====== Laborator 09: Gestiunea bufferelor. Buffer overflow ======

Acest laborator este destinat înțelegerii modului în care funcționează bufferele și cum pot fi folosit la nivel de început vulnerabilităti de tip //buffer overflow//, adică depășirea limitelor unui buffer.

Un buffer este o zonă de memorie definită printr-o adresă de start și o dimensiune. Cel mai adesea un buffer este vector de N elemente. Dimensiunea totală a bufferului este ''N'' x dimensiunea unui element. Un șir de caracter (//string//) este un caz particular de buffer.

În cele ce urmează vom urmări exemple de folosire a bufferelor și vom vedea cum putem trece dincolo de limita unui buffer (de dimensiunea sa) provocând ceea ce se numește //buffer overflow//.

===== Pregătire infrastructură =====

Pentru acest laborator vom folosi {{http://elf.cs.pub.ro/asm/res/laboratoare/lab-09-tasks.zip|această arhivă de resurse}}. Descărcați arhiva și accesați conținutul acesteia.

Pentru desfășurarea acestui laborator vom folosi interfața în linia de comandă. Întrucât în exercițiile finale avem nevoie și de compilatorul de la Microsoft, este recomandat să deschideți consola de Visual Studio, care are mediul deja configurat pentru compilarea de programe.

<note>
Nu este nevoie să deschideti consola de Visual Studio până la exercițiul 7 inclusiv. Până acolo puteți folosi orice consolă.

Pentru a deschide consola de Visual Studio urmați pașii:
  * Apăsați butonul ''Start''.
  * Accesați opțiunea ''All apps''.
  * Mergeți la litera ''V''.
  * Deschideți meniul **de tip director** ''Visual Studio 2015''.
  * Selectați opțiunea ''VS2015 x86 Native Tools Command Prompt''.

</note>

În general, pe parcursul laboratorului, în linia de comandă, vom folosi:
  * asamblorul ''nasm''
  * comanda ''gcc'' pe post de linker
  * ''objdump'' pentru dezasamblarea fișierelor obiect și executabile
  * ''gdb'' pentru analiza dinamică, investigație și debugging

În general nu va fi nevoie să dați comenzi de compilare. Fiecare director cuprinde un script batch (''build.bat'') pe care îl puteți rula pentru a compila în mod automat fișierele cod sursă limbaj de asamblare sau C.

Înainte de începe laboratorul, alocați-vă 1-2 minute să reparcurgeți diagrama de mai jos ce arată structura stivei în cazul unui apel de funcție, accesibilă în format PDF și original DIA la adresa: http://elf.cs.pub.ro/asm/res/laboratoare/lab-04-img/

{{ :laboratoare:stack-in-function-call.png?600 |}}

===== [1p] 1. Tutorial: Folosirea unui buffer în zona de date =====

Accesați directorul ''data-buffer/'' din arhiva de resurse a laboratorului și consultați fișierul ''data_buffer.asm''. În acest fișier se găsește un program care populează un buffer cu informații și apoi le afișează.

Consultați cu atenție programul, apoi compilați-l folosind comanda<code>
build.bat
</code> apoi rulați-l folosind comanda<code>
.\data_buffer
</code>

Observați comportamentul programului funcție de codul său.

===== [1p] 2. Tutorial: Folosirea unui buffer pe stivă =====

Accesați directorul ''stack-buffer/'' din arhiva de resurse a laboratorului și consultați fișierul ''stack_buffer.asm''. În acest fișier se găsește un program care populează un buffer cu informații și apoi le afișează. Este similar celui de mai sus doar că acum buffer-ul este alocat pe stivă.

Consultați cu atenție programul, apoi compilați-l folosind comanda<code>
build.bat
</code> apoi rulați-l folosind comanda<code>
.\stack_buffer
</code>

Observați comportamentul programului funcție de codul său.

Pe lângă buffer am mai alocat o variabilă locală pe 4 octeți, accesibilă la adresa ''ebp-4''. Este inițializată la valoarea ''0xCAFEBABE''. Această variabilă va fi importantă mai târziu. Ce este relevant acum este să știm că această variabilă este, în memorie **imediat după buffer**: când se trece de limita buffer-ului se ajunge la această variabilă.

===== [1p] 3. Citirea de date dincolo de dimensiunea buffer-ului =====

Acum că am văzut cum arată buffer-ul în memorie și un este plasată variabila, actualizați programul ''stack_buffer.asm'' pentru ca secvența de afișare a buffer-ului (cea din jurul etichetei ''print_byte'') să ducă și la afișarea octeților variabilei. Adică trebuie să citiți date dincolo de dimensiunea buffer-ului (și să le afișați). Este un caz de buffer overflow de citire, cu obiectiv de //information leak//: aflarea de informații din memorie.

