТИ документированы в бюллетене CERT СА–2000–06 по адресу www.cert.org/advisories/CA–2000–06.html. Хотя исходные тексты открыты уже несколько лет и проблема коренится в использовании опасных функций работы со строками (strcat), отчет о ней появился только в 2000 году.