Błędy implementacji oprogramowania

1. Błędy implementacji oprogramowania Przemysław Targalski, Krzysztof Szcześniak

2. Błędy implementacji oprogramowania Błędy implementacji oprogramowania, to takie które popełnia nieświadomie programista, a z którymi skutkami musi najczęściej zmierzyć się administrator.

3. Rodzaje błędów implementacji • Buffer Overrun (przepełnienie bufora) • Nieprawidłowe zarządzanie pamięcią • Nieprawidłowa obróbka danych uzyskanych od użytkownika: • Format Strings w C (Ciągi formatujące) • Błędy aplikacji WWW • XSS • CSRF • SQL Injection

4. Buffer overrun • buffer overrun - błędy polegające na kontrolowanym nadpisywaniu przestrzeni adresowej procesu (np. stosu lub sterty) danymi, mogącymi zmienić przebieg wykonania procesu, np. poprzez modyfikację adresu powrotu funkcji lub wskaźnika do innej funkcji.

5. Buffer overrun • Wpisywanie większej ilości danych niż jest w stanie przechować bufor • Off-by-one error – wpisanie wartości pod n-tym indeksem w n-elementowej tablicy • Najbardziej narażone języki – C, C++ • Bezpieczne języki – Java, C#

6. Buffer overrun • Stack-based Overflows ( stack smashing ) – nadpisywanie danych na stosie • Heap-based Overflows – nadpisywanie danych na stercie

7. Stack-based Overflows • void overflow_function (char *str) { char buffer[20]; strcpy(buffer, str); }

8. Stack-based Overflows • Jeżeli bufor jest dostatecznie duży można go zapełnić złośliwym kodem, a do adresu powrotu wpisać adres tego bufora.

9. Stack-based Overflows • strcpy( char* dest, const char* src ); • strcat( char* dest, const char* src ); Obie funkcje zakładają że bufor dest ma wystarczający rozmiar aby zmieścić kopiowane dane. • sprintf() char buffer[512];sprintf(buffer, "Wrong command: %s\n", user);

10. Stack-based Overflows • Rozwiązanie (1) – dynamiczna alokacja pamięci: dest = (char *)malloc(strlen(source) + 1); if (dest) { strcpy(dest, source); } else { /* Błąd alokacji pamięci */ … } • Rozwiązanie (2) – bezpieczne odpowiedniki: strcpy_s( char*dest, size_t sizeInBytes, const char* source); strcat_s( char*dest, size_t sizeInBytes, const char* source);

11. Stack-based Overflows • gets(char* buffer); - pobiera dane ze standardowego wejścia. • Bezpieczne odpowiedniki: gets_s(buffer, sizeof(buffer)); fgets (buffer, sizeof(buffer), stdin);

12. Stack-based Overflows Sposoby ochrony: • Non-Executable Stacks • Address space layout randomization • Runtime Bounds Checkers • Canaries • StackGuard • Stack Smashing Protector (ProPolice) • Libsafe and LibVerify

13. Non-Executable Stacks • Zakaz wykonywania instrukcji znajdujących się na stosie lub stercie. • Blokada wykonywania istnieje od procesora 80286 na poziomie segmentów jednak nie przyjęła się. • Bity NX ("No eXecute„ - AMD) lub XD ("eXecute Disabled„ - Intel) – blokada na poziomie stron pamięci. Używane dopiero w Windows XP sp2 (Data Execution Prevention ) Exec Shield – patch dla linuxa • Nie uchroni przed atakami korzystającymi z bibliotek systemowych np „return-to-libc attack”

14. Address space layout randomization • Losowy rozkład przestrzeni adresowej • Dostarcza środków do wprowadzenia losowości do schematu adresowania wszystkich danych, które są ładowane do pamięci.

