GCC栈溢出保护

Posted 2020-07-31

逆向过elf程序都知道，GCC的canary，x86_64下从fs:0x28偏移处获取，32位下从gs:0x14偏移处获取。但知道canary如何产生，为什么在这里取的人比较少。
下面以x86_64平台为例，通过glibc源码分析一下。
看第一个问题：为什么从%fs:0x28处取。%fs寄存器被glibc定义为存放tls信息，查看tls结构：

typedef struct
{
        void *tcb;        /* Pointer to the TCB.  Not necessarily the
                             thread descriptor used by libpthread.  */
        dtv_t *dtv;
        void *self;        /* Pointer to the thread descriptor.  */
        int multiple_threads;
        int gscope_flag;
        uintptr_t sysinfo;
        uintptr_t stack_guard;   /* canary，0x28偏移 */
        uintptr_t pointer_guard;
        ……
} tcbhead_t;

可以看到%fs:0x28实际取的是当前线程控制块的stack_guard变量，这个变量在线程创建时已经固定。下面看第二个问题，stack_guard如何赋值的。

Linux加载器完成elf加载后，会将入口设置为_start，并在栈上为_start提供入参。_start的代码在sysdeps/x86_64/start.S文件中。

_start从栈上取参数，然后调用__libc_start_main()函数，这个函数也是在main()函数之前执行：

58 ENTRY (_start)
 59         /* Clearing frame pointer is insufficient, use CFI.  */
 60         cfi_undefined (rip)
 61         /* Clear the frame pointer.  The ABI suggests this be done, to mark
 62            the outermost frame obviously.  */
 63         xorl %ebp, %ebp
 64
 65         /* Extract the arguments as encoded on the stack and set up
 66            the arguments for __libc_start_main (int (*main) (int, char **, char **),
 67                    int argc, char *argv,
 68                    void (*init) (void), void (*fini) (void),
 69                    void (*rtld_fini) (void), void *stack_end).
 70            The arguments are passed via registers and on the stack:
 71         main:           %rdi
 72         argc:           %rsi
 73         argv:           %rdx
 74         init:           %rcx
 75         fini:           %r8
 76         rtld_fini:      %r9
 77         stack_end:      stack.  */

__libc_start_main()首先以_dl_random这个全局变量为入参，生成canary，然后通过THREAD_SET_STACK_GUARD宏将canary赋值给tls的stack_guard变量。

198   /* Set up the stack checker‘s canary.  */
199   uintptr_t stack_chk_guard = _dl_setup_stack_chk_guard (_dl_random);
200 # ifdef THREAD_SET_STACK_GUARD
201   THREAD_SET_STACK_GUARD (stack_chk_guard);
202 # else
203   __stack_chk_guard = stack_chk_guard;
204 # endif

看下_dl_random哪里来的，在glibc源码中，有2处但实现大致相同：

126 /* Random data provided by the kernel.  */
127 void *_dl_random;
288       case AT_RANDOM:
289         _dl_random = (void *) av->a_un.a_val;

注意av这个变量，逆向跟踪发现其最终来自__libc_start_main()的argv参数。也就是_dl_random是由加载器提供的。而AT_RANDOM表示内核提供了接口，支持canary的随机数生成。可以使用下面命令查看：

[email protected] :~/glibc-2.22$ LD_SHOW_AUXV=1 /bin/true grep AT_RANDOM
AT_RANDOM:       0x7fffdaf776e9

看下实际代码中，这个内核接口指的是什么，canary值又如何取。

rand_size = CONFIG_SECURITY_AUXV_RANDOM_SIZE * sizeof(unsigned long);
u_rand_bytes = NULL;
if (rand_size) {
        unsigned char k_rand_bytes[CONFIG_SECURITY_AUXV_RANDOM_SIZE * sizeof(unsigned long)];
        get_random_bytes(k_rand_bytes, rand_size);

        u_rand_bytes = (elf_addr_t __user *)STACK_ALLOC(p, rand_size);
        if (__copy_to_user(u_rand_bytes, k_rand_bytes, rand_size))
                return -EFAULT;
}

