GCC 中的编译器堆栈保护技术

以堆栈溢出为代表的缓冲区溢出已成为最为普遍的安全漏洞。由此引发的安全问题比比皆是。早在 1988 年，美国康奈尔大学的计算机科学系研究生莫里斯 (Morris) 利用 UNIX fingered 程序的溢出漏洞，写了一段恶意程序并传播到其他机器上，结果造成 6000 台 Internet 上的服务器瘫痪，占当时总数的 10%。各种操作系统上出现的溢出漏洞也数不胜数。为了尽可能避免缓冲区溢出漏洞被攻击者利用，现今的编译器设计者已经开始在编译器层面上对堆栈进行保护。现在已经有了好几种编译器堆栈保护的实现，其中最著名的是 StackGuard 和 Stack-smashing Protection (SSP，又名 ProPolice）。

编译器堆栈保护原理

我们知道攻击者利用堆栈溢出漏洞时，通常会破坏当前的函数栈。例如，攻击者利用清单 1 中的函数的堆栈溢出漏洞时，典型的情况是攻击者会试图让程序往 name 数组中写超过数组长度的数据，直到函数栈中的返回地址被覆盖，使该函数返回时跳转至攻击者注入的恶意代码或 shellcode 处执行（关于溢出攻击的原理参见《Linux 下缓冲区溢出攻击的原理及对策》）。溢出攻击后，函数栈变成了图 2 所示的情形，与溢出前（图 1）比较可以看出原本堆栈中的 EBP，返回地址已经被溢出字符串覆盖，即函数栈已经被破坏。

清单 1. 可能存在溢出漏洞的代码

int vulFunc() { char name[10]; //… return 0; }

图 1. 溢出前的函数栈

图 2. 溢出后的函数栈

如果能在运行时检测出这种破坏，就有可能对函数栈进行保护。目前的堆栈保护实现大多使用基于 “Canaries” 的探测技术来完成对这种破坏的检测。

“Canaries” 探测：

要检测对函数栈的破坏，需要修改函数栈的组织，在缓冲区和控制信息（如 EBP 等）间插入一个 canary word。这样，当缓冲区被溢出时，在返回地址被覆盖之前 canary word 会首先被覆盖。通过检查 canary word 的值是否被修改，就可以判断是否发生了溢出攻击。

常见的 canary word：

Terminator canaries 由于绝大多数的溢出漏洞都是由那些不做数组越界检查的 C 字符串处理函数引起的，而这些字符串都是以 NULL 作为终结字符的。选择 NULL, CR, LF 这样的字符作为 canary word 就成了很自然的事情。例如，若 canary word 为 0x000aff0d，为了使溢出不被检测到，攻击者需要在溢出字符串中包含 0x000aff0d 并精确计算 canaries 的位置，使 canaries 看上去没有被改变。然而，0x000aff0d 中的 0x00 会使 strcpy() 结束复制从而防止返回地址被覆盖。而 0x0a 会使 gets() 结束读取。插入的 terminator canaries 给攻击者制造了很大的麻烦。 Random canaries 这种 canaries 是随机产生的。并且这样的随机数通常不能被攻击者读取。这种随机数在程序初始化时产生，然后保存在一个未被隐射到虚拟地址空间的内存页中。这样当攻击者试图通过指针访问保存随机数的内存时就会引发 segment fault。但是由于这个随机数的副本最终会作为 canary word 被保存在函数栈中，攻击者仍有可能通过函数栈获得 canary word 的值。 Random XOR canaries 这种 canaries 是由一个随机数和函数栈中的所有控制信息、返回地址通过异或运算得到。这样，函数栈中的 canaries 或者任何控制信息、返回地址被修改就都能被检测到了。

目前主要的编译器堆栈保护实现，如 Stack Guard，Stack-smashing Protection(SSP) 均把 Canaries 探测作为主要的保护技术，但是 Canaries 的产生方式各有不同。下面以 GCC 为例，简要介绍堆栈保护技术在 GCC 中的应用。

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GCC 中的堆栈保护实现

Stack Guard 是第一个使用 Canaries 探测的堆栈保护实现，它于 1997 年作为 GCC 的一个扩展发布。最初版本的 Stack Guard 使用 0x00000000 作为 canary word。尽管很多人建议把 Stack Guard 纳入 GCC，作为 GCC 的一部分来提供堆栈保护。但实际上，GCC 3.x 没有实现任何的堆栈保护。直到 GCC 4.1 堆栈保护才被加入，并且 GCC4.1 所采用的堆栈保护实现并非 Stack Guard，而是 Stack-smashing Protection（SSP，又称 ProPolice）。

SSP 在 Stack Guard 的基础上进行了改进和提高。它是由 IBM 的工程师 Hiroaki Rtoh 开发并维护的。与 Stack Guard 相比，SSP 保护函数返回地址的同时还保护了栈中的 EBP 等信息。此外，SSP 还有意将局部变量中的数组放在函数栈的高地址，而将其他变量放在低地址。这样就使得通过溢出一个数组来修改其他变量（比如一个函数指针）变得更为困难。

GCC 4.1 中三个与堆栈保护有关的编译选项

-fstack-protector：

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。

-fstack-protector-all：

启用堆栈保护，为所有函数插入保护代码。

-fno-stack-protector：

禁用堆栈保护。

GCC 中的 Canaries 探测

下面通过一个例子分析 GCC 堆栈保护所生成的代码。分别使用 -fstack-protector 选项和 -fno-stack-protector 编译清单2中的代码得到可执行文件 demo_sp (-fstack-protector)，demo_nosp (-fno-stack-protector)。

清单 2. demo.c

int main() { int i; char buffer[64]; i = 1; buffer[0] = 'a'; return 0; }

然后用 gdb 分别反汇编 demo_sp，deno_nosp。

清单 3. demo_nosp 的汇编代码

(gdb) disas main Dump of assembler code for function main: 0x08048344 <main+0>: lea 0x4(%esp),