针对内存溢出的经典安全防护策略之一的write-xor-execute
(W^X)最早是在什么时候开始应用的呢?根据维基百科的介绍,这个策略最初应该是在2003年5月在OpenBSD上部署,然后微软也很快跟进,在Windows XP上部署了名叫DEP的策略(年长的读者是否有印象~),而Linux从Linux Kernel 2.6.18-8(2006年9月,那时候还没这么多政治)开始也引入了相关的防护。这一晃已经过去了20多年,世界已经大变样,可是研究人员发现,即使现代的操作系统号称已经全面普及W^X(包括user space和kernel space),还是有很多旮旯里面依然存在可执行的栈内存(executable stack)。没想到吧?赶紧来读读今天这篇NDSS 2025论文——Too Subtle to Notice: Investigating Executable Stack Issues in Linux Systems
首先介绍一个叫做"BadAss"的概念:仔细观察下面这张图里面包含的两个不同的编译过程(都是把一个非常平常的hello_world.c
编译成可执行文件),两者唯一的区别是第二次编译时候引入了一个空文件a.s
,而这个看起来人畜无害的空文件居然让编译生成的可执行文件的stack变成了可读写且可执行,真是有点奇妙对不对?
当然这个问题绝非俄国间谍引入的漏洞,而且Linux社区至少不止一次小范围讨论过这个问题,而且你以为上面图中的例子是刻意制造出来的?错,这是现实世界中获得了3万+ star的GitHub开源项目CockroachDB的开发人员在某次代码提交中引入的问题(就是包含了一个空的.s文件,具体细节可以在 https://github.com/cockroachdb/cockroach/issues/37885 这里去查看讨论),要不是另一个开发人员好巧不巧在一台部署了SELinux的execmem
policy的机器上运行然后触发了错误,这个问题可能还一直没被发现。
从这个问题出发,我们今天介绍的论文展现了令人愉悦的阅读体验:和别的 八股 论文不一样的是,作者没有使用什么考研英语作文模板,而是像侦探小说一样去抽丝剥茧,一点点带着大家探寻BadAss这个问题的起因和现状,让人大受震撼。
首先,作者想要了解一下开发人员对这个问题的认识,但是估计找太多开发人员很麻烦,于是就 狡辩 指出我们应该去调查的是那些负责安全的开发者,如果他们都对这个问题不了解,那就说明大家基本上都忽视了BadAss这个issue,对不对?当然,你是不是以为接下来作者又要去采访一堆人(甚至又要看到那个什么codebook),那就又错了!我们亲爱的作者把研究对象定为安全工具而不是它们的开发者,直接去分析那些以security为主要设计目标的程序。在本文中,作者把目标集中在一类叫做Inlined Reference Monitor(IRM)的工具,实际上就是代码插桩、代码注入这类工具(你确定你不是要去找rootkit?),因为作者觉得这类工具既然都已经要去保护别人的安全了,那肯定是要特别重视内存防护对不对?
作者设计了这么一个实验,先开发了一个开启了W^X防护的二进制代码,然后用IRM工具进行注入防护,再检查看看是否出现了executable stack,结果呢,上面表格里面竟然有超过一半的IRM工具中招(或者说害了别人)!究其原因,其实就是在IRM工具对二进制代码进行重写的时候,对于汇编文件(.s)忘了加入.note.GNU-stack
这么一个特殊的段,就会让重新编译出的二进制代码中的stack变得可写可执行!(不过据说在旧版的GCC工具链比如GCC 9.3.0上并不会产生这个效果,而GCC 12.1.1这种实际上会有一个warning信息 /usr/bin/ld: warning: trap.o: missing .note.GNU-stack section implies executable stack
提示用户)当然要修复这个问题也很简单,就是往汇编文件(.s)里面加上一句:
.section .note.GNU-stack,"",@progbits
当然,上面都只是一些简单的调查,接下来要进入到技术分析环节,我们在上课的时候(嗯,特别是某交通大学的《计算机系统安全》课)里面都会学到如下的编译流程:
但是在本文中,我们要看到的是更为细致的编译流程(Linux系统):
在这个复杂的流程中,各个环节都可能包含产生executable stack的情况,我们来详细看。首先是下面的一个代码实例:
在这个代码实例中,由于所谓的nested function(在函数f里面还定义了一个函数g,记得当年好像刚从pascal转到C的时候,我就会这么写代码…… 注意,这个并不是规范的C和C语法,只有GNU C这个奇怪的扩展才会支持,甚至GNU C都不支持)的引入,GCC非得让stack变得可执行,还专门在生成的.s里面进行了如下标记(注意到里面的那个扎眼的x):
.section .note.GNU-stack,“x”,@progbits
GNU的汇编器AS
在处理那些手写的汇编代码(.s文件)时候,必须要人工指定--execstack
或者--noexecstack
选项,如果不指定的话,默认就只看代码里面.note.GNU-stack
后面跟的描述是否为空(或者说有没有找到.note.GNU-stack
)。只要.note.GNU-stack
的描述不为空或者没找到.note.GNU-stack
,就会产生executable stack,这也是论文一开始那个例子的问题所在。
进入到链接环节, GNU的链接器LD
在链接多个不同的object文件(这里面可能都显式指定了.note.GNU-stack
,也可能都没有,或者部分指定了)时候,情况非常复杂,下面这个表算是一个可供查询的“真值表”,具体的解释大家可以参考论文的Section V.C:
然后进入到可执行文件加载到内存的阶段,首先看看主可执行文件的加载,这个阶段主要是由Linux内核来负责加载并设置stack的属性,可是这里作者发现了内核的一个“devastating feature”——允许把所有的可读的内存页(不光是stack)统统设置为可执行(设置为READ_IMPLIES_EXEC
这个特殊的属性)!为什么会有这么个炸裂的特性呢?内核开发者(你不能批评他们,也不能用科学实验告诉他们commit可能引入bug,但是他们可以删掉你)在这考虑了很多兼容情况,比如在ARMv6以及更早的CPU上没有NX bit支持等等。特别地,对于IRM工具改写过的二进制文件,由于它们大部分会设置PT_GNU_STACK
段里面的PF_X
flag,也会导致stack变成可执行!
最后是动态链接库的加载,loader在这一步对stack的属性设置既取决于动态库本身的PT_GNU_STACK
段里面的PF_?
flag的情况,同时也要考虑到主可执行文件的PT_GNU_STACK
段里面的PF_?
情况:
把所有这些情况综合起来,画成一张图,就是下面这幅图啦!用一个词总结,就是error-prone对不对?其实对于(我这种)读图困难的人,看看上面的文字解释反而更容易理解~
最后,作者还发散思维了一把:既然进行二进制代码的重写有可能误把W^X关掉,那么有没有可能同时也把其他一些安全加固措施也disable了呢?带着这个思路,作者去调查了PIE
、RELRO
、stack canary、FORTIFY_SOURCE
和Intel CET这几个安全防护特性,结果发现所研究的11个IRM工具里面,有三个会关闭掉FORTIFY_SOURCE
特性,而所有11个工具都会禁止Intel CET(这是和Intel有仇啊)!具体细节可以参考论文的Section VI哦
最后的最后,再多说一句,以后我们会在阅读推荐的末尾给出G.O.S.S.I.P对于一篇论文的推荐指数,其实也是想跟大家说,千万不要神话论文审稿人,他们跟你我一样。
G.O.S.S.I.P 推荐指数:strong accept
论文:https://huhong789.github.io/papers/ye:badass.pdf
原文始发于微信公众号(安全研究GoSSIP):G.O.S.S.I.P 阅读推荐 2024-10-24 To Write & To Execute
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