15. Runtime Bounds Checkers • C++ standardowo nie posiada takiej możliwości • DevPartner for Visual C++

16. Canaries • „Kanarki” – pewne informacje dodane pomiędzy buforem a ważnymi danymi np. adresem powrotu – jeżeli zostaną zmienione wiemy, że nastąpiło przepełnienie bufora. • Terminator canaries • Random canaries • Random XOR canaries

17. Canaries

18. StackGuard • Dodatek do kompilatora gcc 3.x • Dodaje własny kod do każdej funkcji • Używa „kanarka” obok adresu powrotu funkcji • Przed powrotem z funkcji sprawdza poprawność „kanarka”

19. Stack Smashing Protector (ProPolice) • Dodatek do gcc 3.x • Stworzony przez IBM, oparty na StackGuard • Używany w m.in. w OpenBSD • Możliwość użycia w gentoo po dopisaniu „hardened” do USE flags

20. Libsafe and LibVerify • Biblioteka wykrywająca przepełniania buforów w programach. Jest dołączana w sposób dynamiczny – nie trzeba nic rekompilować. • Przechwytuje wywołania niebezpiecznych funkcji (strcpy() itp.) i sprawdza czy nie nastąpiło przepełnienie, jeśli nastąpiło aplikacja jest zabijana.

21. Heap-based Overflows • Trudniejsze do wykrycia • Zależą od rodzaju danych zapisanych w pamięci • Podmiana informacji takich jak uprawnienia użytkownika lub ścieżki dostępu do pliku.

22. Heap-based Overflows • #include <stdio.h> • #include <stdlib.h> int main(int argc, char *argv[]) { FILE *fd; // Allocating memory on the heap char *userinput = malloc(20); char *outputfile = malloc(20); strcpy(outputfile, "/tmp/notes"); strcpy(userinput, argv[1]); fd = fopen(outputfile, "a"); if (fd == NULL) { fprintf(stderr, "error opening %s\n", outputfile); exit(1); } fprintf(fd, "%s\n", userinput); fclose(fd); return 0; }

23. Heap-based Overflows Sposoby ochrony: • DieHard • Electric fence

24. DieHard • Praktycznie eliminuje możliwość przepełnienia bufora na stercie. • Alokuje obiekty losowo w pamięci, zdala od siebie • Eliminuje błędy związane z podwójną dealokacją tego samego obszaru pamięci.

25. Electric fence • Biblioteka która po podlinkowaniu do programu przejmuje kontrolę nad zarządzaniem pamięcią. • Eliminuje możliwość nadpisania jednego bufora innym. • Każdy bufor jest alokowany na innej stronie. Wyjście poza bufor automatycznie zabija aplikację.

26. Buffer overrun • Niewykorzystane dziury Microsoft Security Bulletin MS04-028 Buffer Overrun in JPEG Processing (GDI+) Could Allow Code Execution (833987) Microsoft Security Bulletin MS03-023 Buffer Overrun In HTML Converter Could Allow Code Execution (823559)

27. Buffer overrun • Code Red – robak infekujący IIS GET /default.ida?NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN NNNNNNNNNNNNNNNNNNN %u9090%u6858%ucbd3%u7801%u9090%u6858%ucbd3%u7801 %u9090%u6858%ucbd3%u7801%u9090%u9090%u8190%u00c3 %u0003%u8b00%u531b%u53ff%u0078%u0000%u00=a HTTP/1.0

28. Buffer overrun • Blaster (2003)– wykorzystał dziurę w DCOM RCP – powodował restart komputera po ok. 60 sekundach od połączenia z Internetem. • Sasser (2004) – dziura w Local Security Authority Subsystem Service – losowe restarty komputera.

29. Format Strings w C • Częsty błąd przy wyświetlaniu tekstu gdy nie trzeba go formatować: char tekst[100]; fgets (tekst, sizeof(tekst), stdin); tekst[sizeof(tekst)-1]=‘\0’; printf(tekst); // źle printf(”%s”,tekst); //dobrze

30. Format Strings w C • Czy aby na pewno printf() tylko wyświetla? • %s – wyświetlanie łańcucha danych • %n – zapis ilości wypisanych do tej pory znaków pod wskazany adres w pamięci. • %d – wyświetlanie liczby całkowitej • %20d – wyświetlanie liczby całkowitej i ustawienie szerokości na 20 znaków (co pozwala dowolnie modyfikować ilość wyświetlonych znaków)

31. Zarządzanie pamięcią • Alokacja pamięci na typ/obiekt reprezentujący dany zasób • Inicjalizacja obiektu reprezentującego zasób - doprowadzenie go do stanu gotowości do użycia (utworzenie połączenia sieciowego, otwarcie pliku, wypełnienie buforów itp.) • Użycie (być może wielokrotne) zasobu reprezentowanego przez obiekt. • Zakończenie wykorzystania zasobu (zamknięcie połączenia sieciowego, zamknięcie pliku, opróżnienie buforów itp.) • Zwolnienie pamięci przydzielonej na obiekt reprezentujący zasób.

