Buffer Overflow

Buffer Overflow
Buffer Overflow, também chamado de Buffer Overrun, é uma anomalia em um programa em que, ao escrever dados em um buffer (armazenamento temporário de dados), a escrita ultrapassa o tamanho do buffer e começa a escrever nos espaços adjacentes.
Quando começamos a programar em C, é muito comum usarmos o seguinte statement para ler strings:
scanf("%s", str);
Porém, quando usamos dessa forma, não especificamos quantos caracteres devemos ler.
Se lermos uma quantidade de caracteres maior que o tamanho da alocação que fizemos para o buffer da string, nosso programa pode se comportar de formas estranhas, como por exemplo causar um erro chamado segmentation fault.
Segmentation Fault
Segmentation fault (falha de segmentação), também conhecido como segfault ou access violation, é uma falha causada por um acesso indevido a uma posição de memória protegida.
Os segmentos de memória possuem diferentes tipos de permissões atreladas a elas. Os três tipos de permissão são:
Leitura (Read)
Escrita (Write)
Execução (Execution)
Caso o programa tente acessar um segmento da memória sem a devida permissão, ocorre o segfault.
Por exemplo, digamos que uma certa região da memória está marcada para apenas leitura. Se o programa tentar escrever algo nessa região da memória, será causado o segmentation fault.
Algumas funções comuns em C que permitem Buffer Overflow
scanf() com %s e suas variações
gets()
strcpy()
strcat()
sprintf()
Lembrando também que funções supostamente seguras como fgets() com um limite de caracteres errado também pode causar buffer overflow.
Tipos de Buffer Overflow
Há certas peculiaridades do local da memória em que o buffer está armazenado que podem causar comportamentos especiais em um buffer overflow. Note que a organização desses locais pode variar dependendo da implementação.
Stack Buffer Overflow
Um ataque de buffer overflow na stack costuma utilizar certas características da stack, como por exemplo ela crescer para baixo e possuir o endereço de retorno da função salvo na chamada da função. Essa última característica pode permitir que um ataque de buffer overflow possa mudar o fluxo do programa e até executar código arbitrário.
Heap Overflow
Heap Overflow, conhecido também como Heap Overrun, é um buffer overflow na memória Heap. Ataques de heap overflow costumam involver a corrupção de valores do cabeçalho de chunks (regiões de memória alocadas ou desalocadas) da heap.
Stack Buffer Overflow
Vamos ver o que um buffer overflow na stack pode causar de comportamento anômalo.
1
int var1 = 500;
2
char var2[4];
Copied!
1
+------------------+        
2
|    0x000001f4    | <-- RSP 
3
|    0xffff0ffc    |         
4
|    0x7fffffff    |        
5
|    0x????????    |        
6
+------------------+        
7
|   RBP anterior   | <-- RBP
8
+------------------+        
9
|   RIP anterior   |        
10
+------------------+        
11
|      Stack       |        
12
|      Frame       |        
13
+------------------+        
14
|    RBP antigo    |        
15
+------------------+        
16
|    RIP antigo    |        
17
+------------------+
Copied!
Utilizando essa chamada como exemplo, em que RBP = 0x7fffffffffff1000 e RSP = 0x7fffffffffff0ff0, se antes da função retornar, fosse lido um valor para a string, a stack estaria assim:
1
Leitura de 3 caracteres 'A' (0x41) finalizado com '\0'
2
+------------------+        
3
|    0x000001f4    | <-- RSP 
4
|    0xffff0ffc    |         
5
|    0x7fffffff    |        
6
|    0x00414141    |        
7
+------------------+        
8
|   RBP anterior   | <-- RBP
9
+------------------+        
10
|   RIP anterior   |        
11
+------------------+        
12
|      Stack       |        
13
|      Frame       |        
14
+------------------+        
15
|    RBP antigo    |        
16
+------------------+        
17
|    RIP antigo    |        
18
+------------------+
Copied!
O espaço de memória para a string que havia sido alocada e continha lixo agora passa a guardar 3 'A' e um '\0', ou seja, 0x00414141.
Mas se estivermos lendo com o seguinte statement:
scanf("%s", var2);
...não estamos especificando o número máximo de caracteres a serem lidos.
O que aconteceria se alguem digitasse "ABCDEFG"?
