一文读懂｜栈溢出攻击

什么是栈

简单来说，栈 是一种 LIFO（Last In Frist Out，后进先出） 形式的数据结构。栈一般是从高地址向低地址增长，并且栈支持 push（入栈） 和 pop（出栈） 两个操作。如下图所示：

push 操作先将 栈顶（sp指针） 向下移动一个位置，然后将数据写入到新的栈顶；而 pop 操作会从 栈顶 读取数据，并且将 栈顶（sp指针） 向上移动一个位置。

例如，将 0x100 压入栈，过程如下图所示：

我们再来看看 出栈 操作，如下图所示：

栈帧

栈帧，也就是 Sack Frame，其本质就是一种栈，只是这种栈专门用于保存函数调用过程中的各种信息（参数，返回地址，本地变量等）。

栈帧 有 栈顶 和 栈底 之分，其中栈顶的地址最低，栈底的地址最高。SP(栈指针) 就是一直指向栈顶的。在 x86 的 32 位 CPU 中，我们用 %ebp 寄存器指向栈底，也就是基址指针；用 %esp 寄存器指向栈顶，也就是栈指针。下面是一个栈帧的示意图：

一般来说，我们将 %ebp 到 %esp 之间区域当做栈帧。并不是整个栈空间只有一个栈帧，每调用一个函数，就会生成一个新的栈帧。

在函数调用过程中，我们将调用函数的函数称为：调用者(caller)，将被调用的函数称为：被调用者(callee)。在这个过程中：

• 调用者 需要知道在哪里获取 被调用者 返回的值（一般存放到 %eax 寄存器）。
• 被调用者 需要知道传入的参数在哪里和调用完后的返回地址在哪里。
• 我们需要保证在 被调用者 返回后，%ebp 和 %esp 寄存器的值应该和调用前一致。

函数调用

现在，我们来看看函数调用时，栈帧是如何变化的。

我们以一个函数调用的实例来解说，代码如下：

// stack.c

int add_func(int a, int b)
{
    int c, d;

    c = a;
    d = b;

    return c + d;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int total;

    total = add_func(1, 2);

    return 0;
}

我们使用命令 gcc -S -m32 stack.c 来编译上面的代码，获取的汇编代码如下所示（去掉一些无关紧要的信息）：

add_func:
    pushl   %ebp                // 保存ebp寄存器到栈
    movl    %esp, %ebp          // 把ebp进程设置为esp的值
    subl    $16, %esp           // 为局部变量申请空间
    movl    8(%ebp), %eax       // 把参数a保存到eax寄存器中
    movl    %eax, -8(%ebp)      // 把eax寄存器的值保存到局部变量c中（c = a）
    movl    12(%ebp), %eax      // 把参数b保存到eax寄存器中
    movl    %eax, -4(%ebp)      // 把eax寄存器到值保存到局部变量d中（d = b）
    movl    -8(%ebp), %edx      // 把d的值保存到edx寄存器中
    movl    -4(%ebp), %eax      // 把c的值保存到eax寄存器中
    addl    %edx, %eax          // 将eax寄存器与edx寄存器的值相加，保存到eax中（返回值）
    leave
    ret                         // 函数返回
    ...

可能汇编代码比较难看懂，我们用下面的插图来说明这个调用过程：

如上图所示，调用过程如下：

• 在 main() 函数调用 add_func() 函数前，先将调用 add_func() 函数的参数压栈。
• 在调用 add_func() 函数时，会将 返回地址 压栈，接着进入 add_func() 函数。
• add_func() 函数执行时，会将原来的 ebp寄存器 的值压栈，然后把 ebp寄存器 的设置为 esp寄存器 的值。
• 接着 add_func() 函数会为局部变量申请空间，也就是将 esp寄存器 向下移动。
• 然后把局部变量 c 设置为参数 a 的值，局部变量 d 设置为 参数 b 的值。
• 最后将局部变量 c 和 d 的值相加，放置到 eax寄存器 中（C语言规定以 eax寄存器 传递返回值），然后调用 ret 指令返回到 main() 函数。

函数返回

上面介绍了 函数调用 的过程，现在我们来介绍一下函数调用完毕后，从被调用函数返回到原来的函数过程是如何处理的。

从 add_func() 函数的汇编代码可以看到，当被调用函数执行完毕返回到调用函数前，会执行 leave 指令，这条指令等价于：

movl %ebp, %esp
popl %ebp

这两条汇编指令的意思是，将 esp寄存器 和 ebp寄存器 恢复到调用函数前的值。

然后，调用 ret 指令返回到原来的函数。ret 指令会从栈顶获取 返回地址，然后跳转到（jmp指令）此地址继续执行。这时的 栈帧 的结构如下图所示：

栈溢出攻击

前面说了那么，都是为了 栈溢出攻击 这节作铺垫的。通过前面的学习，我们知道调用函数的 参数 、执行完函数后的 返回地址 和被调用函数的 局部变量 都是存放在栈中的。

如果在调用函数时，不小心将 返回地址 覆盖了，那么调用完函数后，将不会跳转到原来的函数继续执行，而是跳转到覆盖后的地址执行。如下图所示：

那么，怎样才能把 返回地址 覆盖呢？我们可以通过下面的例子来说明：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

#define PTR_SIZE 8   // 指针的大小
#define EBP_SIZE 8   // ebp寄存器的大小

void inject_callback()
{
    printf("inject_callback called...\n");
    exit(0);
}

void func_call(char *addr, int len)
{
    char tmpBuf[16] = {0xff};

    memcpy(tmpBuf + 16 + EBP_SIZE, addr, len);

    printf("func_call called...\n");
}

int main(int argc, char** argv)
{
    uint64_t injectPtr = (uint64_t)&inject_callback;

    func_call(&injectPtr, PTR_SIZE);

    printf("main exited...\n");

    return 0;
}

我们使用以下命令编译上面代码，并且执行：

$ gcc stack-overflow.c -fno-stack-protector -o stack-overflow
$ ./stack-overflow
func_call called...
inject_callback called...

在编译上面程序时，一定要加上 -fno-stack-protector 参数，否则将会触发栈溢出保护，导致执行失败。

在上面的代码中，我们并没有直接调用 inject_callback() 函数，而是通过把 inject_callback() 函数的地址复制到 func_call() 函数的局部变量 tmpBuf 中。

由于局部变量 tmpBuf 的类型为字符串数组，而且大小为 16 个字节。但我们复制数据是从 24（16 + 8）处开始复制，已经超出了局部变量 tmpBuf 的大小，如下图所示：

从上图可以看出，func_call() 函数在调用 memcpy() 函数复制数据时，由于不小心用 inject_callback() 函数的地址覆盖了返回地址，导致 func_call() 函数执行完毕后，跳转到 inject_callback() 函数处执行。

这就是 栈溢出攻击 的原理，而导致 栈溢出攻击 的原因就是：调用 memcpy()、strcpy() 等函数复制数据时，没有对数据的长度进行验证，从而 返回地址 被复制的数据覆盖了。

黑客可以利用 栈溢出攻击 来把函数的返回地址修改成入侵代码的地址，从而实现攻击的目的。