32. Zarządzanie pamięcią C/C++ kontra Java/.Net • C/C++ samodzielne wykonanie wszystkich powyższych czynności • Java/.Net zwalnia z części tych punktów: • Automatyczna alokacja pamięci (punkt 1) • Automatyczne oczyszczanie z niepotrzebnych obiektów(5) • Wiele typów zasobów nie wymaga żadnych dodatkowych zabiegów związanych z ich zwalnianiem(4)

33. Alokacja pamięci a typy • Typy bezpośrednie (dziedziczą po System.ValueType), alokowane są na stosie, a zwalnianie pamięci odbywa się automatycznie • Typy referencyjne (dziedziczą po System.Object ), alokowane są na stercie. W momencie uruchomienia tworzony jest wskaźnik alokacji (AllocPnt), pokazujący na adres w pamięci, pod którym zostanie utworzony następny obiekt.

34. Kiedy wywołujemy operator new : Sprawdzana jest wolna przestrzeń na stercie jeśli nie ma wystarczająco dużo miejsca - obszar sterty jest powiększany lub wykonywane jest jego porządkowanie - o tym w dalszej części artykułu jeśli wolny obszar sterty jest odpowiednio duży, środowisko uruchomieniowe wywołuje konstruktor klasy tworzonego obiektu, a operator new zwraca obiekt nowo utworzonego obiektu (równy aktualnej wartości AllocPnt) wartość wskaźnika AllocPnt zwiększana jest o wielkość pamięci przydzieloną nowo utworzonemu obiektowi Sterta

35. Sterta c.d. Po utworzeniu kilku obiektów sterta mogłaby wyglądać tak: W przypadku braku miejsca a czyszczenie i powiększanie pamięci nie daje rezultatów otrzymujemy wyjątek OutOfMemoryException.

36. Alokacja pamięci w C/C++ • Wolne obszary stery zapisywane są pod postacią listy wolnych obszarów • Kosztowna alokacja nowych bloków • wymaga przejrzenia listy wolnych bloków • znalezienia bloku o odpowiedniej wielkości • zmodyfikowania listy wolnych bloków tak, aby uwzględniała nowo zajęty obszar pamięci.

37. Alokacja pamięci .Net • Prostsza i szybsza niż w C/C++ gdyż wymaga jedynie inkrementacji jednego wskaźnika o odpowiednią wartość • Otrzymujemy porównywalną szybkość alokacji pamięci na stosie jak i na stercie

38. C/C++ błędy • Główny problem tzw. przeciek pamięci : • Spowodowany niezwalnianiem alokowanego obszaru • Samodzielne zwalnianie obiektu, dłużej nie potrzebnego. Przeciek wtedy gdy zasoby są źle zwolnione, a referenecja do obiektu utracona. • Brak mechanizmu garbage collector

39. Garbage Collector • Szybkie zaśmiecenie pamięci. Za odśmiecanie odpowiada gc. • GC zwalnia niepotrzebne obiekty • Nie zwalnia nie zarządzanych zasobów (np. otwartych plików, połączeń sieciowych)

40. Finalizator klasy • Instrukcje, jakie GC ma wykonać podczas tworzenia obiektu : class TextClass { // finalizator klasy: ~TextClass() { //zwalnianie zasobów } }

41. Kłopoty z finalizacją • Stworzenie obiektów z finalizatorami trwa dwa razy dłużej niż tworzenie obiektów zarządzanych (związane z wypełnieniem przez środowisko dodatkowych struktur) • Wywołania finalizatora spowalnia proces porządkowania pamięci. • Obiekty z finalizatorem zwalniane są później niż obiekty zarządzane –przedłuża sztucznie „życie” niepotrzebnych obiektów • Nie ma gwarancji co do kolejności niszczenia obiektów

