3.3. Puffer-Überläufe

Puffer-Überläufe gibt es schon seit den Anfängen der Von-Neuman-Architektur 1. Sie erlangten zum ersten Mal durch den Internetwurm Morris im Jahre 1988 öffentliche Bekanntheit. Unglücklicherweise funktioniert der gleiche grundlegende Angriff noch heute. Die bei weitem häufigste Form eines Puffer-Überlauf-Angriffs basiert darauf, den Stack zu korrumpieren.

Die meisten modernen Computer-Systeme verwenden einen Stack, um Argumente an Prozeduren zu übergeben und lokale Variablen zu speichern. Ein Stack ist ein last-in-first-out-Puffer (LIFO) im hohen Speicherbereich eines Prozesses. Wenn ein Programm eine Funktion aufruft wird ein neuer "Stackframe" erzeugt. Dieser besteht aus den Argumenten, die der Funktion übergeben wurden und einem variabel grossem Bereich für lokale Variablen. Der "Stack-Pointer" ist ein Register, dass die aktuelle Adresse der Stack-Spitze enthält. Da sich dieser Wert oft ändert, wenn neue Werte auf dem Stack abgelegt werden, bieten viele Implementierungen einen "Frame-Pointer", der nahe am Anfang des Stack-Frames liegt und es so leichter macht lokale Variablen relativ zum aktuellen Stackframe zu adressieren. 1 Die Rücksprungadresse der Funktionen werden ebenfalls auf dem Stack gespeichert und das ist der Grund für Stack-Überlauf-Exploits. Denn ein böswilliger Nutzer kann die Rücksprungadresse der Funktion überschreiben indem er eine lokale Variable in der Funktion überlaufen lässt, wodurch es ihm möglich ist beliebigen Code auszuführen.

Obwohl Stack-basierte Angriffe bei weitem die Häufigsten sind, ist es auch möglich den Stack mit einem Heap-basierten (malloc/free) Angriff zu überschreiben.

Die C-Programmiersprache führt keine automatischen Bereichsüberprüfungen bei Feldern oder Zeigern durch, wie viele andere Sprachen das tun. Außerdem enthält die C-Standardbibliothek eine Handvoll sehr gefährlicher Funktionen.

strcpy(char *dest, const char *src)

Kann den Puffer dest überlaufen lassen

strcat(char *dest, const char *src)

Kann den Puffer dest überlaufen lassen

getwd(char *buf)

Kann den Puffer buf überlaufen lassen

gets(char *s)

Kann den Puffer s überlaufen lassen

[vf]scanf(const char *format, ...)

Kann sein Argument überlaufen lassen

realpath(char *path, char resolved_path[])

Kann den Puffer path überlaufen lassen

[v]sprintf(char *str, const char *format, ...)

Kann den Puffer str überlaufen lassen

3.3.1. Puffer-Überlauf Beispiel

Das folgende Quellcode-Beispiel enthält einen Puffer-Überlauf, der darauf ausgelegt ist die Rücksprungadresse zu überschreiben und die Anweisung direkt nach dem Funktionsaufruf zu überspringen. (Inspiriert durch 4)

#include <stdio.h>

void manipulate(char *buffer) {
char newbuffer[80];
strcpy(newbuffer,buffer);
}

int main() {
char ch,buffer[4096];
int i=0;

while ((buffer[i++] = getchar()) != '\n') {};

i=1;
manipulate(buffer);
i=2;
printf("The value of i is : %d\n",i);
return 0;
}

Betrachten wir nun, wie das Speicherabbild dieses Prozesses aussehen würde, wenn wir 160 Leerzeichen in unser kleines Programm eingeben, bevor wir Enter drücken.

[XXX figure here!]

Offensichtlich kann man durch böswilligere Eingaben bereits kompilierten Programmtext ausführen (wie z.B. exec(/bin/sh)).

