Lý thuyết lỗi tràn bộ đệm
Trong các lĩnh vực an ninh máy tính và lập trình, một lỗi tràn bộ nhớ đệm hay gọi tắt là lỗi tràn bộ đệm là một lỗi lập trình có thể gây ra một ngoại lệ truy nhập bộ nhớ máy tính và chương trình bị kết thúc, hoặc khi người dùng có ý phá hoại, họ có thể lợi dụng lỗi này để phá vỡ an ninh hệ thống.
Lỗi tràn bộ đệm là một điều kiện bất thường khi một tiến trình lưu dữ liệu vượt ra ngoài biên của một bộ nhớ đệm có chiều dài cố định. Kết quả là dữ liệu đó sẽ đè lên các vị trí bộ nhớ liền kề.
Bạn Đang Xem: Lỗ hổng bảo mật Buffer overflow-lỗi tràn bộ đệm
Dữ liệu bị ghi đè có thể bao gồm các bộ nhớ đệm khác, các biến và dữ liệu điều khiển luồng chạy của chương trình (program flow control).Các lỗi tràn bộ đệm có thể làm cho một tiến trình đổ vỡ hoặc cho ra các kết quả sai. Các lỗi này có thể được kích hoạt bởi các dữ liệu vào được thiết kế đặc biệt để thực thi các đoạn mã phá hoại hoặc để làm cho chương trình hoạt động một cách không như mong đợi. Bằng cách đó, các lỗi tràn bộ đệm gây ra nhiều lỗ hổng bảo mật (vulnerability) đối với phần mềm và tạo cơ sở cho nhiều thủ thuật khai thác (exploit). Việc kiểm tra biên (bounds checking) đầy đủ bởi lập trình viên hoặc trình biên dịch có thể ngăn chặn các lỗi tràn bộ đệm.
Mô tả kỹ thuật
Một lỗi tràn bộ nhớ đệm xảy ra khi dữ liệu được viết vào một bộ nhớ đệm, mà do không kiểm tra biên đầy đủ nên đã ghi đè lên vùng bộ nhớ liền kề và làm hỏng các giá trị dữ liệu tại các địa chỉ bộ nhớ kề với vùng bộ nhớ đệm đó. Hiện tượng này hay xảy ra nhất khi sao chép một xâu ký tự từ một bộ nhớ đệm này sang một vùng bộ nhớ đệm khác.
Ví dụ cơ bản trong lỗi tràn bộ đệm
Trong ví dụ sau, một chương trình đã định nghĩa hai phần tử dữ liệu kề nhau trong bộ nhớ: A là một bộ nhớ đệm xâu ký tự dài 8 bytes, và B là một số nguyên kích thước 2 byte. Ban đầu, A chỉ chứa toàn các byte giá trị 0, còn B chứa giá trị 3. Các ký tự có kích thước 1 byte. Bây giờ, chương trình ghi một xâu ký tự “excessive” vào bộ đệm A, theo sau là một byte 0 để đánh dấu kết thúc xâu. Vì không kiểm tra độ dài xâu, nên xâu ký tự mới đã đè lên giá trị của B:
Tuy lập trình viên không có ý định sửa đổi B, nhưng giá trị của B đã bị thay thế bởi một số được tạo nên từ phần cuối của xâu ký tự. Trong ví dụ này, trên một hệ thống big-endian sử dụng mã ASCII, ký tự “e” và tiếp theo là một byte 0 sẽ trở thành số 25856.
Nếu B là phần tử dữ liệu duy nhất còn lại trong số các biến được chương trình định nghĩa, việc viết một xâu ký tự dài hơn nữa và vượt quá phần cuối của B sẽ có thể gây ra một lỗi chẳng hạn như segmentation fault (lỗi phân đoạn) và tiến trình sẽ kết thúc.