Tabela ASCII:
Caractere
Hexadecimal
'\0'
0x00
'A'
0x41
'B'
0x42
'C'
0x43
'D'
0x44
'E'
0x45
'F'
0x46
'G'
0x47
Memória:
1
+------------------+        
2
|    0x000001f4    | <-- RSP 
3
|    0xffff0ffc    |         
4
|    0x7fffffff    |        
5
|    0x44434241    |        
6
+------------------+        
7
|    0x00474645    | <-- RBP
8
+------------------+        
9
|   RIP anterior   |        
10
+------------------+        
11
|      Stack       |        
12
|      Frame       |        
13
+------------------+        
14
|    RBP antigo    |        
15
+------------------+        
16
|    RIP antigo    |        
17
+------------------+
Copied!
Como podemos ver, a posição de memória que guardava o RBP anterior foi corrompida. Se retornassemos da função, o RBP iria para a posição 0x00474645, o que talvez possa causar problemas na execução do programa.
E se colocassemos mais 4 caracteres? Para a string "ABCDEFGHIJK", teriamos:
1
+------------------+        
2
|    0x000001f4    | <-- RSP 
3
|    0xffff0ffc    |         
4
|    0x7fffffff    |        
5
|    0x44434241    |        
6
+------------------+        
7
|    0x48474645    | <-- RBP
8
+------------------+        
9
|    0x00515049    |        
10
+------------------+        
11
|      Stack       |        
12
|      Frame       |        
13
+------------------+        
14
|    RBP antigo    |        
15
+------------------+        
16
|    RIP antigo    |        
17
+------------------+
Copied!
Nós corrompemos agora o endereço de retorno (RIP anterior) também. Mas espera, então após retornar dessa função, será executado a instrução com o endereço 0x00515049? Exatamente. Mas e se essa região não for uma região com permissões para execução? Nesse caso, teremos um segmentation fault.
Agora vamos pensar por outro lado, e se a região para qual o RIP foi mandado for uma região executável, como por exemplo a região de uma função? Nesse caso, as instruções nessa região seriam executadas.
Se fizermos uma engenharia reversa do programa e acharmos o endereço das funções, poderiamos executá-las arbitrariamente com um buffer overflow. Porém, provavelmente o endereço conterá caracteres que não conseguiriamos escrever com um teclado, como por exemplo os caracteres da tabela ASCII de 0 a 31. Nesse caso, poderiamos usar o comando echo para escrever esses bytes.
Vamos tentar escrever "ABC" usando o echo e as representações dos três caracteres em hexadecimais.
Pela tabela ASCII, 'A' é o caractere 0x41, 'B' é o 0x42 e 'C' é o 0x43. O comando echo no Terminal para imprimir esses três caracteres seria o seguinte:
echo -ne '\x41\x42\x43'
echo imprime a mensagem passada como argumento
-e permite o uso de caracteres de escape com o \, igual strings em C
-n faz com que ele não termine com um \n
Juntando -e e -n forma o -ne. Assim como em C, para representarmos um caractere de escape dado em hexadecimal, usamos \x seguido do número hexadecimal dele.
Um detalhe que precisamos nos atentar ao escrever um endereço ou qualquer outro dado que não seja uma string é que esse dado provavelmente deve estar na representação little-endian.
Little-endian é uma representação que começa do byte menos significativo para o mais significativo. Por exemplo, uma representação do inteiro 1 na memória seria 0x00000001. Porém, o processador leria e escreveria os bytes na seguinte ordem:
0x01 0x00 0x00 0x00
Portanto, para escrever um dado como 0x01234567, teríamos que escrever os bytes na seguinte ordem:
0x67 0x45 0x23 0x01
Para escrever esse dado usando echo, fariamos assim:
echo -ne '\x67\x45\x23\x01'
No exemplo anterior, se quisessemos que o endereço de retorno fosse 0x01234567, teríamos que escrever qualquer coisa nos 4 bytes do buffer e nos 4 bytes do RBP anterior e por fim escrever o endereço em si. O comando seria:
echo -ne 'AAAAAAAA\x67\x45\x23\x01'
Para redirecionar a saida do echo para a entrada do programa (stdin), poderiamos usar o |. Assim:
echo -ne 'AAAAAAAA\x67\x45\x23\x01' | ./meuprograma
Ou também escrever esses dados a serem enviados (payload) em um arquivo e redirecioná-lo para o programa:
echo -ne 'AAAAAAAA\x67\x45\x23\x01' > payload.txt ./meuprograma < payload.txt
Esse segundo método é especialmente útil quando estamos usando o gdb, já que não conseguimos usar o | dentro dele. No gdb, o comando para redirecionar esse payload.txt seria:
run < payload.txt
Dessa forma, temos todas as ferramentas necessárias para explorar um stack buffer overflow.
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