3.3.2. Puffer-Überläufe vermeiden

Die direkteste Lösung, um Stack-Überläufe zu vermeiden, ist immer grössenbegrenzten Speicher und String-Copy-Funktionen zu verwenden. strncpy und strncat sind Teil der C-Standardbibliothek. Diese Funktionen akzeptieren einen Längen-Parameter. Dieser Wert sollte nicht größer sein als die Länge des Zielpuffers. Die Funktionen kopieren dann bis zu `length' Bytes von der Quelle zum Ziel. Allerdings gibt es einige Probleme. Keine der Funktionen garantiert, dass die Zeichenkette NUL-terminiert ist, wenn die Größe des Eingabepuffers so groß ist wie das Ziel. Außerdem wird der Parameter length zwischen strncpy und strncat inkonsistent definiert, weshalb Programmierer leicht bezüglich der korrekten Verwendung durcheinander kommen können. Weiterhin gibt es einen spürbaren Leistungsverlust im Vergleich zu strcpy, wenn eine kurze Zeichenkette in einen großen Puffer kopiert wird. Denn strncpy fült den Puffer bis zur angegebenen Länge mit NUL auf.

In OpenBSD wurde eine weitere Möglichkeit zum kopieren von Speicherbereichen implementiert, die dieses Problem umgeht. Die Funktionen strlcpy und strlcat garantieren, dass das Ziel immer NUL-terminiert wird, wenn das Argument length ungleich null ist. Für weitere Informationen über diese Funktionen lesen Sie bitte 6. Die OpenBSD-Funktionen strlcpy und strlcat sind seit Version 3.3 auch in FreeBSD verfügbar.

3.3.2.1. Compiler-basierte Laufzeitüberprüfung von Grenzen

Unglücklicherweise gibt es immer noch sehr viel Quelltext, der allgemein verwendet wird und blind Speicher umherkopiert, ohne eine der gerade besprochenen Funktionen, die Begrenzungen unterstützen, zu verwenden. Glücklicherweise gibt es einen Weg, um solche Angriffe zu verhindern - Überprüfung der Grenzen zur Laufzeit, die in verschiedenen C/C++ Compilern eingebaut ist.

ProPolice ist eine solche Compiler-Eigenschaft und ist in den gcc(1) Versionen 4.1 und höher integriert. Es ersetzt und erweitert die gcc(1) StackGuard-Erweiterung von früher.

ProPolice schützt gegen stackbasierte Pufferüberläufe und andere Angriffe durch das Ablegen von Pseudo-Zufallszahlen in Schlüsselbereichen des Stacks bevor es irgendwelche Funktionen aufruft. Wenn eine Funktion beendet wird, werden diese Kanarienvögel überprüft und wenn festgestellt wird, dass diese verändert wurden wird das Programm sofort abgebrochen. Dadurch wird jeglicher Versuch, die Rücksprungadresse oder andere Variablen, die auf dem Stack gespeichert werden, durch die Ausführung von Schadcode zu manipulieren, nicht funktionieren, da der Angreifer auch die Pseudo-Zufallszahlen unberührt lassen müsste.

Ihre Anwendungen mit ProPolice neu zu kompilieren ist eine effektive Maßnahme, um sie vor den meisten Puffer-Überlauf-Angriffen zu schützen, aber die Programme können noch immer kompromittiert werden.

3.3.2.2. Bibliotheks-basierte Laufzeitüberprüfung von Grenzen

Compiler-basierte Mechanismen sind bei Software, die nur im Binärformat vertrieben wird, und die somit nicht neu kompiliert werden kann völlig nutzlos. Für diesen Fall gibt es einige Bibliotheken, welche die unsicheren Funktionen der C-Bibliothek (strcpy, fscanf, getwd, etc..) neu implementieren und sicherstellen, dass nicht hinter den Stack-Pointer geschrieben werden kann.

  • libsafe
  • libverify
  • libparanoia

Leider haben diese Bibliotheks-basierten Verteidigungen mehrere Schwächen. Diese Bibliotheken schützen nur vor einer kleinen Gruppe von Sicherheitslücken und sie können das eigentliche Problem nicht lösen. Diese Maßnahmen können versagen, wenn die Anwendung mit -fomit-frame-pointer kompiliert wurde. Außerdem kann der Nutzer die Umgebungsvariablen LD_PRELOAD und LD_LIBRARY_PATH überschreiben oder löschen.

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