Tràn bộ đệm trên stack
Bên cạnh việc sửa đổi các biến không liên quan, hiện tượng tràn bộ đệm còn thường bị lợi dụng (khai thác) bởi tin tặc để làm cho một chương trình đang chạy thực thi một đoạn mã tùy ý được cung cấp. Các kỹ thuật để một tin tặc chiếm quyền điều khiển một tiến trình tùy theo vùng bộ nhớ mà bộ đệm được đặt tại đó. Ví dụ, vùng bộ nhớ stack, nơi dữ liệu có thể được tạm thời “đẩy” xuống “đỉnh” ngăn xếp (push), và sau đó được “nhấc ra” (pop) để đọc giá trị của biến. Thông thường, khi một hàm (function) bắt đầu thực thi, các phần tử dữ liệu tạm thời (các biến địa phương) được đẩy vào, và chương trình có thể truy nhập đến các dữ liệu này trong suốt thời gian chạy hàm đó. Không chỉ có hiện tượng tràn stack (stack overflow) mà còn có cả tràn heap (heap overflow).
Trong ví dụ sau, “X” là dữ liệu đã từng nằm tại stack khi chương trình bắt đầu thực thi; sau đó chương trình gọi hàm “Y”, hàm này đòi hỏi một lượng nhỏ bộ nhớ cho riêng mình; và sau đó “Y” gọi hàm “Z”, “Z” đòi hỏi một bộ nhớ đệm lớn:
Nếu hàm “Z” gây tràn bộ nhớ đệm, nó có thể ghi đè dữ liệu thuộc về hàm Y hay chương trình chính:
Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với hầu hết các hệ thống. Ngoài các dữ liệu thường, bộ nhớ stack còn lưu giữ địa chỉ trả về, nghĩa là vị trí của phần chương trình đang chạy trước khi hàm hiện tại được gọi. Khi hàm kết thúc, vùng bộ nhớ tạm thời sẽ được lấy ra khỏi stack, và thực thi được trao lại cho địa chỉ trả về. Như vậy, nếu địa chỉ trả về đã bị ghi đè bởi một lỗi tràn bộ đệm, nó sẽ trỏ tới một vị trí nào đó khác. Trong trường hợp một hiện tượng tràn bộ đệm không có chủ ý như trong ví dụ đầu tiên, hầu như chắc chắn rằng vị trí đó sẽ là một vị trí không hợp lệ, không chứa một lệnh nào của chương trình, và tiến trình sẽ đổ vỡ. Tuy nhiên, một kẻ tấn công có thể chỉnh địa chỉ trả về để trỏ tới một vị trí tùy ý sao cho nó có thể làm tổn hại an hinh hệ thống.
Mã nguồn ví dụ
Mã nguồn C dưới đây thể hiện một lỗi lập trình thường gặp. Sau khi được biên dịch, chương trình sẽ tạo ra một lỗi tràn bộ đệm nếu nó được gọi với một tham số dòng lệnh là một xâu ký tự quá dài, vì tham số này được dùng để ghi vào một bộ nhớ đệm mà không kiểm tra độ dài của nó.
************
/* overflow.c – demonstrates a buffer overflow */
Xem Thêm : Top 10 chiến lược vận hành trung tâm an ninh mạng
#include
Xem Thêm : Top 10 chiến lược vận hành trung tâm an ninh mạng
#include
Xem Thêm : Khái quát chung về bảo mật thông tin
int main(int argc, char *argv[])
{
char buffer[10];
if (argc < 2)
{
fprintf(stderr, “USAGE: %s string\n”, argv[0]);
return 1;
}
strcpy(buffer, argv[1]);
return 0;
}
************
Các xâu ký tự độ dài không quá 9 sẽ không gây tràn bộ đệm. Các xâu ký tự gồm từ 10 ký tự trở lên sẽ gây tràn bộ đệm: hiện tượng này luôn luôn là một lỗi sai nhưng không phải lúc nào cũng gây ra việc chương trình chạy sai hay gây lỗi segmentation faults.
Chương trình trên có thể được viết lại cho an toàn bằng cách sử dụng hàm strncpy như sau:
********
/* better.c – demonstrates one method of fixing the problem */
Xem Thêm : Top 10 chiến lược vận hành trung tâm an ninh mạng
#include
Xem Thêm : Top 10 chiến lược vận hành trung tâm an ninh mạng
#include
Xem Thêm : Khái quát chung về bảo mật thông tin
int main(int argc, char *argv[])
{
char buffer[10];
if (argc < 2)
{
fprintf(stderr, “USAGE: %s string\n”, argv[0]);
return 1;
}
strncpy(buffer, argv[1], sizeof(buffer));
buffer[sizeof(buffer) – 1] = ‘\0’;
return 0;
}
*******
Khai thác
Có các kỹ thuật khác nhau cho việc khai thác lỗi tràn bộ nhớ đệm, tùy theo kiến trúc máy tính, hệ điều hành và vùng bộ nhớ. Ví dụ, khai thác tại heap (dùng cho các biến cấp phát động) rất khác với việc khai thác các biến tại stack.
