For it isn’t by size that you win or fail

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本篇文章是備份自我之前上 Jserv 老師的課程作業內容
並加以修改排版內容
完整內容在 2021q1 Homework1 (quiz1)

Introduction to ASLR

ASLR 是一種電腦資訊安全的技巧，避免 memory corruption 等各種資安問題。ASLR 機制隨機分配 process 的地址(stack, heap, libraries)，使得地址變得難以預測

要注意 ASLR 僅是一種針對攻擊的 mitigation，並不能避免資安問題 comment by HexRabbit

舉例來說 return-to-libc attacks 一般應用於 buffer overflow attack 中; 攻擊手法為將 stack 中的返回地址替換為其他地址。使用 ASLR 可以讓 stack 的地址變得不可預測，使得攻擊變得更加困難

ASLR 0: 關閉
ASLR 1: Conservative Randomization
ASLR 2: Full Randomization

PIE

Position-independent executable(PIE) 又稱作 PIC，通常搭配 ASLR 使用，達到 address space layout randomization

Experiment

考慮以下實驗結果

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$ gcc -no-pie a.c
$ ./a.out &
$ cat /proc/PID/maps

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ASLR 1, no PIE

00400000-00401000 r--p 00000000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00401000-00402000 r-xp 00001000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00402000-00403000 r--p 00002000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00403000-00404000 r--p 00002000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00404000-00405000 rw-p 00003000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00405000-00426000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
7f425fac9000-7f425faee000 r--p 00000000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f425faee000-7f425fc66000 r-xp 00025000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f425fc66000-7f425fcb0000 r--p 0019d000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f425fcb0000-7f425fcb1000 ---p 001e7000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f425fcb1000-7f425fcb4000 r--p 001e7000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f425fcb4000-7f425fcb7000 rw-p 001ea000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f425fcb7000-7f425fcbd000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f425fcc5000-7f425fcc6000 r--p 00000000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f425fcc6000-7f425fce9000 r-xp 00001000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f425fce9000-7f425fcf1000 r--p 00024000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f425fcf2000-7f425fcf3000 r--p 0002c000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f425fcf3000-7f425fcf4000 rw-p 0002d000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f425fcf4000-7f425fcf5000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffe726da000-7ffe726fb000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffe7271c000-7ffe7271f000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffe7271f000-7ffe72721000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]

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ASLR 1, no PIE
00400000-00401000 r--p 00000000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00401000-00402000 r-xp 00001000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00402000-00403000 r--p 00002000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00403000-00404000 r--p 00002000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00404000-00405000 rw-p 00003000 08:10 40308                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00405000-00426000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
7f0600b54000-7f0600b79000 r--p 00000000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f0600b79000-7f0600cf1000 r-xp 00025000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f0600cf1000-7f0600d3b000 r--p 0019d000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f0600d3b000-7f0600d3c000 ---p 001e7000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f0600d3c000-7f0600d3f000 r--p 001e7000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f0600d3f000-7f0600d42000 rw-p 001ea000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f0600d42000-7f0600d48000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f0600d50000-7f0600d51000 r--p 00000000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f0600d51000-7f0600d74000 r-xp 00001000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f0600d74000-7f0600d7c000 r--p 00024000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f0600d7d000-7f0600d7e000 r--p 0002c000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f0600d7e000-7f0600d7f000 rw-p 0002d000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f0600d7f000-7f0600d80000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffff7f2b000-7ffff7f4c000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffff7f93000-7ffff7f96000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffff7f96000-7ffff7f98000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]

可以看到 heap 的位置，兩者是一樣的 00405000-00426000

c.f 64 位元下，no PIE 起點為 0x00400000 c.f 32 位元下，no PIE 起點為 0x08048000

gcc 預設 PIE 是開啟的，需使用 -no-pie 關閉，參見 gcc/defaults.h

关于 Linux 下 ASLR 与 PIE 的一些理解

ASLR Entropy

參考 Performance and Entropy of Various ASLR Implementations，分析 ASLR 的 entropy，考慮 stack pointer 的位置 考慮以下程式碼

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static volatile void* getsp(void)
{
    volatile void *sp;
    __asm__ __volatile__ ("movq %%rsp,%0" : "=r" (sp) : /* No input */);
    return sp;
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
	printf("sp: %p\n", getsp());
	while (1);

	return 0;
}

得到以下執行結果

1

sp: 0x7ffeb6b5bd10

對照 /proc/PID/maps

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00400000-00401000 r--p 00000000 08:10 40306                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00401000-00402000 r-xp 00001000 08:10 40306                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00402000-00403000 r--p 00002000 08:10 40306                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00403000-00404000 r--p 00002000 08:10 40306                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00404000-00405000 rw-p 00003000 08:10 40306                              /home/ambersun/ASLR/a.out
00405000-00426000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
7f14bdaaf000-7f14bdad4000 r--p 00000000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f14bdad4000-7f14bdc4c000 r-xp 00025000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f14bdc4c000-7f14bdc96000 r--p 0019d000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f14bdc96000-7f14bdc97000 ---p 001e7000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f14bdc97000-7f14bdc9a000 r--p 001e7000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f14bdc9a000-7f14bdc9d000 rw-p 001ea000 08:10 37132                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f14bdc9d000-7f14bdca3000 rw-p 00000000 00:00 0 
7f14bdcab000-7f14bdcac000 r--p 00000000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f14bdcac000-7f14bdccf000 r-xp 00001000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f14bdccf000-7f14bdcd7000 r--p 00024000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f14bdcd8000-7f14bdcd9000 r--p 0002c000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f14bdcd9000-7f14bdcda000 rw-p 0002d000 08:10 36843                      /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f14bdcda000-7f14bdcdb000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffeb6b3c000-7ffeb6b5d000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffeb6bd4000-7ffeb6bd7000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffeb6bd7000-7ffeb6bd9000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]