<note tip>
Nu e ceva complicat, trebuie doar să %%"instruiți"%% secvența de afișare să folosească altă limită pentru afișare, nu limita curentă de ''64'' de octeți.
</note>

Afișați și alte informații dincolo chiar de variabila locală. Ce informație vine pe stivă după variabila locală (următorii 4 octeți)? Dar următorii 4 octeți după?

===== [1p] 4. Scrierea de date dincolo de dimensiunea buffer-ului =====

Pe baza experienței de mai sus, realizați modificări pentru ca valoarea variabilei să fie ''0xDEADBEEF'' (în loc de ''0xCAFEBABE'' cum este la început) fără a modifica însă explicit valoarea variabilei. Folosiți-vă de modificarea buffer-ului și de registrul ''ebx'' în care am stocat adresa de început a buffer-ului.

<note tip>
Din nou, nu este ceva complicat. Trebuie să vă folosiți de valoarea ''ebx'' și un offset ca să scrieți valoarea ''0xDEADBEEF'' la acea adresă.

Realizați acest lucru după secvența de inițializare a buffer-ului din jurul label-ului ''fill_byte''.
</note>

La o rezolvare corectă a acestui exercițiu, programul va afișa valoarea ''0xDEADBEEF'' pentru variabila locală.

===== [1p] 5. Tutorial: Citirea de date de la intrarea standard =====

Accesați directorul ''read-stdin/'' din arhiva de resurse a laboratorului și consultați fișierul ''read_stdin.asm''. În acest fișier se găsește un program care folosește apelul ''gets'' ca să citească informații de la intrarea standard într-un buffer de pe stivă. La fel ca în cazul precedent am alocat o variabilă locală pe 4 octeți imediat după buffer-ul de pe stivă.

Consultați cu atenție programul, apoi compilați-l folosind comanda<code>
build.bat
</code> apoi rulați-l folosind comanda<code>
.\read_stdin
</code>

Observați comportamentul programului funcție de codul său.

===== [1.5p] 6. Buffer overflow cu date de la intrarea standard =====

Funcția [[http://man7.org/linux/man-pages/man3/gets.3.html|gets]] este o funcție care este practic interzisă în programele în din cauza vulnerabilității mari a acesteia: nu verifică limitele buffer-ului în care se face citirea, putând fi ușor folosită pentru buffer overflow.

Pentru aceasta transmiteți șirul de intrare corespunzător pentru ca valoarea afișată pentru variabila locală să nu mai fie ''0xCAFEBABE'' ci să fie ''0x574F4C46''.

<note tip>
Ca să transmiteți șirul de intrare, e recomandat să-l scrieți într-un fișier și apoi să redirectați acel fișier către comanda aferentă programului. Puteți folosi un editor precum ''Notapad++'' pentru editarea fișierului. Avantajul ''Notepad++'' este că vă afișează și coloana pe care vă aflați și puteți să știți câte caractere ați scris în fișier.

E recomandat să numiți fișierul ''payload''. Redirectarea fișierului ''payload'' către program se face folosind o comandă precum<code>
.\read_stdin < payload
</code>
</note>

===== [1.5p] 7. Buffer overflow cu date de la intrarea standard și fgets() =====

Așa cum am precizat mai sus, funcția ''gets'' este interzisă în programele curente. În locul acesteia se poate folosi funcția [[http://man7.org/linux/man-pages/man3/fgets.3.html|fgets]]. Creați o copie a fișierului cod sursă ''read_stdin.asm'' din subdirectorul ''read-stdin/'' într-u fișier cod sursă ''read_stdin_fgets.asm'' în subdirectorul ''read-stdin-fgets/''. În fișierul cod sursă ''read_stdin.asm'' schimbați apelul funcției ''gets'' cu apelul funcției ''fgets''.

Pentru apelul ''fgets'' citiți de la intrarea standard. Ca argument pentru al treilea parametru al ''fgets'' (de tipul ''FILE *'') veți folosi intrarea standard. Pentru a specifica intrarea standard folosiți construcția [[http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__avr__stdio.html|__iob]]. Va trebui să o marcați externă la modul ''%%extern __iob%%''.