Khai thác lỗi tràn bộ đệm trên stack
Một người dùng thạo kỹ thuật và có ý đồ xấu có thể khai thác các lỗi tràn bộ đệm trên stack để thao túng chương trình theo một trong các cách sau: Ghi đè một biến địa phương nằm gần bộ nhớ đệm trong stack để thay đổi hành vi của chương trình nhằm tạo thuận lợi cho kẻ tấn công.
Ghi đè địa chỉ trả về trong một khung stack (stack frame). Khi hàm trả về, thực thi sẽ được tiếp tục tại địa chỉ mà kẻ tấn công đã chỉ rõ, thường là tại một bộ đệm chứa dữ liệu vào của người dùng.
Nếu không biết địa chỉ của phần dữ liệu người dùng cung cấp, nhưng biết rằng địa chỉ của nó được lưu trong một thanh ghi, thì có thể ghi đè lên địa chỉ trả về một giá trị là địa chỉ của một opcode mà opcode này sẽ có tác dụng làm cho thực thi nhảy đến phần dữ liệu người dùng. Cụ thể, nếu địa chỉ đoạn mã độc hại muốn chạy được ghi trong một thanh ghi R, thì một lệnh nhảy đến vị trí chứa opcode cho một lệnh jump R, call R (hay một lệnh tương tự với hiệu ứng nhảy đến địa chi ghi trong R) sẽ làm cho đoạn mã trong phần dữ liệu người dùng được thực thi. Có thể tìm thấy địa chỉ của các opcode hay các byte thích hợp trong bộ nhớ tại các thư viện liên kết động (DLL) hay trong chính file thực thi. Tuy nhiên, địa chỉ của opcode đó thường không được chứa một ký tự null (hay byte 0) nào, và địa chỉ của các opcode này có thể khác nhau tùy theo các ứng dụng và các phiên bản của hệ điều hành.Dự án Metapoloit là một trong các cơ sở dữ liệu chứa các opcode thích hợp, tuy rằng trong đó chỉ liệt kê các opcode trong hệ điều hành Microsoft Windows.
Khai thác lỗi tràn bộ đệm trên heap
Một hiện tượng tràn bộ đệm xảy ra trong khu vực dữ liệu heap được gọi là một hiện tượng tràn heap và có thể khai thác được bằng các kỹ thuật khác với các lỗi tràn stack. Bộ nhớ heap được cấp phát động bởi các ứng dụng tại thời gian chạy và thường chứa dữ liệu của chương trình. Việc khai thác được thực hiện bằng cách phá dữ liệu này theo các cách đặc biệt để làm cho ứng dụng ghi đè lên các cấu trúc dữ liệu nội bộ chẳng hạn các con trỏ của danh sách liên kết. Lỗ hổng của Microsoft JPG GDI+là một ví dụ gần đây về sự nguy hiểm mà một lỗi tràn heap.
Cản trở đối với các thủ thuật khai thác
Việc xử lý bộ đệm trước khi đọc hay thực thi nó có thể làm thất bại các cố gắng khai thác lỗi tràn bộ đệm. Các xử lý này có thể giảm bớt mối đe dọa của việc khai thác lỗi, nhưng có thể không ngăn chặn được một cách tuyệt đối. Việc xử lý có thể bao gồm: chuyển từ chữ hoa thành chữ thường, loại bỏ các ký tự đặt biệt (metacharacters) và lọc các xâu không chứa ký tự là chữ số hoặc chữ cái. Tuy nhiên, có các kỹ thuật để tránh việc lọc và xử lý này; alphanumeric code (mã gồm toàn chữ và số), polymorphic code (mã đa hình), Self-modifying code (mã tự sửa đổi) và tấn công kiểu return-to-libc.. Cũng chính các phương pháp này có thể được dùng để tránh bị phát hiện bởi các hệ thống phát hiện thâm nhập (Intrusion detection system).
Nguồn: https://giaiphapmangh3t.com
Danh mục: Security