发现在内核中通过get_random_bytes()接口产生，并copy_to_user()到用户空间。而内核中的安全随机数，也推荐使用get_random_bytes()生成。下面看下实现：

//http://lxr.free-electrons.com/source/drivers/char/random.c

void get_random_bytes(void *buf, int nbytes)
{
#if DEBUG_RANDOM_BOOT > 0
        if (unlikely(nonblocking_pool.initialized == 0))
                printk(KERN_NOTICE "random: %pF get_random_bytes called "
                       "with %d bits of entropy available\n",
                       (void *) _RET_IP_,
                       nonblocking_pool.entropy_total);
#endif
        trace_get_random_bytes(nbytes, _RET_IP_);
        extract_entropy(&nonblocking_pool, buf, nbytes, 0, 0);
}
EXPORT_SYMBOL(get_random_bytes);

而看一下read /dev/urandom的内核实现：

static ssize_t
urandom_read(struct file *file, char __user *buf, size_t nbytes, loff_t *ppos)
{
        int ret;

        if (unlikely(nonblocking_pool.initialized == 0))
                printk_once(KERN_NOTICE "random: %s urandom read "
                            "with %d bits of entropy available\n",
                            current->comm, nonblocking_pool.entropy_total);


        nbytes = min_t(size_t, nbytes, INT_MAX >> (ENTROPY_SHIFT + 3));
        ret = extract_entropy_user(&nonblocking_pool, buf, nbytes);

        trace_urandom_read(8 * nbytes, ENTROPY_BITS(&nonblocking_pool),
                           ENTROPY_BITS(&input_pool));

        return ret;
}

可以看到get_random_bytes()与read /dev/urandom实现是相同的，都是通过extract_entropy*从"entropy pool"中取的随机数。只不过一个在内核空间用，将结果返回到一块内核buffer，一个在用户空间使用，将结果返回到一块用户buffer。

下面再来看下，程序中如何使用这个canary。分析a()函数：

void a() {
        int a = 3;
        char str[16];
}

x86_64平台汇编如下：

(gdb) disass a
Dump of assembler code for function a:
   0x000000000040055d <+0>:     push   %rbp
   0x000000000040055e <+1>:     mov    %rsp,%rbp
   0x0000000000400561 <+4>:     sub    $0x30,%rsp
   0x0000000000400565 <+8>:     mov    %fs:0x28,%rax
   0x000000000040056e <+17>:    mov    %rax,-0x8(%rbp)
   0x0000000000400572 <+21>:    xor    %eax,%eax
   0x0000000000400574 <+23>:    movl   $0x3,-0x24(%rbp)   ;变量重排，a的地址低于str地址
   0x000000000040057b <+30>:    mov    -0x8(%rbp),%rax
   0x000000000040057f <+34>:    xor    %fs:0x28,%rax
   0x0000000000400588 <+43>:    je     0x40058f <a+50>
   0x000000000040058a <+45>:    callq  0x400440 <[email protected]>
   0x000000000040058f <+50>:    leaveq
   0x0000000000400590 <+51>:    retq
End of assembler dump.

可以看到，GCC的栈保护还实现了变量重排。但与微软实现不同，GCC取出canary后并没有与ebp异或，直接放到栈上。也就是说，同一线程中，所有的canary值都是相同的，通过调试验证也中如此：

Breakpoint 1, 0x000000000040056e in a () at 1.c:4
4       void a() {
(gdb) p/x $rax
$1 = 0xc609d364696f6000
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 2, 0x00000000004005a2 in b () at 1.c:9
9       void b() {
(gdb) p/x $rax
$2 = 0xc609d364696f6000
(gdb) c
Continuing.

Breakpoint 1, 0x000000000040056e in a () at 1.c:4
4       void a() {
(gdb) p/x $rax
$3 = 0xc609d364696f6000
(gdb)