不難發現 sp 的位置有一點誤差，我想這也是可接受的範圍內(0x7ffeb6b5d000, 0x7ffeb6b5bd10) 值得注意的是，上述 16 進位輸出共有 48 位元，而不是 64 位元 可參考 why virtual address are 48 bits not 64 bits? [duplicate]

多次實驗觀察 stack pointer 可得以下結果

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sp: 0x7fff296fa310
sp: 0x7fffd5825950
sp: 0x7ffc725181d0
sp: 0x7ffe6da0dfc0
sp: 0x7ffcd8fc69d0
...

可以發現到這些 virtual address 的 MSB 部分都是相同，而最後 4 bits 都是 0。這也就是為甚麼論文中實驗並不採用全部位元的原因

For Debian, we observed 30 bits of entropy in the stack.
This was bits 4 to 34 (least significant to most significant)

有興趣的話也可以觀察看看 libc 或相關 library 的地址在開啟 ASLR 下有多少 bits 的 entropy
comment by HexRabbit

Experiment

考慮以下測試程式碼

  • main.c 
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    int main(int argc, const char *argv[]) {
  if (fork() == 0) {
      char *str[] = {"./test", NULL, NULL};
      char *envp[] = {0};
      if (execve("./test", str, envp) < 0) {
          perror("error");
          exit(0);
      }
  }
  return 0;
}
  • test.c 
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    int main(int argc, const char *argv[]) {
  register void *p asm("sp");
  printf("%p\n", p);

  return 0;
}

為了驗證 ASLR 的 entropy，我參照論文設計了一個簡單的實驗，內容是取得 stack pointer 的位置去分析(搭配 execve 以及 fork) 根據 man execve

execve() executes the program referred to by pathname. This causes the program that is currently being run by the calling process to be replaced with a new program, with newly initialized stack, heap, and (initialized and uninitialized) data segments.

execve 會重新 new stack, heap 以及 data 區塊，藉由分析 stack pointer 我們可以知道 ASLR 的 entropy。這次實驗總共測試 1000000(一百萬) 次，分別在 32 位元(raspberry pi zero wh(rapbian))，以及 64 位元(ubuntu 20.04 LTS) 下測試 完整程式碼可參考 linux2021q1_quiz1/ASLR

64 位元

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地址: 重複次數
...
0x7ffeb9c5d880: 2
0x7fff0baab970: 2
0x7ffeada07720: 2
0x7ffdcce3da80: 2
0x7ffe8c644020: 2
0x7ffec6822460: 2
0x7ffe54d41c80: 2
0x7fffe12b40a0: 2
0x7ffda39f9960: 2
0x7fff7dabd5a0: 2
0x7ffcdb205a70: 3

總共統計結果

1
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重複次數: 有多少地址重複n次
1: 999083
2: 457
3: 1

在1百萬重複次數中，僅有 917(457*2+1*3) 個地址重複到

32 位元

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地址: 重複次數
...
0xbea55dd8: 544
0xbec38dd8: 545
0xbeb92dd8: 545
0xbeb4fdd8: 545
0xbeb1ddd8: 545
0xbea92dd8: 547
0xbee5cdd8: 549
0xbeaf1dd8: 551
0xbe9dedd8: 553
0xbe931dd8: 556
0xbeec9dd8: 559
0xbe927dd8: 566
0xbeb1fdd8: 570
0xbe992dd8: 572

可以看到在 32 位元架構下，重複機率很高，意味著攻擊者相較於 64 位元架構中，更容易猜到地址。

更改過的程式碼如下:

1
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11
12

int main(int argc, char **argv) {
    int *tmp = (int *)malloc(sizeof(int));
    int a = (intptr_t)tmp;
    srand(a);
    free(tmp);

    size_t count = 20;

    node_t *list = NULL;
    while (count--) {
        list = list_make_node_t(list, random() % 1024);
    }

首先 malloc 一個空間出來，將其地址轉為儲存起來，使用 intptr_t 強制轉型(將 pointer 轉型為 integer)，並且使用其作為亂數種子，使用完之後當然要把他 free 掉避免 memory leak。

TODO: 回顧 「Linux 核心設計」 課程說明 (2021年春季) 第 19 頁，嘗試學習早期 mimalloc 運用 ASLR 的手法。
comment by jserv

考慮 ASLR 以及 PIE 可以將程式改寫如下，參考 mimalloc/random.c

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int main(int argc, char **argv) {
    srand((uintptr_t)&main);
    size_t count = 20;
    node_t *list = NULL;
    while (count--) {list = list_make_node_t(list, random() % 1024);
}

執行結果如下

1
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$ ./a.out
568087200
NOT IN ORDER : 537 827 166 485 66 417 108 305 462 893 98 688 814 861 422 513 477 327 237 170 
    IN ORDER : 66 98 108 166 170 237 305 327 417 422 462 477 485 513 537 688 814 827 861 893
$ ./a.out
-1303850336
NOT IN ORDER : 111 782 625 900 491 356 273 901 803 125 278 511 612 108 51 450 278 473 436 495 
    IN ORDER : 51 108 111 125 273 278 278 356 436 450 473 491 495 511 612 625 782 803 900 901

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