<note tip>
Urmăriți pagina de manual a [[http://man7.org/linux/man-pages/man3/fgets.3.html|funcției fgets()]] pentru a afla ce parametri primește.
</note>

<note tip>
Pentru apelul funcției ''fgets'' folosiți construcția<code>
call _fgets
</code>
De asemenea, marcați simbolul ca fiind extern folosind construcția<code>
extern _fgets
</code>
</note>

<note tip>
Întrucât funcția ''fgets'' are 3 parametri (care ocupă ''3x4=12'' octeți) va trebui ca după apelul funcției, în restaurarea stivei, să folosiți ''add esp, 12'' (în loc de ''add esp, 4'' ca în cazul programul de mai sus care folosea ''gets()'').
</note>

Să păstrați posibilitatea unui buffer overflow și să demonstrați acest lucru prin afișarea valorii ''0x574F4C46'' pentru variabila locală. Adică să folosiți ca al doilea argument pentru ''fgets'' (dimensiunea) o valoare suficient de mare cât să permită realizarea unui buffer overflow.

<note tip>
La fel ca mai sus, ca să transmiteți șirul de intrare pentru program, e recomandat să-l scrieți într-un fișier și apoi să redirectați acel fișier către comanda aferentă programului. Redirectarea fișierului ''payload'' către program se face folosind o comandă precum<code>
.\read_stdin < payload
</code>
</note>

===== [2p] 8. Buffer overflow pentru program scris în cod C =====

De cele mai multe ori vom identifica vulnerabilități de tip buffer overflow în programe scrise în C. Acolo trebuie să vedem ce buffere sunt și care este distanța de la buffer la variabila dorită pentru a putea face suprascriere.

<note important>
Este important de avut în vedere că distanța între un buffer și o altă variabilă în C poate nu corespunde cu cea %%"din teren"%%; compilatorul poate face actualizări, reordonări, poate lăsa spații libere între variabile etc.
</note>

Pentru exercițiul curent, accesați directorul ''c-buffer-overflow/'' din arhiva de resurse a laboratorului și observați codul sursă aferent în C. Pentru cazul în care doriți să nu mai compilați voi codul aveți în arhivă și fișierul limbaj de asamblare echivalent și fișierul în cod obiect și fișierul executabil.

Descoperiți diferența între adresa buffer-ului și adresa variabilei, creați un fișier de intrare (numit și ''payload'') cu care să declanșați overflow-ul și faceți în așa fel încât să fie afișat mesajul //Full of win!//.

<note tip>
Ca să vedeți realitatea %%"din teren"%%, adică să aflați care este diferența dintre buffer și variabila pe care dorim să o suprascriem, consultați fișierul în limbaj de asamblare echivalent (''do_overflow.asm''), obținut prin asamblarea codului C.

În acest fișier puteți afla adresa relativă a buffer-ului față de ''ebp'' și a variabilei față de ''ebp''; urmăriți secvența cuprinsă între liniile ''32'' și ''37''; aveți o mapare între numele variabilei și offset-ul relativ față de ''ebp''. Cu aceste informații puteți crea șirul pe care să îl transmiteți ca payload către intrarea standard a programului.
</note>

<note>
Dacă doriți să recompilați fișierele rulați scriptul de compilare<code>
build.bat
</code>
</note>

<note tip>
La fel ca mai sus, ca să transmiteți șirul de intrare pentru program, e recomandat să-l scrieți într-un fișier și apoi să redirectați acel fișier către comanda aferentă programului. Redirectarea fișierului ''payload'' către program se face folosind o comandă precum<code>
.\do_overflow < payload
</code>
</note>

===== [2p] Bonus: Buffer overflow pentru binar =====

De multe ori nu avem șansa accesului la codul sursă și vrem să descoperim vulnerabilități în fișiere executabile. În directorul ''overflow-in-binary'' din arhiva de resurse a laboratorului, găsiți un fișier executabil și fișierul modul obiect din care a fost obținut. Folosind ''objdump'' sau ''gdb'' pentru investigație descoperiți cum puteți exploata vulnerabilitatea de tip buffer overflow, pentru ca programul să afișeze mesajul //Great success!//.

<note tip>
Pentru a rula ''objdump'' pe fișierul obiect ''overflow_in_binary.obj'' trebuie să rulați comanda<code>
C:\"Program Files (x86)"\SASM\MinGW\bin\objdump.exe -M intel -d overflow_in_binary.obj
</code>
</note>

===== Soluții =====

[[http://elf.cs.pub.ro/asm/res/laboratoare/lab-09-sol.zip|Soluții de referință pentru exercițiile de laborator]]