緩沖區溢出保護方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及計算機技術領域，具體涉及一種緩沖區溢出保護方法。
【背景技術】
[0002] 堆棧作為程序中必不可少的內容，程序在運行時，內存中會開辟出一塊連續的棧 空間，用于維護函數調用時所必須的上下文信息，包括舊的幀指針、返回地址、調用參數和 局部變量等。程序可以將上下文信息壓棧，也可以從棧頂彈出。然而緩沖區一旦分配完成， 大小和地址便固定下來。當使用緩沖區時，如果操作超出緩沖區邊界的區域，便可能會發生 棧緩沖區域溢出。緩沖區溢出攻擊包括棧溢出、堆溢出、格式化字符串攻擊等攻擊類型。其 防護手段包括靜態的數組邊界檢查、堆棧的不可執行、動態的緩沖區溢出監測以及庫函數 的安全增強等。而相比堆緩沖區溢出和格式化字符串攻擊的漏洞，棧緩沖區溢出漏洞仍占 多數，且攻擊者利用棧緩沖區溢出漏洞的手段多樣化，攻擊更隱蔽。
[0003] 棧溢出一般會導致函數返回地址、棧幀指針等改變，進而導致程序控制流篡改、系 統宕機等。針對此問題，目前提出的普遍做法是通過在棧中添加棧保護(StackGuard)標簽 來保證棧的完整性、建立雙棧結構將控制流信息和數據流信息完全分離、棧幀指針加密等。
[0004] 但是，目前堆棧信息的保護大多都是基于緩沖區溢出攻擊中的某一種進行保護， 不能全面的解決緩沖區溢出問題。再者目前的雙棧結構等其在兼容性和性能方面仍然是一 個很大的不足，有時會導致性能等方面的大幅下降。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在上述缺陷，提供一種兼容安 全、高效、全面的緩沖區溢出保護方法。
[0006] 根據本發明，提供了一種緩沖區溢出保護方法，包括:根據原始棧形成一個備份 棧，其中備份棧備份了函數返回地址和堆棧幀指針，而且備份棧在調用函數入口處備份控 制流信息;在函數調用返回時通過比較原始棧與備份棧信息來判斷是否有溢出發生。
[0007] 優選地，所有進程都有共享庫中代碼;在基礎庫鏈接過程中，不把所述共享庫拷貝 到輸出文件，而是使得所有進程共享一份它們用到的共享庫中的例程的拷貝。
[0008] 優選地，通過設計一個庫來實現在調用函數入口處備份控制流信息。
[0009 ]優選地，所述庫中定義了一個靜態數組用于保存控制流信息。
[0010]優選地，所述庫中的函數實現棧的壓入和彈出操作，以及監測到控制流信息被修 改時的處理機制。
[0011]優選地，所述庫包括第一函數和第二函數;其中第一函數在被編譯程序的每個函 數的入口處被調用，第一函數的輸入為當前函數的幀指針指向的內存位置的內容和返回地 址;第二函數在被編譯程序的每個函數的出口處被調用，其中第二函數的輸入為當前函數 的幀指針指向的內存位置的內容和返回地址。
[0012]優選地，第一函數和第二函數被插入在目標函數的頭部和尾部的第一條指令前和 最后一條指令后。
[0013] 本發明提出的采用備份控制流信息方案的緩沖區溢出保護方法，既對堆棧中關鍵 的控制流信息做了保護，又保證了不同平臺的兼容性問題，并且也保證了程序的性能問題。
【附圖說明】
[0014] 結合附圖，并通過參考下面的詳細描述，將會更容易地對本發明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴隨的優點和特征，其中：
[0015]圖1示意性地示出了根據本發明優選實施例的緩沖區溢出保護方法的流程圖。 [0016]圖2a和圖2b示意性地示出了根據本發明優選實施例的緩沖區溢出保護方法采用 的備份控制流信息的示意圖。
[0017] 需要說明的是，附圖用于說明本發明，而非限制本發明。注意，表示結構的附圖可 能并非按比例繪制。并且，附圖中，相同或者類似的元件標有相同或者類似的標號。
【具體實施方式】
[0018] 為了使本發明的內容更加清楚和易懂，下面結合具體實施例和附圖對本發明的內 容進行詳細描述。
[0019] 本發明提出方案是對關鍵的控制流信息進行備份，在程序運行時比較備份值和原 始值來判斷是否有攻擊行為產生。
[0020] 具體地，圖1示意性地示出了根據本發明優選實施例的緩沖區溢出保護方法的流 程圖。
[0021] 如圖1所示，根據本發明優選實施例的緩沖區溢出保護方法包括：
[0022] 第一步驟S1:根據原始棧(例如圖2a所示的原始棧），形成一個備份棧(例如圖2b所 示的備份棧），其中備份棧備份了函數返回地址和堆棧幀指針，而且備份棧在調用函數入口 處備份控制流信息；
[0023] 第二步驟S2:在函數調用返回時通過比較原始棧與備份棧信息來判斷是否有溢出 發生。
[0024] 在本發明的【具體實施方式】中，可以通過設計一個庫來實現備份關鍵的控制流信 息。庫中定義了一個靜態數組__retarray保存控制流信息，庫中的函數實現棧的壓入和彈 出操作，以及監測到控制流信息被修改時的處理機制。其主要函數實現示例可以如算法1和 算法2所示。
[0025] 下面給出具體的算法示例。
[0026] 備份函數入口處實現的算法具體實現算法如算法1:
[0027]
[0028] 備份函數出口處實現的算法具體如算法2:
[0029]
[0030]
