linux程序的常用保护机制

转自：https://introspelliam.github.io/2017/09/30/linux%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E7%9A%84%E5%B8%B8%E7%94%A8%E4%BF%9D%E6%8A%A4%E6%9C%BA%E5%88%B6/

操作系统提供了许多安全机制来尝试降低或阻止缓冲区溢出攻击带来的安全风险，包括DEP、ASLR等。在编写漏洞利用代码的时候，需要特别注意目标进程是否开启了DEP（Linux下对应NX）、ASLR（Linux下对应PIE）等机制，例如存在DEP（NX）的话就不能直接执行栈上的数据，存在ASLR的话各个系统调用的地址就是随机化的。

一、checksec

checksec是一个脚本软件，也就是用脚本写的一个文件，不到2000行，可用来学习shell。

源码参见

http://www.trapkit.de/tools/checksec.html

https://github.com/slimm609/checksec.sh/

下载方法之一为

wget https://github.com/slimm609/checksec.sh/archive/1.6.tar.gz

checksec到底是用来干什么的？

它是用来检查可执行文件属性，例如PIE, RELRO, PaX, Canaries, ASLR, Fortify Source等等属性。

checksec的使用方法：

checksec –file /usr/sbin/sshd

一般来说，如果是学习二进制漏洞利用的朋友，建议大家使用gdb里peda插件里自带的checksec功能，如下：

下面我们就图中各个保护机制进行一个大致的了解。

二、CANNARY(栈保护)

这个选项表示栈保护功能有没有开启。

栈溢出保护是一种缓冲区溢出攻击缓解手段，当函数存在缓冲区溢出攻击漏洞时，攻击者可以覆盖栈上的返回地址来让shellcode能够得到执行。当启用栈保护后，函数开始执行的时候会先往栈里插入cookie信息，当函数真正返回的时候会验证cookie信息是否合法，如果不合法就停止程序运行。攻击者在覆盖返回地址的时候往往也会将cookie信息给覆盖掉，导致栈保护检查失败而阻止shellcode的执行。在Linux中我们将cookie信息称为canary。

gcc在4.2版本中添加了-fstack-protector和-fstack-protector-all编译参数以支持栈保护功能，4.9新增了-fstack-protector-strong编译参数让保护的范围更广。

因此在编译时可以控制是否开启栈保护以及程度，例如：

gcc -o test test.c                        // 默认情况下，不开启Canary保护
gcc -fno-stack-protector -o test test.c  //禁用栈保护
gcc -fstack-protector -o test test.c   //启用堆栈保护，不过只为局部变量中含有 char 数组的函数插入保护代码
gcc -fstack-protector-all -o test test.c //启用堆栈保护，为所有函数插入保护代码

三、FORTIFY

fority其实非常轻微的检查，用于检查是否存在缓冲区溢出的错误。适用情形是程序采用大量的字符串或者内存操作函数，如memcpy，memset，stpcpy，strcpy，strncpy，strcat，strncat，sprintf，snprintf，vsprintf，vsnprintf，gets以及宽字符的变体。

_FORTIFY_SOURCE设为1，并且将编译器设置为优化1(gcc -O1)，以及出现上述情形，那么程序编译时就会进行检查但又不会改变程序功能

_FORTIFY_SOURCE设为2，有些检查功能会加入，但是这可能导致程序崩溃。

gcc -D_FORTIFY_SOURCE=1 仅仅只会在编译时进行检查 (特别像某些头文件 #include <string.h>)

gcc -D_FORTIFY_SOURCE=2 程序执行时也会有检查 (如果检查到缓冲区溢出，就终止程序)

举个例子可能简单明了一些：
一段简单的存在缓冲区溢出的C代码

void fun(char *s) {
        char buf[0x100];
        strcpy(buf, s);
        /* Don't allow gcc to optimise away the buf */
        asm volatile("" :: "m" (buf));
}

用包含参数-U_FORTIFY_SOURCE编译

08048450 <fun>:
  push   %ebp               ; 
  mov    %esp,%ebp
  sub    $0x118,%esp        ; 将0x118存储到栈上
  mov    0x8(%ebp),%eax     ; 将目标参数载入eax
  mov    %eax,0x4(%esp)     ; 保存目标参数
  lea    -0x108(%ebp),%eax  ; 数组buf
  mov    %eax,(%esp)        ; 保存
  call   8048320 <strcpy@plt>
  leave                     ; 
  ret

用包含参数-D_FORTIFY_SOURCE=2编译

08048470 <fun>:
  push   %ebp               ; 
  mov    %esp,%ebp
  sub    $0x118,%esp        ; 
  movl   $0x100,0x8(%esp)   ; 把0x100当作目标参数保存
  mov    0x8(%ebp),%eax     ; 
  mov    %eax,0x4(%esp)     ; 
  lea    -0x108(%ebp),%eax  ; 
  mov    %eax,(%esp)        ; 
  call   8048370 <__strcpy_chk@plt>
  leave                      ; 
  ret