42. Kolejność niszczenia obiektów

43. Ręczna finalizacja • W ogólności najlepiej unikać tworzenia klas, które wymagają finalizacji. • Problem w przypadku klas korzystających z plików, bądź połączeń sieciowych • Rozwiązanie: danie możliwości ręcznego zwolnienia zasobów. • W środowisku .Net odpowiadają za to dwie metody: • close() – wywołania zwalnia wszystkie zajęte zasoby (zamyka pliki, opróżnia bufory). Jest możliwość ponownego otwarcia pliku • dispose() - jej wykonanie na stałe odbiera możliwość pracy z obiektem. Wszystkie zajęte zasoby są zwalniane, a obiekt nie nadaje się już do wykorzystania.

44. Zarządzanie pamięcią - podsumowanie • Napisanie programu w taki sposób, żeby nie próbował on czytać bądź zapisywać pamięci mu nie przydzielonej. • Garbage Collector, któremu czasami trzeba „pomóc” w zwalnianiu zasobów. • Skutki błędnego zarządzania : • Może powodować błąd wykonania i natychmiastowe zakończenie programu • Bardzo trudne do wykrycia błędy w systemach bez ochrony pamięci

45. Zarządzanie pamięcią – podsumowanie 2 • Wyższość Java/.Net nad C/C++ • Tworzymy obiekt w C/C++ operatorem new • Potem zwalniamy jego pamięć operatorem delete • Zatrzymujemy jednak odnośnik do tej pamięci • Utworzony inny obiekt może otrzymać zwolnioną pamięć • Program otrzymuje możliwość dostępu do tej samej pamięci, bo postrzega ją jako dwa różne rodzaje obiektów • Konsekwencja takiego działania: nieprzewidywalne zachowanie się programu i powstanie trudnych do wykrycia błędów. Każdy błąd systemu może być potencjalnie wykorzystany do włamania się!!!

46. WWW-XSS • XSS (Cross Site Scripting ) nieświadome przekazywanie przez witryny internetowe złośliwego kodu. • Atak składa się : • przekazanie do aplikacji złośliwego kodu przez napastnika; • nieświadome pobranie od aplikacji złośliwego kodu przez ofiarę; kod zostaje wykonany; • dodatkowe akcje wykonywane przez atakującego.

47. XSS • Atakujący łączy się z aplikacją po czym wysyła złośliwy kod : <SCRIPT type="text/javascript"> alert('Złośliwy kod!'); </SCRIPT> • Taki kod może być np. treścią listu na forum czy adresem email w polu nadawcy. • Aplikacja odbiera kod i zapisuje go w bazie danych • Użytkownik po zalogowaniu wchodzi na stronę i nieświadomie wyświetla jego zawartość. W wyniku wyświetlenia zostaje wykonany złośliwy kod JavaScript, który przekazuje pewne dane atakującemu.

48. Luki wykorzystywane przez XSS • aplikacja wpuszcza złośliwy kod. • aplikacja wypuszcza złośliwy kod. • przeglądarka klienta wykonuje złośliwy kod.

49. Ataki CSRF (ang. Cross Site Request Forgeries) wykorzystują mechanizm działania protokołu HTTP. Różnica CSRF i XSS • Po stronie klienta • XSS wykorzystuje JavaScript • CSRF wykorzystuje HTTP

50. CSRF • <IMG src="ikona.png" alt="Ikona listy wypunktowanej"> , pobrany porzez zapytanie : • GET ikona.png HTTP/1.1 • GET może odwoływać się do skryptu i przekazywać mu dodatkowe dane GET skrypt.php?imie=Jan&wiek=43 HTTP/1.1 • Umieszczenie na stronie obrazu: <IMG src="skrypt.php?imie=Jan&amp;wiek=43" alt="Ikona..."> wywołuje skrypt skrypt.php i umieszcza zmienne imie oraz wiek. • Samo wyświetlanie strony WWW może wywołać nieświadome wykorzystanie różnych skryptów.