[0031] 函數__retarray_p;rolog在被編譯程序的每個函數的入口處被調用，其輸入為當 前函數的幀指針指向的內存位置的內容和返回地址。__retarray_epilog函數在被編譯程 序的每個函數的出口處被調用。__retarray_epi1og函數輸入為當前函數的幀指針指向的 內存位置的內容和返回地址，將該輸入與數組_retarray中保存的內容做比較，如果相同， 則表明堆棧中控制流信息未被篡改，否則有攻擊行為發生。
[0032] 本方法能夠以動態庫方式實現，其中所有進程都有共享庫中代碼;基礎庫鏈接過 程中并不把共享庫拷貝到輸出文件，而是所有進程共享一份它們用到的共享庫例程的拷 貝，從而可以節省大量的存儲空間。而若某個進程修改了全局變量_retarray，則該進程獲 得該變量的一個副本，副本中保存了其對應變量的私有數據信息。這樣，即使是某個函數的 控制流信息被篡改，也不會影響其它函數對應保存的信息。因此，備份棧__ retarray不會有各進程之間沖突的問題。而攻擊者要想突破此種防御機制，必須同時修改 當前堆棧中的備份信息以及_retarray中對應的備份信息，這顯然增加了攻擊的難度。
[0033] 以具體程序為實例，左邊是程序設計人員正常編寫的程序。而右邊的程序則是編 譯器使用了控制流信息備份補丁后得到的代碼布局情況，其是對程序設計人員透明地在每 個函數的頭部和尾部的第一條指令前和最后一條指令后自動插入retarray_prolog和 retarray_epilog兩個函數調用。
[0035] 本發明的特征之一是:提出了部分控制流信息備份的方法，將原始堆棧中一些關 鍵的控制流信息保存在一個備份棧中。程序運行至每個函數的入口處，把棧中存放的當前 函數的返回地址和幀指針備份至內存的另一區域。
[0036] 本發明的特征之二是:提出了用動態庫的方法實現該備份工作。所有進程都有共 享庫中代碼。基礎庫鏈接過程中并不把共享庫拷貝到輸出文件，而是所有進程共享一份它 們用到的共享庫例程的拷貝，從而可以節省大量的存儲空間。
[0037]在本發明中，通過備份控制流信息，盡可能的避免了惡意程序對控制流信息的篡 改。同時，相比于雙棧與單棧結構，避免了對體系結構的改動，對兼容性和程序實現的復雜 度做了綜合權衡。在安全性方面，其對棧緩沖區的溢出的問題其可以對返回地址的直接攻 擊、幀指針的間接攻擊、指針篡改控制流等均能正確防護。在性能方面，動態庫方式的實現 在保證了性能損耗在5%以下。在兼容性方面，采用數組來保存備份信息，故不會導致兼容 性問題。
[0038]此外，需要說明的是，除非特別指出，否則說明書中的術語"第一"、"第二"、"第三" 等描述僅僅用于區分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用于表示各個組件、元素、 步驟之間的邏輯關系或者順序關系等。
[0039]可以理解的是，雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例并非用以 限定本發明。對于任何熟悉本領域的技術人員而言，在不脫離本發明技術方案范圍情況下， 都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等 同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對 以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍 內。
【主權項】
1. 一種緩沖區溢出保護方法，其特征在于包括： 根據原始棧形成一個備份棧，其中備份棧備份了函數返回地址和堆棧幀指針，而且備 份棧在調用函數入口處備份控制流信息； 在函數調用返回時通過比較原始棧與備份棧信息來判斷是否有溢出發生。2. 根據權利要求1所述的緩沖區溢出保護方法，其特征在于，所有進程都有共享庫中代 碼;在基礎庫鏈接過程中，不把所述共享庫拷貝到輸出文件，而是使得所有進程共享一份它 們用到的共享庫中的例程的拷貝。3. 根據權利要求1或2所述的緩沖區溢出保護方法，其特征在于，通過設計一個庫來實 現在調用函數入口處備份控制流信息。4. 根據權利要求3所述的緩沖區溢出保護方法，其特征在于，所述庫中定義了一個靜態 數組用于保存控制流信息。5. 根據權利要求3所述的緩沖區溢出保護方法，其特征在于，所述庫中的函數實現棧的 壓入和彈出操作，以及監測到控制流信息被修改時的處理機制。6. 根據權利要求3所述的緩沖區溢出保護方法，其特征在于，所述庫包括第一函數和第 二函數;其中第一函數在被編譯程序的每個函數的入口處被調用，第一函數的輸入為當前 函數的幀指針指向的內存位置的內容和返回地址;第二函數在被編譯程序的每個函數的出 口處被調用，其中第二函數的輸入為當前函數的幀指針指向的內存位置的內容和返回地 址。7. 根據權利要求6所述的緩沖區溢出保護方法，其特征在于，第一函數和第二函數被插 入在目標函數的頭部和尾部的第一條指令前和最后一條指令后。
【專利摘要】本發明提供了一種緩沖區溢出保護方法，包括：根據原始棧形成一個備份棧，其中備份棧備份了函數返回地址和堆棧幀指針，而且備份棧在調用函數入口處備份控制流信息；在函數調用返回時通過比較原始棧與備份棧信息來判斷是否有溢出發生。
【IPC分類】G06F21/56, G06F21/52
【公開號】CN105426752
【申請號】CN201510828343
【發明人】馬曉東, 謝汶兵, 漆鋒濱, 尉紅梅, 翟彥河, 陳茜
【申請人】無錫江南計算技術研究所
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月24日