我们可以看到gcc生成了一些附加代码，通过对数组大小的判断替换strcpy, memcpy, memset等函数名，达到防止缓冲区溢出的作用。

总结下就有:

gcc -o test test.c                            // 默认情况下，不会开这个检查
gcc -D_FORTIFY_SOURCE=1 -o test test.c        // 较弱的检查
gcc -D_FORTIFY_SOURCE=2 -o test test.c        // 较强的检查

四、NX（DEP）

NX即No-eXecute（不可执行）的意思，NX（DEP）的基本原理是将数据所在内存页标识为不可执行，当程序溢出成功转入shellcode时，程序会尝试在数据页面上执行指令，此时CPU就会抛出异常，而不是去执行恶意指令。

工作原理如图：

gcc编译器默认开启了NX选项，如果需要关闭NX选项，可以给gcc编译器添加-z execstack参数。
例如：

gcc -o test test.c                    // 默认情况下，开启NX保护
gcc -z execstack -o test test.c        // 禁用NX保护
gcc -z noexecstack -o test test.c    // 开启NX保护

在Windows下，类似的概念为DEP（数据执行保护），在最新版的Visual Studio中默认开启了DEP编译选项。

五、PIE（ASLR）

PIE和ASLR不是一样的作用，ASLR只能对堆、栈和mmap随机化，而不能对如代码段，数据段随机化，使用PIE+ASLR则可以对代码段和数据段随机化。

一般情况下NX（Windows平台上称其为DEP）和地址空间分布随机化（ASLR）会同时工作。

内存地址随机化机制（address space layout randomization)，有以下三种情况

0 - 表示关闭进程地址空间随机化。
1 - 表示将mmap的基址，stack和vdso页面随机化。
2 - 表示在1的基础上增加栈（heap）的随机化。

可以防范基于Ret2libc方式的针对DEP的攻击。ASLR和DEP配合使用，能有效阻止攻击者在堆栈上运行恶意代码。

Built as PIE：位置独立的可执行区域（position-independent executables）。这样使得在利用缓冲溢出和移动操作系统中存在的其他内存崩溃缺陷时采用面向返回的编程（return-oriented programming）方法变得难得多。

liunx下关闭PIE的命令如下：

sudo -s echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

gcc编译命令

gcc -o test test.c                // 默认情况下，不开启PIE
gcc -fpie -pie -o test test.c        // 开启PIE，此时强度为1
gcc -fPIE -pie -o test test.c        // 开启PIE，此时为最高强度2
gcc -fpic -o test test.c        // 开启PIC，此时强度为1，不会开启PIE
gcc -fPIC -o test test.c        // 开启PIC，此时为最高强度2，不会开启PIE

说明：
PIE最早由RedHat的人实现，他在连接起上增加了-pie选项，这样使用-fPIE编译的对象就能通过连接器得到位置无关可执行程序。fPIE和fPIC有些不同。可以参考Gcc和Open64中的-fPIC选项.

gcc中的-fpic选项，使用于在目标机支持时，编译共享库时使用。编译出的代码将通过全局偏移表(Global Offset
Table)中的常数地址访存，动态装载器将在程序开始执行时解析GOT表项(注意，动态装载器操作系统的一部分，连接器是GCC的一部分)。而gcc中的-fPIC选项则是针对某些特殊机型做了特殊处理，比如适合动态链接并能避免超出GOT大小限制之类的错误。而Open64仅仅支持不会导致GOT表溢出的PIC编译。

gcc中的-fpie和-fPIE选项和fpic及fPIC很相似，但不同的是，除了生成为位置无关代码外，还能假定代码是属于本程序。通常这些选项会和GCC链接时的-pie选项一起使用。fPIE选项仅能在编译可执行码时用，不能用于编译库。所以，如果想要PIE的程序，需要你除了在gcc增加-fPIE选项外，还需要在ld时增加-pie选项才能产生这种代码。即gcc -fpie -pie来编译程序。单独使用哪一个都无法达到效果。

六、RELRO

在Linux系统安全领域数据可以写的存储区就会是攻击的目标，尤其是存储函数指针的区域。 所以在安全防护的角度来说尽量减少可写的存储区域对安全会有极大的好处.

GCC, GNU linker以及Glibc-dynamic linker一起配合实现了一种叫做relro的技术: read only relocation。大概实现就是由linker指定binary的一块经过dynamic linker处理过 relocation之后的区域为只读.

设置符号重定向表格为只读或在程序启动时就解析并绑定所有动态符号，从而减少对GOT（Global Offset Table）攻击。RELRO为” Partial RELRO”，说明我们对GOT表具有写权限。

gcc编译：

gcc -o test test.c                        // 默认情况下，是Partial RELRO
gcc -z norelro -o test test.c            // 关闭，即No RELRO
gcc -z lazy -o test test.c                // 部分开启，即Partial RELRO
gcc -z now -o test test.c                // 全部开启，即

七、总结

各种安全选择的编译参数如下：

• NX：-z execstack / -z noexecstack (关闭 / 开启)
• Canary：-fno-stack-protector /-fstack-protector / -fstack-protector-all (关闭 / 开启 / 全开启)
• PIE：-no-pie / -pie (关闭 / 开启)
• RELRO：-z norelro / -z lazy / -z now (关闭 / 部分开启 / 完全开启)